多线程|多进程|高并发网络编程

左手的月光2023-09-19 22:11

一.多进程并发服务器

多进程并发服务器是一种经典的服务器架构，它通过创建多个子进程来处理客户端连接，从而实现并发处理多个客户端请求的能力。

概念：

  1. 服务器启动时，创建主进程，并绑定监听端口。
  2. 当有客户端连接请求时，主进程接受连接，并创建一个子进程来处理该客户端连接。
  3. 子进程与客户端进行通信，处理请求和发送响应。
  4. 主进程继续监听新的连接请求。
  5. 子进程完成任务后，可以选择终止或继续处理其他连接，根据需求选择是否重复循环。

优点：

  1. 高并发处理能力：每个子进程都可以独立地处理一个客户端连接，利用多核处理器的优势，实现高并发处理能力，提高服务器的吞吐量。
  2. 稳定性：每个子进程都是独立的，一个进程出现问题不会影响其他进程，提高了服务器的稳定性和容错能力。
  3. 简单直观：采用多进程模型实现并发服务器相对简单，代码可读性高，易于理解和维护。
  4. 跨平台：多进程并发服务器概念适用于各种操作系统，不仅限于Linux平台。

缺点：

  1. 高资源消耗：每个子进程都需要独立的资源，包括内存、文件描述符等，当并发连接数较高时，会消耗大量的系统资源。
  2. 进程间通信：各个子进程之间的通信需要额外的机制，例如管道、共享内存等，增加了复杂性。
  3. 上下文切换开销：进程间切换的开销相对较大，会影响性能。
  4. 调试困难：由于每个子进程独立执行，调试和定位问题可能会变得复杂。

综上所述，多进程并发服务器能够满足高并发处理需求，并具有稳定性和简单性等优点。然而，它也存在资源消耗较高和调试困难等缺点，根据实际需求和应用场景选择合适的服务器架构是很重要的。

案例

利用多进程，在TCP通信的基础上，实现服务器可以同时连接多个客户端。实现大小写转换。

service.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

void handler(int sig)
{
    if (sig == SIGCHLD)
    {
        while(waitpid(0,NULL,WNOHANG)>0);
    }
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
    //1.建立socket套接字
    int socked = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (socked < 0)
    {
        perror("socket is err");
        return -1;
    }

    //2.bind绑定服务器ip和端口号
    struct sockaddr_in saddr, caddr;
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
    int len = sizeof(caddr);
    int rev = bind(socked, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));
    if (rev < 0)
    {
        perror("bind is err");
        return 0;
    }

    //3.listen设置最大同时链接数量
    rev = listen(socked, 32);
    if (rev < 0)
    {
        perror("rev is err");
        return 0;
    }

    //4.建立子进程负责服务器给客户端发送消息,并且主进程不结束,此进程不结束
    char buf[1024] = {0};
    int size=0;
    while (1)
    {
        int acceptfd = accept(socked, (struct sockaddr *)(&caddr), &len);
        if (acceptfd < 0)
        {
            perror("accept is err");
            return 0;
        }
        pid_t pid = fork();
        if (pid < 0)
        {
            perror("pid is err");
            return 0;
        }
        else if (pid == 0)
        {
            //子进程,每个子进程维护一个客户端
            //不许要监听,直接关掉
            close(socked);
            while (1)
            {

                int flage = recv(acceptfd, buf, sizeof(buf), 0);
                if (flage < 0)
                {
                    perror("recv is err");
                }
                else if (flage == 0)
                {
                    printf("ip:%s is close\n", inet_ntoa(caddr.sin_addr));
                    close(acceptfd);
                    break;
                }
                else
                {
                    size = strlen(buf);

                    for (int i = 0; i < size; ++i)
                    {
                        if (buf[i] >= 'a' && buf[i] <= 'z')
                            buf[i] = buf[i] + ('A' - 'a');
                        else
                            buf[i] = buf[i] + ('a' - 'A');
                    }
                    printf("%d %s\n",getpid(),buf);
                    send(acceptfd, buf, sizeof(buf), 0);
                }
            }
        }
        else
        {
            //主进程回收子线程资源
            close(acceptfd);
            //异步节约资源
            signal(SIGCHLD, handler);
        }
    }
    return 0;
}

client.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //1.socket建立文件描述符
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (fd < 0)
    {
        perror("socket is err");
    }

    //2.connect连接服务器
    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    int flage = connect(fd, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));
    if (flage < 0)
    {
        perror("connect is err");
    }

    //3.服务器端不断发送数据,接受服务器转化后的数据
    char buf[1024] = {0};
    while (1)
    {
        //memset(buf,0,sizeof(buf));
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        if (strncmp(buf,"quit#",5)==0)
        {
            break;
        }
        
        if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')
            buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
        send(fd, buf, sizeof(buf), 0);
        flage = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
        if (flage < 0)
        {
            perror("recv is err");
        }
        else
        {
            fprintf(stdout, "%s\n", buf);
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}

