网络编程『简易TCP网络程序』

北 海2024-01-02 8:16

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🛜所属专栏： Linux学习之旅、神奇的网络世界
💻操作环境： CentOS 7.6 阿里云远程服务器

成就一亿技术人

文章目录

🌤️前言

随着数字时代的来临，TCP网络程序已成为程序员不可或缺的技术领域。本博客将带领读者深入研究，从最基础的字符串回响开始，逐步探索至多进程、多线程服务器的高级实践。我们将详细探讨每个环节的核心功能和实现细节，致力于帮助读者深刻理解网络编程的本质。通过系统学习本博客内容，读者将获得构建稳健网络应用的重要技能，更加自信地应对日益复杂的软件开发挑战。这里将为你的编程旅程提供扎实的基础和深远的启示。

🌦️正文

TCP网络程序

接下来实现一批基于 TCP 协议的网络程序

1.字符串回响

1.1.核心功能

字符串回响程序类似于 echo 指令，客户端向服务器发送消息，服务器在收到消息后会将消息发送给客户端，该程序实现起来比较简单，同时能很好的体现 socket 套接字编程的流程

1.2.程序结构

这个程序我们已经基于 UDP 协议实现过了，换成 TCP 协议实现时，程序的结构是没有变化的，同样需要 server.hpp、server.cc、client.hpp、client.cc 这几个文件

创建 server.hpp 服务器头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"

namespace nt_server
{
    const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号

    class TcpServer
    {
    public:
        TcpServer(const uint16_t port = default_port)
            :port_(port)
        {}

        ~TcpServer()
        {}

        // 初始化服务器
        void InitServer()
        {}

        // 启动服务器
        void StartServer()
        {}

    private:
        int sock_; // 套接字（存疑）
        uint16_t port_; // 端口号
    };
}

注意： 这里的 sock_ 套接字成员后面需要修改

创建 server.cc 服务器源文件

cpp 复制代码 
#include <memory> // 智能指针头文件
#include "server.hpp"

using namespace std;
using namespace nt_server;

int main()
{
    unique_ptr<TcpServer> usvr (new TcpServer());

    usvr->InitServer();
    usvr->StartServer();
    return 0;
}

创建 client.hpp 客户端头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"

namespace nt_client
{
    class TcpClient
    {
    public:
        TcpClient(const std::string& ip, const uint16_t port)
            :server_ip_(ip), server_port_(port)
        {}

        ~TcpClient()
        {}

        // 初始化客户端
        void InitClient()
        {}

        // 启动客户端
        void StartClient()
        {}
        
    private:
        int sock_; // 套接字
        std::string server_ip_; // 服务器IP
        uint16_t server_port_; // 服务器端口号
    };
}

创建 client.cc 客户端源文件

cpp 复制代码 
#include <memory>
#include "client.hpp"

using namespace std;
using namespace nt_client;

void Usage(const char *program)
{
    cout << "Usage:" << endl;
    cout << "\t" << program << " ServerIP ServerPort" << endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        // 错误的启动方式，提示错误信息
        Usage(argv[0]);
        return USAGE_ERR;
    }

    // 服务器IP与端口号
    string ip(argv[1]);
    uint16_t port = stoi(argv[2]);

    unique_ptr<TcpClient> usvr(new TcpClient(ip, port));

    usvr->InitClient();
    usvr->StartClient();
    return 0;
}

同时需要一个 Makefile 文件，用于快速编译和清理可执行程序

创建 Makefile 文件

bash 复制代码 
.PHONY:all
all:server client

server:server.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11

	
client:client.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf server client

最后为了方便判断程序错误，可以增加上一篇文章中的 err.hpp 头文件，里面包含错误码与简易错误信息

创建 err.hpp 错误码头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

enum
{
    USAGE_ERR = 1,
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR
};

