从0实现基于Linux socket聊天室-多线程服务器模型(一)

news2024/9/27 15:30:35

    前言Socket在实际系统程序开发当中，应用非常广泛，也非常重要。实际应用中服务器经常需要支持多个客户端连接，实现高并发服务器模型显得尤为重要。高并发服务器从简单的循环服务器模型处理少量网络并发请求，演进到解决C10K，C10M问题的高并发服务器模型。本文通过一个简单的多线程模型，带领大家学习如何自己实现一个简单的并发服务器。

C/S架构

服务器-客户机，即Client-Server(C/S)结构。C/S结构通常采取两层结构。服务器负责数据的管理，客户机负责完成与用户的交互任务。

在C/S结构中，应用程序分为两部分:服务器部分和客户机部分。服务器部分是多个用户共享的信息与功能，执行后台服务，如控制共享数据库的操作等;客户机部分为用户所专有，负责执行前台功能，在出错提示、在线帮助等方面都有强大的功能，并且可以在子程序间自由切换。

如上图所示：这是基于套接字实现客户端和服务器相连的函数调用关系，socket API资料比较多，本文不再过多叙述。

pthread线程库:(POSIX)

pthread线程库是Linux下比较常用的一个线程库，关于他的用法和特性大家可以自行搜索相关文章，下面只简单介绍他的用法和编译。

线程标识

线程有ID, 但不是系统唯一, 而是进程环境中唯一有效. 线程的句柄是pthread_t类型, 该类型不能作为整数处理, 而是一个结构. 下面介绍两个函数:

头文件: <pthread.h>
原型: int pthread_equal(pthread_t tid1, pthread_t tid2);
返回值: 相等返回非0, 不相等返回0.
说明: 比较两个线程ID是否相等.

头文件: <pthread.h>
原型: pthread_t pthread_self();
返回值: 返回调用线程的线程ID.

线程创建

在执行中创建一个线程, 可以为该线程分配它需要做的工作(线程执行函数), 该线程共享进程的资源. 创建线程的函数pthread_create()

头文件: <pthread.h>
原型: int pthread_create(pthread_t *restrict tidp, const pthread_attr_t *restrict attr, void *(start_rtn)(void), void *restrict arg);
返回值: 成功则返回0, 否则返回错误编号.
参数:
tidp: 指向新创建线程ID的变量, 作为函数的输出.
attr: 用于定制各种不同的线程属性, NULL为默认属性（见下）.
start_rtn: 函数指针, 为线程开始执行的函数名.该函数可以返回一个void *类型的返回值，
而这个返回值也可以是其他类型，并由 pthread_join()获取
arg: 函数的唯一无类型(void)指针参数, 如要传多个参数, 可以用结构封装.

编译

因为pthread的库不是linux系统的库，所以在进行编译的时候要加上     -lpthread
# gcc filename -lpthread  //默认情况下gcc使用c库，要使用额外的库要这样选择使用的库

常见的网络服务器模型

本文结合自己的理解，主要以TCP为例，总结了几种常见的网络服务器模型的实现方式，并最终实现一个简单的命令行聊天室。

单进程循环

单线进程循环原理就是主进程没和客户端通信，客户端都要先连接服务器，服务器接受一个客户端连接后从客户端读取数据，然后处理并将处理的结果返还给客户端，然后再接受下一个客户端的连接请求。

优点单线程循环模型优点是简单、易于实现，没有同步、加锁这些麻烦事，也没有这些开销。

缺点

  1. 阻塞模型，网络请求串行处理；

  2. 没有利用多核cpu的优势，网络请求串行处理；

  3. 无法支持同时多个客户端连接；

  4. 程序串行操作，服务器无法实现同时收发数据。

单线程IO复用

linux高并发服务器中常用epoll作为IO复用机制。线程将需要处理的socket读写事件都注册到epoll中，当有网络IO发生时，epoll_wait返回，线程检查并处理到来socket上的请求。

