Linux网络编程2-多进程和多线程版本服务器

shlyyy2023-10-06 13:01

Linux网络编程2-多进程和多线程版本服务器

1.套接字相关函数的封装wrap.h wrap.c

像accept，read这样的能够引起阻塞的函数，若被信号打断，由于信号的优先级较高, 会优先处理信号, 信号处理完成后，会使accept或者read解除阻塞, 然后返回, 此时返回值为 -1，设置errno=EINTR;

在/usr/include/asm-generic/errno.h文件中包含了errno所有的宏和对应的错误描述信息.

cpp 复制代码 
#ifndef __WRAP_H_
#define __WRAP_H_
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>

void perr_exit(const char *s);
int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr);
int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
int Listen(int fd, int backlog);
int Socket(int family, int type, int protocol);
ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes);
ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes);
int Close(int fd);
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n);
ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n);
ssize_t my_read(int fd, char *ptr);
ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen);
int tcp4bind(short port,const char *IP);
#endif
cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>

void perr_exit(const char *s)
{
	perror(s);
	exit(-1);
}

int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr)
{
	int n;

again:
	if ((n = accept(fd, sa, salenptr)) < 0) {
		if ((errno == ECONNABORTED) || (errno == EINTR))
			goto again;
		else
			perr_exit("accept error");
	}
	return n;
}

int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{
    int n;

	if ((n = bind(fd, sa, salen)) < 0)
		perr_exit("bind error");

    return n;
}

int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{
    int n;

	if ((n = connect(fd, sa, salen)) < 0)
		perr_exit("connect error");

    return n;
}

int Listen(int fd, int backlog)
{
    int n;

	if ((n = listen(fd, backlog)) < 0)
		perr_exit("listen error");

    return n;
}

int Socket(int family, int type, int protocol)
{
	int n;

	if ((n = socket(family, type, protocol)) < 0)
		perr_exit("socket error");

	return n;
}

ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes)
{
	ssize_t n;

again:
	if ( (n = read(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
		if (errno == EINTR)
			goto again;
		else
			return -1;
	}
	return n;
}

ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes)
{
	ssize_t n;

again:
	if ( (n = write(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
		if (errno == EINTR)
			goto again;
		else
			return -1;
	}
	return n;
}

int Close(int fd)
{
    int n;
	if ((n = close(fd)) == -1)
		perr_exit("close error");

    return n;
}

/*参三: 应该读取的字节数*/
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n)
{
	size_t  nleft;              //usigned int 剩余未读取的字节数
	ssize_t nread;              //int 实际读到的字节数
	char   *ptr;

	ptr = vptr;
	nleft = n;

	while (nleft > 0) {
		if ((nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {
			if (errno == EINTR)
				nread = 0;
			else
				return -1;
		} else if (nread == 0)
			break;

		nleft -= nread;
		ptr += nread;
	}
	return n - nleft;
}

ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n)
{
	size_t nleft;
	ssize_t nwritten;
	const char *ptr;

	ptr = vptr;
	nleft = n;
	while (nleft > 0) {
		if ( (nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) {
			if (nwritten < 0 && errno == EINTR)
				nwritten = 0;
			else
				return -1;
		}

		nleft -= nwritten;
		ptr += nwritten;
	}
	return n;
}

static ssize_t my_read(int fd, char *ptr)
{
	static int read_cnt;
	static char *read_ptr;
	static char read_buf[100];

	if (read_cnt <= 0) {
again:
		if ( (read_cnt = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) < 0) {
			if (errno == EINTR)
				goto again;
			return -1;
		} else if (read_cnt == 0)
			return 0;
		read_ptr = read_buf;
	}
	read_cnt--;
	*ptr = *read_ptr++;

	return 1;
}

ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen)
{
	ssize_t n, rc;
	char    c, *ptr;