接下来开始填充代码内容

服务器

1.3.初始化服务器

基于 TCP 协议实现的网络程序也需要 创建套接字、绑定 IP 和端口号

在使用 socket 函数创建套接字时，UDP 协议需要指定参数2为 SOCK_DGRAM，TCP 协议则是指定参数2为 SOCK_STREAM

注：关于 socket、bind、sockaddr 的细节，可以看看这篇文章《网络编程『socket套接字 ‖ 简易UDP网络程序』》

InitServer() 初始化服务器函数 --- 位于 server.hpp 服务器头文件中的 TcpServer 类

cpp 复制代码 
const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号
    
// 初始化服务器
void InitServer()
{
    // 1.创建套接字
    sock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sock_ == -1)
    {
        std::cerr << "Create Socket Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }

    std::cout << "Create Socket Success! " << sock_ << std::endl;

    // 2.绑定IP地址与端口号
    struct sockaddr_in local;
    memset(&local, 0, sizeof(local)); // 清零
    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任意可用IP地址
    local.sin_port = htons(port_);
    
    if(bind(listensock_, (const sockaddr*)&local, sizeof(local)))
    {
        std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl;
        exit(BIND_ERR);
    }
            
    // 3.TODO
}

注意： 在绑定端口号时，一定需要把主机序列转换为网络序列

为什么在绑定端口号阶段需要手动转换为网络序列，而在发送信息阶段则不需要？
这是因为在发送信息阶段，recvfrom / sendto 等函数会自动将需要发送的信息转换为网络序列，接收信息时同样会将其转换为主机序列，所以不需要手动转换

如果使用的 UDP 协议，那么初始化服务器到此就结束了，但我们本文中使用的是 TCP 协议，这是一个 面向连接 的传输层协议，意味着在初始化服务器时，需要设置服务器为 监听 状态

使用到的函数是 listen 函数

cpp 复制代码 
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

参数解读：

  • sockfd 通过该套接字进行监听
  • backlog 全连接队列最大长度

返回值：监听成功返回 0，失败返回 -1

这里的参数2需要设置一个整数，通常为 16、32、64... ，表示 全连接队列 的最大长度，关于 全连接队列 的详细知识放到后续博客中讲解，这里只需要直接使用

server.hpp 服务器头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"

namespace nt_server
{
    const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号
    const int backlog = 32; // 全连接队列的最大长度

    class TcpServer
    {
    public:
        TcpServer(const uint16_t port = default_port)
            :port_(port)
        {}

        ~TcpServer()
        {}

        // 初始化服务器
        void InitServer()
        {
            // 1.创建套接字
            sock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if(sock_ == -1)
            {
                std::cerr << "Create Socket Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }

            std::cout << "Create Socket Success! " << sock_ << std::endl;

            // 2.绑定IP地址与端口号
            struct sockaddr_in local;
            memset(&local, 0, sizeof(local)); // 清零
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任意可用IP地址
            local.sin_port = htons(port_);

            if(bind(listensock_, (const sockaddr*)&local, sizeof(local)))
            {
                std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }
     
            // 3.监听
            if(listen(sock_, backlog) == -1)
            {
                std::cerr << "Listen Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(LISTEN_ERR);
            }

            std::cout << "Listen Success!" << std::endl;
        }

        // 启动服务器
        void StartServer()
        {}

    private:
        int sock_; // 套接字（存疑）
        uint16_t port_; // 端口号
    };
}

至此基于 TCP 协议实现的初始化服务器函数就填充完成了，编译并运行服务器，显示初始化服务器成功

1.4.启动服务器

1.4.1.处理连接请求

TCP 是面向连接，当有客户端发起连接请求时，TCP 服务器需要正确识别并尝试进行连接，当连接成功时，与其进行通信，可使用 accept 函数进行连接

cpp 复制代码 
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数解读：

  • sockfd 服务器用于处理连接请求的 socket 套接字
  • addr 客户端的 sockaddr 结构体信息
  • addrlen 客户端的 sockaddr 结构体大写

其中 addr 与 addrlen 是一个 输入输出型 参数，类似于 recvfrom 中的参数

返回值：连接成功返回一个用于通信的 socket 套接字（文件描述符），失败返回 -1

这也就意味着之前我们在 TcpServer 中创建的类内成员 sock_ 并非是用于通信，而是专注于处理连接请求，在 TCP 服务器中，这种套接字称为 监听套接字

使用 accept 函数处理连接请求

server.hpp 服务器头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"

namespace nt_server
{
    const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号
    const int backlog = 32; // 全连接队列的最大长度

    class TcpServer
    {
    public:
        TcpServer(const uint16_t port = default_port)
            :port_(port), quit_(false)
        {}