优点

  1. 实现简单， 减少锁开销，减少线程切换开销。

缺点

  1. 只能使用单核cpu，handle时间过长会导致整个服务挂死；

  2. 当有客户端数量超过一定数量后，性能会显著下降；

  3. 只适用高IO、低计算，handle处理时间短的场景。

 

多线程/多进程

多线程、多进程模型主要特点是每个网络请求由一个进程/线程处理，线程内部使用阻塞式系统调用，在线程的职能划分上，可以由一个单独的线程处理accept连接，其余线程处理具体的网络请求（收包，处理，发包）；还可以多个进程单独listen、accept网络连接。

优点：

1、实现相对简单；2、利用到CPU多核资源。

缺点：

1、线程内部还是阻塞的，举个极端的例子，如果一个线程在handle的业务逻辑中sleep了，这个线程也就挂住了。

多线程/多进程IO复用

多线程、多进程IO服用模型，每个子进程都监听服务，并且都使用epoll机制来处理进程的网络请求，子进程 accept() 后将创建已连接描述符，然后通过已连接描述符来与客户端通信。该机制适用于高并发的场景。

优点：

  1. 支撑较高并发。

缺点：

  1. 异步编程不直观、容易出错

 

多线程划分IO角色

多线程划分IO角色主要功能有：一个accept thread处理新连接建立；一个IO thread pool处理网络IO；一个handle thread pool处理业务逻辑。使用场景如：电销应用，thrift TThreadedSelectorServer。

优点：

  1. 按不同功能划分线程，各线程处理固定功能，效率更高

  2. 可以根据业务特点配置线程数量来性能调优

缺点：

  1. 线程间通信需要引入锁开销

  2. 逻辑较复杂，实现难度大

小结

上面介绍了常见的网络服务器模型，还有AIO、协程，甚至还有其他的变型，在这里不再讨论。重要的是理解每种场景中所面临的问题和每种模型的特点，设计出符合应用场景的方案才是好方案。

多线程并发服务器模型

下面我们主要讨论多线程并发服务器模型。

代码结构

并发服务器代码结构如下：

thread_func()
{
  while(1) {
    recv(...);
    process(...);
    send(...);
  }
  close(...);
}
main(
 socket(...); 
 bind(...);
 listen(...);
 while(1) { 
  accept(...);
  pthread_create();
 }
}

由上可以看出，服务器分为两部分：主线程、子线程。

主线程

main函数即主线程，它的主要任务如下：

  1. socket()创建监听套字；

  2. bind（）绑定端口号和地址；

  3. listen（）开启监听；

  4. accept（）等待客户端的连接，

  5. 当有客户端连接时，accept（）会创建一个新的套接字new_fd；

  6. 主线程会创建子线程，并将new_fd传递给子线程。

子线程

  1. 子线程函数为thread_func（），他通过new_fd处理和客户端所有的通信任务。

客户端连接服务器详细步骤

下面我们分步骤来看客户端连接服务器的分步说明。

1. 客户端连接服务器

  1. 服务器建立起监听套接字listen_fd，并初始化；

  2. 客户端创建套接字fd1；

  3. 客户端client1通过套接字fd1连接服务器的listen_fd；

 

 

2. 主线程创建子线程thread1

  1. server收到client1的连接请求后，accpet函数会返回一个新的套接字newfd1;

  2. 后面server与client1的通信就依赖newfd1，监听套接字listen_fd会继续监听其他客户端的连接；

  3. 主线程通过pthead_create()创建一个子线程thread1，并把newfd1传递给thread1；

  4. server与client1的通信就分别依赖newfd1、fd1。

  5. client1为了能够实时收到server发送的信息，同时还要能够从键盘上读取数据，这两个操作都是阻塞的，没有数据的时候进程会休眠，所以必须创建子线程read_thread;

  6. client1的主线负责从键盘上读取数据并发送给，子线程read_thread负责从server接受信息。

 

3. client2连接服务器

  1. 客户端client2创建套接字fd2;

  2. 通过connect函数连接server的listen_fd；

4. 主线程创建子线程thread2

  1. server收到client2的连接请求后，accpet函数会返回一个新的套接字newfd2;