二.多线程并发服务器

多线程并发服务器是一种服务器架构，通过创建多个线程来处理客户端连接，实现并发处理多个客户端请求的能力。下面是多线程并发服务器的概念和一些优点：

概念：

  1. 服务器启动时，创建主线程，并绑定监听端口。
  2. 当有客户端连接请求时，主线程接受连接，并创建一个或多个线程来处理该客户端连接。
  3. 线程与客户端进行通信，处理请求和发送响应。
  4. 主线程继续监听新的连接请求。
  5. 线程完成任务后，选择终止或继续处理其他连接，根据需求选择是否重复循环。

优点：

  1. 资源效率：线程相比进程，创建和销毁的开销较小，占用的资源较少，特别是共享的资源，如文件描述符，可以在多个连接之间共享，提高了资源的利用效率。
  2. 响应速度：线程之间的切换开销较小，内存空间共享，可以快速响应客户端请求，减少了连接等待时间。
  3. 简单直观：与多进程相比，多线程实现并发服务器更简单直观，代码可读性高，易于理解和维护。
  4. 可扩展性：线程可轻松地添加和删除，适应不断变化的连接数需求，提供更好的可扩展性。
  5. 共享数据简便：线程之间共享的数据结构可以直接访问，不需要像进程间通信一样使用额外的机制。

缺点：

  1. 数据同步问题：多线程共享数据可能导致竞态条件和数据一致性问题，需要使用锁或其他同步机制来保证线程安全。
  2. 调试困难：由于线程之间共享同一进程的内存空间，调试和定位问题可能会变得复杂。
  3. 并行性限制：在某些情况下，多线程服务器的并行性可能受限于系统中可用的CPU核心数量。
  4. 需要考虑线程安全：编写线程安全的代码可能需要更多的开发工作和考虑，避免数据竞争和死锁等问题。

综上所述，多线程并发服务器能够满足高并发处理需求，并具有资源效率、响应速度、简单性和可扩展性等优点。然而，它也存在数据同步问题和调试困难等缺点，根据实际需求和应用场景选择合适的服务器架构是很重要的。

案例

利用多线程，在TCP通信的基础上，实现服务器可以同时连接多个客户端。实现大小写转换。

service.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <pthread.h>

struct client
{
    int acceptfd;
    struct sockaddr_in caddr;
};

void *my_pthread(void *p)
{
    char buf[1024] = {0};
    int size = 0;
    struct client *cl = (struct client *)p;
    int acceptfd = cl->acceptfd;
    struct sockaddr_in caddr = cl->caddr;
    while (1)
    {
        int flage = recv(acceptfd, buf, sizeof(buf), 0);
        if (flage < 0)
        {
            perror("recv is err");
        }
        else if (flage == 0)
        {
            printf("ip:%s is close\n", inet_ntoa(caddr.sin_addr));
            close(acceptfd);
            break;
        }
        else
        {
            size = strlen(buf);

            for (int i = 0; i < size; ++i)
            {
                if (buf[i] >= 'a' && buf[i] <= 'z')
                    buf[i] = buf[i] + ('A' - 'a');
                else
                    buf[i] = buf[i] + ('a' - 'A');
            }
            send(acceptfd, buf, sizeof(buf), 0);
        }
    }

    close(acceptfd);
    return 0;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{

    //1.建立socket套接字
    int socked = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (socked < 0)
    {
        perror("socket is err");
        return -1;
    }

    //2.bind绑定服务器ip和端口号
    struct sockaddr_in saddr, caddr;
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
    int len = sizeof(caddr);
    int rev = bind(socked, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));
    if (rev < 0)
    {
        perror("bind is err");
        return 0;
    }

    //3.listen设置最大同时链接数量
    rev = listen(socked, 32);
    if (rev < 0)
    {
        perror("rev is err");
        return 0;
    }

    //4.建立子进程负责服务器给客户端发送消息,并且主进程不结束,此进程不结束

    int i = 0;
    pthread_t tid;
    struct client ti[1024] = {0};
    while (1)
    {
        int acceptfd = accept(socked, (struct sockaddr *)(&caddr), &len);
        if (acceptfd < 0)
        {
            perror("accept is err");
            return 0;
        }
        ti[i].acceptfd = acceptfd;
        ti[i].caddr = caddr;
        pthread_create(&tid, NULL, my_pthread, (void *)&ti[i]);
        pthread_detach(tid);
        ++i;
    }
    return 0;
}

client.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //1.socket建立文件描述符
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (fd < 0)
    {
        perror("socket is err");
    }

    //2.connect连接服务器
    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    int flage = connect(fd, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));
    if (flage < 0)
    {
        perror("connect is err");
    }

    //3.服务器端不断发送数据,接受服务器转化后的数据
    char buf[1024] = {0};
    while (1)
    {
        //memset(buf,0,sizeof(buf));
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        if (strncmp(buf,"quit#",5)==0)
        {
            break;
        }
        
        if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')
            buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
        send(fd, buf, sizeof(buf), 0);
        flage = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);
        if (flage < 0)
        {
            perror("recv is err");
        }
        else
        {
            fprintf(stdout, "%s\n", buf);
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}
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