        ~TcpServer()
        {}

        // 初始化服务器
        void InitServer()
        {
            // 1.创建监听套接字
            listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if(listensock_ == -1)
            {
                std::cerr << "Create ListenSocket Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }

            std::cout << "Create ListenSocket Success! " << listensock_ << std::endl;

            // 2.绑定IP地址与端口号
            struct sockaddr_in local;
            memset(&local, 0, sizeof(local)); // 清零
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任意可用IP地址
            local.sin_port = htons(port_);


            if(bind(listensock_, (const sockaddr*)&local, sizeof(local)))
            {
                std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }
     
            // 3.监听
            if(listen(listensock_, backlog) == -1)
            {
                std::cerr << "Listen Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(LISTEN_ERR);
            }

            std::cout << "Listen Success!" << std::endl;
        }

        // 启动服务器
        void StartServer()
        {
            while(!quit_)
            {
                // 1.处理连接请求
                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);

                int sock = accept(listensock_, (struct sockaddr*)&client, &len);

                // 2.如果连接失败，继续尝试连接
                if(sock == -1)
                {
                    std::cerr << "Accept Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                    continue;
                }

                // 连接成功，获取客户端信息
                std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);

                std::cout << "Server accept " << clientip + "-" << clientport << " " << sock << " from " << listensock_ << " success!" << std::endl;

                // 3.根据 sock 套接字进行通信
                Service(sock, clientip, clientport);
            }
        }

    private:
        int listensock_; // 监听套接字
        uint16_t port_; // 端口号
        bool quit_; // 判断服务器是否结束运行
    };
}
1.4.2.业务处理

对于 TCP 服务器来说，它是面向字节流传输的，我们之前使用的文件相关操作也是面向字节流，凑巧的是在 Linux 中网络是以挂接在文件系统的方式实现的，种种迹象表明：可以通过文件相关接口进行通信

  • read 从文件中读取信息（接收消息）
  • write 向文件中写入信息（发送消息）

这两个系统调用的核心参数是 fd（文件描述符 ），即服务器与客户端在连接成功后，获取到的 socket 套接字，所以接下来可以按文件操作的套路，完成业务处理

Service() 业务处理函数 --- 位于 server.hpp 服务器头文件中的 TcpServer 类

cpp 复制代码 
// 业务处理
void Service(int sock, const std::string& clientip, const uint16_t& clientport)
{
    char buff[1024];
    std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport);
    while (true)
    {
        ssize_t n = read(sock, buff, sizeof(buff) - 1); // 预留 '\0' 的位置
        if (n > 0)
        {
            // 读取成功
            buff[n] = '\0';
            std::cout << "Server get: " << buff << " from " << who << std::endl;

            std::string respond = func_(buff); // 实际业务处理由上层指定

            // 发送给服务器
            write(sock, buff, strlen(buff));
        }
        else if (n == 0)
        {
            // 表示当前读取到文件末尾了，结束读取
            std::cout << "Client " << who << " " << sock << " quit!" << std::endl;
            close(sock); // 关闭文件描述符
            break;
        }
        else
        {
            // 读取出问题（暂时）
            std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
            close(sock); // 关闭文件描述符
            break;
        }
    }
}
1.4.3.回调函数

为了更好的实现功能解耦，这里将真正的业务处理函数交给上层处理，编写完成后传给 TcpServer 对象即可，当然，在 TcpServer 类中需要添加对应的类型

这里设置回调函数的返回值为 string，参数同样为 string
server.hpp 服务器头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"

namespace nt_server
{
    const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号
    const int backlog = 32;             // 全连接队列的最大长度

    using func_t = std::function<std::string(std::string)>; // 回调函数类型

    class TcpServer
    {
    public:
        TcpServer(const func_t &func, const uint16_t port = default_port)
            : func_(func), port_(port), quit_(false)
        {
        }

        ~TcpServer()
        {
        }

        // 初始化服务器
        void InitServer()
        {
            // 1.创建监听套接字
            listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if (listensock_ == -1)
            {
                std::cerr << "Create ListenSocket Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }

            std::cout << "Create ListenSocket Success! " << listensock_ << std::endl;