  2. 后面server与client2的通信就依赖newfd2，监听套接字listen_fd会继续监听其他客户端的连接；

  3. 主线程通过pthead_create()创建一个子线程thread2，并把newfd2传递给thread2；

  4. server与client1的通信就分别依赖newfd2、fd2。

  5. 同样client2为了能够实时收到server发送的信息，同时还要能够从键盘上读取数据必须创建子线程read_thread;

  6. client1的主线负责从键盘上读取数据并发送给，子线程read_thread负责从server接受信息。

 

由上图可见，每一个客户端连接server后，server都要创建一个专门的thread负责和该客户端的通信；每一个客户端和server都有一对固定的fd组合用于连接。

实例

好了，理论讲完了，根据一口君的惯例，也继承祖师爷的教诲：talk is cheap，show you my code.不上代码，只写理论的文章都是在耍流氓。

本例的主要功能描述如下：

  1. 实现多个客户端可以同时连接服务器；

  2. 客户端可以实现独立的收发数据；

  3. 客户端发送数据给服务器后，服务器会将数据原封不动返回给客户端。

服务器端

/*********************************************
           服务器程序  TCPServer.c  
           公众号:一口Linux
*********************************************/
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

#define RECVBUFSIZE 2048
void *rec_func(void *arg)
{
 int sockfd,new_fd,nbytes;
 char buffer[RECVBUFSIZE];
 int i;
 new_fd = *((int *) arg);
 free(arg); 
 
 while(1)
 {
  if((nbytes=recv(new_fd,buffer, RECVBUFSIZE,0))==-1)
  {
   fprintf(stderr,"Read Error:%s\n",strerror(errno));
   exit(1);
  }
  if(nbytes == -1)
  {//客户端出错了 返回值-1
   close(new_fd);
   break;   
  }
  if(nbytes == 0)
  {//客户端主动断开连接，返回值是0
   close(new_fd);
   break;
  }
  buffer[nbytes]='\0'; 
  printf("I have received:%s\n",buffer); 
  
  
  if(send(new_fd,buffer,strlen(buffer),0)==-1)
  {
   fprintf(stderr,"Write Error:%s\n",strerror(errno));
   exit(1);
  }
   
 }

}

int main(int argc, char *argv[])
{
 char buffer[RECVBUFSIZE];
 int sockfd,new_fd,nbytes;
 struct sockaddr_in server_addr;
 struct sockaddr_in client_addr;
 int sin_size,portnumber;
 char hello[]="Hello! Socket communication world!\n";
 pthread_t tid;
 int *pconnsocke = NULL;
 int ret,i;
 
 if(argc!=2)
 {
  fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber\a\n",argv[0]);
  exit(1);
 }
 /*端口号不对，退出*/
 if((portnumber=atoi(argv[1]))<0)
 {
  fprintf(stderr,"Usage:%s portnumber\a\n",argv[0]);
  exit(1);
 }

 /*服务器端开始建立socket描述符  sockfd用于监听*/
 if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)  
 {
  fprintf(stderr,"Socket error:%s\n\a",strerror(errno));
  exit(1);
 }
 
 /*服务器端填充 sockaddr结构*/ 
 bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
 server_addr.sin_family     =AF_INET;
 /*自动填充主机IP*/
 server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);//自动获取网卡地址
 server_addr.sin_port       =htons(portnumber);
 
 /*捆绑sockfd描述符*/ 
 if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1)
 {
  fprintf(stderr,"Bind error:%s\n\a",strerror(errno));
  exit(1);
 }
 
 /*监听sockfd描述符*/
 if(listen(sockfd, 10)==-1)
 {
  fprintf(stderr,"Listen error:%s\n\a",strerror(errno));
  exit(1);
 }

 while(1)
 {
  /*服务器阻塞，直到客户程序建立连接*/
  sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
  if((new_fd = accept(sockfd,(struct sockaddr *)&client_addr,&sin_size))==-1)
  {
   fprintf(stderr,"Accept error:%s\n\a",strerror(errno));
   exit(1);
  }
  
  pconnsocke = (int *) malloc(sizeof(int));
  *pconnsocke = new_fd;
  
  ret = pthread_create(&tid, NULL, rec_func, (void *) pconnsocke);
  if (ret < 0) 
  {
   perror("pthread_create err");
   return -1;
  } 
 }
 //close(sockfd);
 exit(0);
}