	ptr = vptr;
	for (n = 1; n < maxlen; n++) {
		if ( (rc = my_read(fd, &c)) == 1) {
			*ptr++ = c;
			if (c  == '\n')
				break;
		} else if (rc == 0) {
			*ptr = 0;
			return n - 1;
		} else
			return -1;
	}
	*ptr  = 0;

	return n;
}

int tcp4bind(short port,const char *IP)
{
    struct sockaddr_in serv_addr;
    int lfd = Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    bzero(&serv_addr,sizeof(serv_addr));
    if(IP == NULL){
        //如果这样使用 0.0.0.0,任意ip将可以连接
        serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    }else{
        if(inet_pton(AF_INET,IP,&serv_addr.sin_addr.s_addr) <= 0){
            perror(IP);//转换失败
            exit(1);
        }
    }
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port   = htons(port);
    Bind(lfd,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(serv_addr));
    return lfd;
}

2.支持多并发的服务器

如何支持多个客户端---支持多并发的服务器

由于accept和read函数都会阻塞, 如当read的时候, 不能调用accept接受新的连接, 当accept阻塞等待的时候不能read读数据.

第一种方案: 使用多进程, 可以让父进程接受新连接, 让子进程处理与客户端通信

思路: 让父进程accept接受新连接, 然后fork子进程, 让子进程处理通信, 子进程处理完成后退出, 父进程使用SIGCHLD信号回收子进程.
第二种方案: 使用多线程, 让主线程接受新连接, 让子线程处理与客户端通信; 使用多线程要将线程设置为分离属性, 让线程在退出之后自己回收资源.

如何不使用多进程或者多线程完成多个客户端的连接请求？

可以将accept和read函数设置为非阻塞, 调用fcntl函数可以将文件描述符设置为非阻塞, 让后再while循环中忙轮询.

3.多进程版本分析

阻塞函数在阻塞期间若收到信号，会被信号终端，errno设置为EINTR，这个错误不应该看成一个错误.

cpp 复制代码 
while(1)
{
	cfd = accept();
	
	while(1)
	{
		n = read(cfd, buf, sizeof(buf));
		if(n<=0)
		{
			break;
		}
	}
}

解决办法1:

将cfd设置为非阻塞: fcntl

缺点：假如有多个客户端连接请求, cfd只会保留最后一个文件描述符的值
解决方法2:

使用多进程: 让父进程监听接受新的连接, 子进程处理新的连接(接收和发送数据); 父进程还负责回收子进程

多进程版本思路：子进程复制父进程的文件描述符

cpp 复制代码 
//1 创建socket, 得到一个监听的文件描述符lfd---socket()
//2 将lfd和IP和端口port进行绑定-----bind();
//3 设置监听----listen()
//4 进入while
while(1)
{
    //等待有新的客户端连接到来
    cfd = accept();
    
    //fork一个子进程, 让子进程去处理数据
    pid = fork();
    if(pid<0)
    {
        exit(-1);
    }
    else if(pid>0)
    {
        //关闭通信文件描述符cfd
        close(cfd);
    }
    else if(pid==0)
    {
        //关闭监听文件描述符
        close(lfd);
        
        //收发数据
        while(1)
        {
            //读数据
            n = read(cfd, buf, sizeof(buf));
            if(n<=0)
            {
                break;
            }
            //发送数据给对方
            write(cfd, buf, n);
        }
        
        close(cfd);
        
        //下面的exit必须有, 防止子进程再去创建子进程
        exit(0);
    }
}
close(lfd);

还需要添加的功能: 父进程使用SIGCHLD信号完成对子进程的回收

注意点: accept或者read函数是阻塞函数，会被信号打断，此时不应该视为一个错误。errno=EINTR

父子进程能够共享的:

文件描述符(子进程复制父进程的文件描述符 )

mmap共享映射区

4.多进程版本实现

cpp 复制代码 
//多进程版本的网络服务器
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <ctype.h>
#include "wrap.h"

int main()
{
	//创建socket
	int lfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	
	//绑定
	struct sockaddr_in serv;
	bzero(&serv, sizeof(serv));
	serv.sin_family = AF_INET;
	serv.sin_port = htons(8888);
	serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	Bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv, sizeof(serv));
	