            // 2.绑定IP地址与端口号
            struct sockaddr_in local;
            memset(&local, 0, sizeof(local)); // 清零
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任意可用IP地址
            local.sin_port = htons(port_);

            if (bind(listensock_, (const sockaddr *)&local, sizeof(local)))
            {
                std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }

            // 3.监听
            if (listen(listensock_, backlog) == -1)
            {
                std::cerr << "Listen Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(LISTEN_ERR);
            }

            std::cout << "Listen Success!" << std::endl;
        }

        // 启动服务器
        void StartServer()
        {
            while (!quit_)
            {
                // 1.处理连接请求
                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);

                int sock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&client, &len);

                // 2.如果连接失败，继续尝试连接
                if (sock == -1)
                {
                    std::cerr << "Accept Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                    continue;
                }

                // 连接成功，获取客户端信息
                std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);

                std::cout << "Server accept " << clientip + "-" << clientport << " " << sock << " from " << listensock_ << " success!" << std::endl;

                // 3.根据 sock 套接字进行通信
                Service(sock, clientip, clientport);
            }
        }

        // 业务处理
        void Service(int sock, const std::string& clientip, const uint16_t& clientport)
        {
            char buff[1024];
            std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport);
            while (true)
            {
                ssize_t n = read(sock, buff, sizeof(buff) - 1); // 预留 '\0' 的位置
                if (n > 0)
                {
                    // 读取成功
                    buff[n] = '\0';
                    std::cout << "Server get: " << buff << " from " << who << std::endl;

                    std::string respond = func_(buff); // 实际业务处理由上层指定

                    // 发送给服务器
                    write(sock, buff, strlen(buff));
                }
                else if (n == 0)
                {
                    // 表示当前读取到文件末尾了，结束读取
                    std::cout << "Client " << who << " " << sock << " quit!" << std::endl;
                    close(sock); // 关闭文件描述符
                    break;
                }
                else
                {
                    // 读取出问题（暂时）
                    std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                    close(sock); // 关闭文件描述符
                    break;
                }
            }
        }

    private:
        int listensock_; // 监听套接字
        uint16_t port_;  // 端口号
        bool quit_;      // 判断服务器是否结束运行
        func_t func_;    // 回调函数
    };
}

服务器头文件准备完成，接下来就是填充 server.cc 服务器源文件

1.5.服务器源文件

对于当前的 TCP 网络程序（字符串回响）来说，业务处理函数逻辑非常简单，无非就是直接将客户端发送过来的消息，重新转发给客户端

server.cc 服务器源文件

cpp 复制代码 
#include <memory> // 智能指针头文件
#include <string>
#include "server.hpp"

using namespace std;
using namespace nt_server;

// 业务处理回调函数（字符串回响）
string echo(string request)
{
    return request;
}

int main()
{
    unique_ptr<TcpServer> usvr (new TcpServer(echo)); // 将回调函数进行传递

    usvr->InitServer();
    usvr->StartServer();
    return 0;
}

尝试编译并运行服务器，可以看到当前 bash 已经被我们的服务器程序占用了，重新打开一个终端，并通过 netstat 命令查看网络使用情况（基于 TCP 协议）

bash 复制代码 
netstat -nltp

当前服务确实使用的是 8888 端口，并且采用的是 TCP 协议

客户端

1.6.初始化客户端

对于客户端来说，服务器的 IP 地址与端口号是两个不可或缺的元素，因此在客户端类中，server_ip 和 server_port 这两个成员是少不了的，当然得有 socket 套接字

初始化客户端只需要干一件事：创建套接字 ，客户端是主动发起连接请求的一方，也就意味着它不需要使用 listen 函数设置为监听状态

注意： 客户端也是需要 bind 绑定的，但不需要自己手动绑定，由操作系统帮我们自动完成

client.hpp 客户端头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"

namespace nt_client
{
    class TcpClient
    {
    public:
        TcpClient(const std::string& ip, const uint16_t port)
            :server_ip_(ip), server_port_(port)
        {}

        ~TcpClient()
        {}

        // 初始化客户端
        void InitClient()
        {
            // 创建套接字
            sock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if (sock_ == -1)
            {
                std::cerr << "Create Socket Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            
            std::cout << "Create Sock Succeess! " << sock_ << std::endl;
        }