客户端

/*********************************************
           服务器程序  TCPServer.c  
           公众号:一口Linux
*********************************************/
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#define RECVBUFSIZE 1024

void *func(void *arg)
{
 int sockfd,new_fd,nbytes;
 char buffer[RECVBUFSIZE];
 
 new_fd = *((int *) arg);
 free(arg);
 
 while(1)
 {
  if((nbytes=recv(new_fd,buffer, RECVBUFSIZE,0))==-1)
  {
   fprintf(stderr,"Read Error:%s\n",strerror(errno));
   exit(1);
  }
  buffer[nbytes]='\0';
  printf("I have received:%s\n",buffer); 
 }

}

int main(int argc, char *argv[])
{
 int sockfd;
 char buffer[RECVBUFSIZE];
 struct sockaddr_in server_addr;
 struct hostent *host;
 int portnumber,nbytes; 
 pthread_t tid;
 int *pconnsocke = NULL;
 int ret;
 
 //检测参数个数
 if(argc!=3)
 {
  fprintf(stderr,"Usage:%s hostname portnumber\a\n",argv[0]);
  exit(1);
 }
 //argv2 存放的是端口号 ，读取该端口，转换成整型变量
 if((portnumber=atoi(argv[2]))<0)
 {
  fprintf(stderr,"Usage:%s hostname portnumber\a\n",argv[0]);
  exit(1);
 }
 //创建一个 套接子
 if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
 {
  fprintf(stderr,"Socket Error:%s\a\n",strerror(errno));
  exit(1);
 }

 //填充结构体，ip和port必须是服务器的
 bzero(&server_addr,sizeof(server_addr));
 server_addr.sin_family=AF_INET;
 server_addr.sin_port=htons(portnumber);
 server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);//argv【1】 是server ip地址

 /*¿Í»§³ÌÐò·¢ÆðÁ¬œÓÇëÇó*/ 
 if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))==-1)
 {
  fprintf(stderr,"Connect Error:%s\a\n",strerror(errno));
  exit(1);
 }
 
 //创建线程
 pconnsocke = (int *) malloc(sizeof(int));
 *pconnsocke = sockfd;
 
 ret = pthread_create(&tid, NULL, func, (void *) pconnsocke);
 if (ret < 0) 
 {
  perror("pthread_create err");
  return -1;
 } 
 while(1)
 {
 #if 1
  printf("input msg:");
  scanf("%s",buffer);
  if(send(sockfd,buffer,strlen(buffer),0)==-1)
  {
   fprintf(stderr,"Write Error:%s\n",strerror(errno));
   exit(1);
  }
  #endif
 }
 close(sockfd);
 exit(0);
}

编译编译线程，需要用到pthread库，编译命令如下：

  1. gcc s.c -o s -lpthread

  2. gcc cli.c -o c -lpthread 先本机测试

  3. 开启一个终端 ./s 8888

  4. 再开一个终端 ./cl 127.0.0.1 8888,输入一个字符串"qqqqqqq"

  5. 再开一个终端 ./cl 127.0.0.1 8888,输入一个字符串"yikoulinux"

有读者可能会注意到，server创建子线程的时候用的是以下代码：

 pconnsocke = (int *) malloc(sizeof(int));
  *pconnsocke = new_fd;
  
  ret = pthread_create(&tid, NULL, rec_func, (void *) pconnsocke);
  if (ret < 0) 
  {
   perror("pthread_create err");
   return -1;
  } 

为什么必须要malloc一块内存专门存放这个新的套接字呢？ 

这个是一个很隐蔽，很多新手都容易犯的错误。下一章，我会专门给大家讲解。

本系列文章预计会更新4-5篇。最终目的是写出一个带登录注册公聊私聊等功能的聊天室。喜欢的话请收藏关注。

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