	//设置监听
	Listen(lfd, 128);
	
	pid_t pid;
	int cfd;
	char sIP[16];
	socklen_t len;
	struct sockaddr_in client;
	while(1)
	{
		//接受新的连接
		len = sizeof(client);
		memset(sIP, 0x00, sizeof(sIP));
		cfd = Accept(lfd, (struct sockaddr *)&client, &len);
		printf("client:[%s] [%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client.sin_addr.s_addr, sIP, sizeof(sIP)), ntohs(client.sin_port));
		
		//接受一个新的连接, 创建一个子进程,让子进程完成数据的收发操作
		pid = fork();
		if(pid<0)
		{
			perror("fork error");
			exit(-1);
		}
		else if(pid>0)
		{
			//关闭通信文件描述符cfd
			close(cfd);			
		}
		else if(pid==0)
		{
			//关闭监听文件描述符
			close(lfd);
			
			int i=0;
			int n;
			char buf[1024];
			
			while(1)
			{
				//读数据
				n = Read(cfd, buf, sizeof(buf));
				if(n<=0)
				{
					printf("read error or client closed, n==[%d]\n", n);
					break;
				}
				//printf("client:[%s] [%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client.sin_addr.s_addr, sIP, sizeof(sIP)), ntohs(client.sin_port));
				printf("[%d]---->:n==[%d], buf==[%s]\n", ntohs(client.sin_port), n, buf);
				
				//将小写转换为大写
				for(i=0; i<n; i++)
				{
					buf[i] = toupper(buf[i]);
				}
				//发送数据
				Write(cfd, buf, n);
			}
			
			//关闭cfd
			close(cfd);
			exit(0);
		}
	}
	
	//关闭监听文件描述符
	close(lfd);
	
	return 0;
}

改进：增加对子进程的回收：

cpp 复制代码 
//多进程版本的服务器
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <ctype.h>
#include "wrap.h"

//信号处理函数
void waitchild(int signo)
{
	pid_t wpid;
	while(1)
	{
		wpid = waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
		if(wpid>0)
		{
			printf("child exit, wpid==[%d]\n", wpid);
		}
		else if(wpid==0 || wpid==-1)
		{
			break;
		}
	}
}

int main()
{
	//创建socket
	int lfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	//设置端口复用
	int opt = 1;
	setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(int));

	//绑定-bind
	struct sockaddr_in serv;
	serv.sin_family = AF_INET;
	serv.sin_port = htons(8888);
	serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	Bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv, sizeof(serv));

	//监听-listen
	Listen(lfd, 128);

	//阻塞SIGCHLD信号
	sigset_t mask;
	sigemptyset(&mask);
	sigaddset(&mask, SIGCHLD);
	sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, NULL);

	int cfd;
	socklen_t len;
	char sIP[16];
	pid_t pid;
	struct sockaddr_in client;
	while(1)
	{
		//等待客户端连接--accept
		memset(sIP, 0x00, sizeof(sIP));
		len = sizeof(client);
		bzero(&client, sizeof(client));
		
		cfd = Accept(lfd, (struct sockaddr *)&client, &len);	
		printf("client-->[%s]:[%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client.sin_addr.s_addr, sIP, sizeof(sIP)), ntohs(client.sin_port));

		//创建子进程
		pid = fork();
		if(pid<0)
		{
			perror("fork error");
			close(lfd);
			return -1;
		}	
		else if(pid>0) //父进程
		{
			//关闭通信的文件描述符
			close(cfd);

			//注册SIGCHLD信号处理函数
			struct sigaction act;
			act.sa_handler = waitchild;
			act.sa_flags = 0;
			sigemptyset(&act.sa_mask);
			sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);