        // 启动客户端
        void StartClient()
        {}
        
    private:
        int sock_; // 套接字
        std::string server_ip_; // 服务器IP
        uint16_t server_port_; // 服务器端口号
    };
}

编译并运行客户端，显示 socket 套接字创建成功

1.7.启动客户端

1.7.1.尝试进行连接

因为 TCP 协议是面向连接的，服务器已经处于处理连接请求的状态了，客户端现在需要做的就是尝试进行连接，使用 connect 函数进行连接

cpp 复制代码 
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数解读：

  • sockfd 需要进行连接的套接字
  • addr 服务器的 sockaddr 结构体信息
  • addrlen 服务器的 sockaddr 结构体大小

返回值：连接成功返回 0，连接失败返回 -1


在连接过程中，可能遇到很多问题，比如 网络传输失败、服务器未启动 等，这些问题的最终结果都是客户端连接失败，如果按照之前的逻辑（失败就退出），那么客户端的体验感会非常不好，因此在面对连接失败这种常见问题时，客户端应该尝试重连，如果重连数次后仍然失败，才考虑终止进程

注意： 在进行重连时，可以使用 sleep() 等函数使程序睡眠一会，给网络恢复留出时间

StartClient() 启动客户端函数 --- 位于 client.hpp 中的 TcpClient 类

cpp 复制代码 
// 启动客户端
void StartClient()
{
    // 填充服务器的 sockaddr_in 结构体信息
    struct sockaddr_in server;
    socklen_t len = sizeof(server);
    memset(&server, 0, len);
    server.sin_family = AF_INET;
    inet_aton(server_ip_.c_str(), &server.sin_addr); // 将点分十进制转化为二进制IP地址的另一种方法
    server.sin_port = htons(server_port_);

    // 尝试重连 5 次
    int n = 5;
    while(n)
    {
        int ret = connect(sock_, (const struct sockaddr*)&server, len);

        if(ret == 0)
        {
            // 连接成功，可以跳出循环
            break;
        }

        // 尝试进行重连
        std::cerr << "网络异常，正在进行重连... 剩余连接次数: " << --n << std::endl;
        sleep(1);
    }

    // 如果剩余重连次数为 0，证明连接失败
    if(n == 0)
    {
        std::cerr << "连接失败! " << strerror(errno) << std::endl;
        close(sock_);
        exit(CONNECT_ERR);
    }

    // 连接成功
    std::cout << "连接成功!" << std::endl;

    // 进行业务处理
    // Service();
}

当然相应的错误码也得添加

err.hpp 错误码头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

enum
{
    USAGE_ERR = 1,
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR,
    LISTEN_ERR,
    CONNECT_ERR
};

现在先不启动服务器，编译并启动客户端，模拟连接失败的情况

如果在数秒之后启动再服务器，可以看到重连成功

这种重连机制在实际中非常常见，出现这种

1.7.2.业务处理

客户端在进行业务处理时，同样可以使用 read 和 write 进行网络通信

Service() 业务处理函数 --- 位于 client.hpp 客户端头文件中的 TcpClient 类

cpp 复制代码 
// 业务处理
void Service()
{
    char buff[1024];
    std::string who = server_ip_ + "-" + std::to_string(server_port_);
    while(true)
    {
        // 由用户输入信息
        std::string msg;
        std::cout << "Please Enter >> ";
        std::getline(std::cin, msg);

        // 发送信息给服务器
        write(sock_, msg.c_str(), msg.size());

        // 接收来自服务器的信息
        ssize_t n = read(sock_, buff, sizeof(buff) - 1);
        if(n > 0)
        {
            // 正常通信
            buff[n] = '\0';
            std::cout << "Client get: " << buff << " from " << who << std::endl;
        }
        else if(n == 0)
        {
            // 读取到文件末尾（服务器关闭了）
            std::cout << "Server " << who  << " quit!" << std::endl;
            close(sock_); // 关闭文件描述符
            break;
        }
        else
        {
            // 读取异常
            std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
            close(sock_); // 关闭文件描述符
            break;
        }
    }
}

至此整个 基于 TCP 协议的字符串回响程序 就完成了，下面来看看效果

可以看到，当客户端向服务器发起连接请求时，服务器可以识别并接受连接 ，双方建立连接关系后，可以正常进行通信；当客户端主动退出（断开连接），服务器也能感知到，并判断出是谁断开了连接

如果在通信过程中，服务器主动断开了连接，客户端也能感知到

如果我们此时立马重启服务器，会发现短期内无法再次启动服务（显示端口正在被占用），这是由于 TCP 协议断开连接时的特性导致的（正在处于 TIME_WAIT 状态），详细原因将会在后续博客中讲解

2.多进程版服务器

2.1.核心功能

对于之前编写的 字符串回响程序 来说，如果只有一个客户端进行连接并通信，是没有问题的，但如果有多个客户端发起连接请求，并尝试进行通信，服务器是无法应对的

原因在于 服务器是一个单进程版本，处理连接请求 和 业务处理 是串行化执行的，如果想处理下一个连接请求，需要把当前的业务处理完成

具体表现为下面这种情况

为什么客户端B会显示当前已经连接成功？
这是因为是客户端是主动发起连接请求的一方，在请求发出后，如果出现连接错误，客户端就认为已经连接成功了，但实际上服务器还没有处理这个连接请求

这显然是服务器的问题，处理连接请求 与 业务处理 应该交给两个不同的执行流完成，可以使用多进程或者多线程解决，这里先采用多进程的方案

所以当前需要实现的网络程序核心功能为：当服务器成功处理连接请求后，fork 新建一个子进程，用于进行业务处理，原来的进程专注于处理连接请求

2.2.创建子进程

注：当前的版本的修改只涉及 StartServer() 函数

创建子进程使用 fork() 函数，它的返回值含义如下

  • ret == 0 表示创建子进程成功，接下来执行子进程的代码
  • ret > 0 表示创建子进程成功，接下来执行父进程的代码
  • ret < 0 表示创建子进程失败

子进程创建成功后，会继承父进程的文件描述符表，能轻而易举的获取客户端的 socket 套接字，从而进行网络通信

当然不止文件描述符表，得益于 写时拷贝 机制，子进程还会共享父进程的变量，当发生修改行为时，才会自己创建

注意： 当子进程取走客户端的 socket 套接字进行通信后，父进程需要将其关闭（因为它不需要了），避免文件描述符泄漏

StartServer() 服务器启动函数 --- 位于 server.hpp 的 TcpServer 类

cpp 复制代码 
// 进程创建、等待所需要的头文件
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

// 启动服务器
void StartServer()
{
    while (!quit_)
    {
        // 1.处理连接请求
        struct sockaddr_in client;
        socklen_t len = sizeof(client);

        int sock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&client, &len);

        // 2.如果连接失败，继续尝试连接
        if (sock == -1)
        {
            std::cerr << "Accept Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
            continue;
        }

        // 连接成功，获取客户端信息
        std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
        uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);

        std::cout << "Server accept " << clientip + "-" << clientport << " " << sock << " from " << listensock_ << " success!" << std::endl;

        // 3.创建子进程
        pid_t id = fork();

        if(id < 0)
        {
            // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话
            close(sock);
            std::cerr << "Fork Fail!" << std::endl;
        }
        else if(id == 0)
        {
            // 子进程内
            close(listensock_); // 子进程不需要监听（建议关闭）

            // 执行业务处理函数
            Service(sock, clientip, clientport);

            exit(0); // 子进程退出
        }
        else
        {
            // 父进程需要等待子进程
            pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0); // 默认为阻塞式等待

            if(ret == id)
                std::cout << "Wait " << id << " success!";
        }

    }
}

虽然此时成功创建了子进程，但父进程（处理连接请求）仍然需要等待子进程退出后，才能继续运行，说白了就是 父进程现在处于阻塞等待状态 ，需要设置为 非阻塞等待

2.3.设置非阻塞

设置父进程为非阻塞的方式有很多，这里来一一列举

方式一：通过参数设置为非阻塞等待（不推荐）

可以直接给 waitpid() 函数的参数3传递 WNOHANG，表示当前为 非阻塞等待

详见 《Linux进程控制【创建、终止、等待】》

cpp 复制代码 
pid_t ret = waitpid(id, nullptr, WNOHANG); // 设置为非阻塞式等待


这种方法可行，但不推荐，原因如下：虽然设置成了非阻塞式等待，但父进程终究是需要通过 waitpid() 函数来尝试等待子进程，倘若父进程一直卡在 accept() 函数处，会导致子进程退出后暂时无人收尸，进而导致资源泄漏