			//解除对SIGCHLD信号的阻塞
			sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &mask, NULL);
		}
		else if(pid==0) //子进程
		{
			//关闭监听文件描述符
			close(lfd);	

			int i = 0;
			int n = 0;
			char buf[1024];

			while(1)
			{
				memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
				n = Read(cfd, buf, sizeof(buf));
				if(n<=0)	
				{
					printf("read error or client closed, n==[%d]\n", n);
					break;	
				}
				printf("read over, n==[%d],buf==[%s]\n", n, buf);
				
				for(i=0; i<n; i++)
				{
					buf[i] = toupper(buf[i]);
				}
				write(cfd, buf, n);
			}

			close(cfd);
			exit(0);
		}
	}

	//关闭监听文件描述符
	close(lfd);

	return 0;
}

5.多线程版本分析

cpp 复制代码 
//1 创建socket, 得到一个监听的文件描述符lfd---socket()
//2 将lfd和IP和端口port进行绑定-----bind();
//3 设置监听----listen() 
//4 while循环
while(1)
{
    //接受新的客户端连接请求
    cfd = accept();
    
    //创建一个子线程
    pthread_create(&threadID, NULL, thread_work, &cfd);
    
    //设置线程为分离属性
    pthread_detach(threadID);
    
}
close(lfd);

void *thread_work(void *arg)
{
    //获得参数: 通信文件描述符
    int cfd = *(int *)arg;
    
    while(1)
    {
        //读数据
        n = read(cfd, buf, sizeof(buf));
        if(n<=0)
        {
            break;
        }
        
        //发送数据
        write(cfd, buf, n);
    }
    
    close(cfd);
}

问题:

1 子线程能否关闭lfd?

子线程不能关闭监听文件描述符lfd，原因是子线程和主线程共享文件描述符，而不是复制的.

2 主线程能否关闭cfd?

主线程不能关闭cfd，主线程和子线程共享一个cfd，而不是复制的，close之后cfd就会被真正关闭.

3 多个子线程共享cfd, 会有什么问题发生?

只有一个子线程能够通信。

6.多线程版本实现

cpp 复制代码 
//多线程版本的高并发服务器
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <ctype.h>
#include <pthread.h>
#include "wrap.h"

//子线程回调函数
void *thread_work(void *arg)
{
	sleep(20);
	int cfd = *(int *)arg;
	printf("cfd==[%d]\n", cfd);
	
	int i;
	int n;
	char buf[1024];
	
	while(1)
	{
		//read数据
		memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
		n = Read(cfd, buf, sizeof(buf));
		if(n<=0)
		{
			printf("read error or client closed,n==[%d]\n", n);
			break;
		}
		printf("n==[%d], buf==[%s]\n", n, buf);
		
		for(i=0; i<n; i++)
		{
			buf[i] = toupper(buf[i]);
		}
		//发送数据给客户端
		Write(cfd, buf, n);	
	}
	
	//关闭通信文件描述符
	close(cfd);
	
	pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
	//创建socket
	int lfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	
	//设置端口复用
	int opt = 1;
	setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(int));
	
	//绑定
	struct sockaddr_in serv;
	bzero(&serv, sizeof(serv));
	serv.sin_family = AF_INET;
	serv.sin_port = htons(8888);
	serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	Bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv, sizeof(serv));
	
	//设置监听
	Listen(lfd, 128);
	
	int cfd;
	pthread_t threadID;
	while(1)
	{
		//接受新的连接
		cfd = Accept(lfd, NULL, NULL);
		
		//创建子线程
		pthread_create(&threadID, NULL, thread_work, &cfd);
		
		//设置子线程为分离属性
		pthread_detach(threadID);
	}

	//关闭监听文件描述符
	close(lfd);
	
	return 0;
}

上面代码中，accept接收3个连接，创建3个子线程，这些子线程共享threadId结构与cfd变量，因此需要一个线程对应一个。数组。

cpp 复制代码 
// 创建100个INFO结构，最多可以接收100个连接
struct INFO
{
	int cfd;
	pthread_t threadID;
	struct sockaddr_in client;
};
struct INFO info[100];

//初始化INFO数组
for(i=0; i<100; i++)
{
	info[i].cfd=-1;
}

// 接收连接以后，从数组中分配一个INFO结构
for(i=0; i<100; i++)
{
	if(info[i].cfd==-1)
	{
		//这块内存可以使用
	}
}
if(i==100) // 没有空闲的INFO结构，拒绝接收新的连接
{
	//拒绝接受新的连接
	close(cfd);
}
cpp 复制代码 
//多线程版本的服务器
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <ctype.h>
#include <pthread.h>
#include "wrap.h"

typedef struct info
{
	int cfd;   //若为-1表示可用, 大于0表示已被占用
	int idx;
	pthread_t thread;
	struct sockaddr_in client;
}INFO;

INFO thInfo[1024];

//线程执行函数
void *thread_work(void *arg)
{
	INFO *p = (INFO *)arg;
	printf("idx==[%d]\n", p->idx);

	char sIP[16];
	memset(sIP, 0x00, sizeof(sIP));
	printf("new client:[%s][%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &(p->client.sin_addr.s_addr), sIP, sizeof(sIP)), ntohs(p->client.sin_port));

	int n;
	int cfd = p->cfd;
	struct sockaddr_in client;
	memcpy(&client, &(p->client), sizeof(client));
	
	char buf[1024];
	
	while(1)
	{
		memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
		//读数据
		n = Read(cfd, buf, sizeof(buf));
		if(n<=0)
		{
			printf("read error or client closed, n==[%d]\n", n);
			Close(cfd);
			p->cfd =-1;  //设置为-1表示该位置可用
			pthread_exit(NULL);
		}
		
		for(int i=0; i<n; i++)
		{
			buf[i] = toupper(buf[i]);
		}
		//发送数据
		Write(cfd, buf, n);
	}
}

void init_thInfo()
{
	int i = 0;
	for(i=0; i<1024; i++)
	{
		thInfo[i].cfd = -1;;
	}
}

int findIndex()
{
	int i;
	for(i=0; i<1024; i++)
	{
		if(thInfo[i].cfd==-1)
		{
			break;
		}
	}
	if(i==1024)
	{
		return -1;
	}
	
	return i;
}

int main()
{
	//创建socket
	int lfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	
	//设置端口复用
	int opt = 1;
	setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(int));
	
	//绑定--将lfd 和 IP PORT绑定
	struct sockaddr_in serv;
	bzero(&serv, sizeof(serv));
	serv.sin_family = AF_INET;
	serv.sin_port = htons(8888);
	serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	Bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv, sizeof(serv));
	
	//监听
	Listen(lfd, 128);
		
	//初始化
	init_thInfo();
	
	int cfd;
	int ret;
	int idx;
	socklen_t len;
	pthread_t thread;
	struct sockaddr_in client;
	while(1)
	{
		len = sizeof(client);
		bzero(&client, sizeof(client));
		//获得一个新的连接
		cfd = Accept(lfd, (struct sockaddr *)&client, &len);
		//创建一个子进程, 让子进程处理连接---接收数据和发送数据
		
		//找数组中空闲的位置
		idx = findIndex();
		if(idx==-1)
		{
			Close(cfd);
			continue;
		}
		
		//对空闲位置的元素的成员赋值
		thInfo[idx].cfd = cfd;
		thInfo[idx].idx = idx;
		memcpy(&thInfo[idx].client, &client, sizeof(client));
		
		//创建子线程---该子线程完成对数据的收发
		ret = pthread_create(&thInfo[idx].thread, NULL, thread_work, &thInfo[idx]);
		if(ret!=0)
		{
			printf("create thread error:[%s]\n", strerror(ret));
			exit(-1);
		}
		
		//设置子线程为分离属性
		pthread_detach(thInfo[idx].thread);
	
	}
	
	Close(lfd);
	
	return 0;
	
}
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