方式二：忽略 SIGCHLD 信号（推荐使用）

这是一个子进程在结束后发出的信号，默认动作是什么都不做；父进程需要检测并回收子进程，我们可以直接忽略该信号，这里的忽略是个特例，只是父进程不对其进行处理，转而由 操作系统 对其负责，自动清理资源并进行回收，不会产生 僵尸进程

详见 《Linux进程信号【信号处理】》

直接在 StartServer() 服务器启动函数刚开始时，使用 signal() 函数设置 SIGCHLD 信号的执行动作为 忽略

忽略了该信号后，就不需要父进程等待子进程退出了（由操作系统承担）

cpp 复制代码 
#include <signal.h> // 信号处理相关头文件

// 启动服务器
void StartServer()
{
    // 忽略 SIGCHLD 信号
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    
    while (!quit_)
    {
       	// ...
       	
        // 3.创建子进程
        pid_t id = fork();

        if(id < 0)
        {
            // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话
            close(sock);
            std::cerr << "Fork Fail!" << std::endl;
        }
        else if(id == 0)
        {
            // 子进程内
            close(listensock_); // 子进程不需要监听（建议关闭）

            // 执行业务处理函数
            Service(sock, clientip, clientport);

            exit(0); // 子进程退出
        }

    }
}

强烈推荐使用该方案，因为操作简单，并且没有后患之忧

方式三：设置 SIGCHLD 信号的处理动作为子进程回收（不是很推荐）

当子进程退出并发送该信号时，执行父进程回收子进程的操作

详见 《Linux进程信号【信号处理】》

设置 SIGCHLD 信号的处理动作为 回收子进程后，父进程同样不必再考虑回收子进程的问题

注意： 因为现在处于 TcpServer 类中，handler() 函数需要设置为静态（避免隐含的 this 指针），避免不符合 signal() 函数中信号处理函数的参数要求

cpp 复制代码 
#include <signal.h> // 信号处理相关头文件

// 需要设置为静态
static void handler(int signo)
{
    printf("进程 %d 捕捉到了 %d 号信号\n", getpid(), signo);

    // 这里的 -1 表示父进程等待时，只要是已经退出了的子进程，都可以进行回收
    while (1)
    {
        pid_t ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
        if (ret > 0)
            printf("父进程: %d 已经成功回收了 %d 号进程\n", getpid(), ret);
        else
            break;
    }
    printf("子进程回收成功\n");
}

// 启动服务器
void StartServer()
{
    // 设置 SIGCHLD 信号的处理动作
    signal(SIGCHLD, handler);
    
    while (!quit_)
    {
       	// ...
       	
        // 3.创建子进程
        pid_t id = fork();

        if(id < 0)
        {
            // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话
            close(sock);
            std::cerr << "Fork Fail!" << std::endl;
        }
        else if(id == 0)
        {
            // 子进程内
            close(listensock_); // 子进程不需要监听（建议关闭）

            // 执行业务处理函数
            Service(sock, clientip, clientport);

            exit(0); // 子进程退出
        }

    }
}


为什么不是很推荐这种方法？因为这种方法实现起来比较麻烦，不如直接忽略 SIGCHLD 信号

方式四：设置孙子进程（不是很推荐）

众所周知，父进程只需要对子进程负责，至于孙子进程交给子进程负责，如果某个子进程的父进程终止运行了，那么它就会变成 孤儿进程 ，父进程会变成 1 号进程，也就是由操作系统领养，回收进程的重担也交给了操作系统

可以利用该特性，在子进程内部再创建一个子进程（孙子进程），然后子进程退出，父进程可以直接回收（不必阻塞），子进程（孙子进程）的父进程变成 1 号进程

这种实现方法比较巧妙，而且与我们后面即将学到的 守护进程 有关

注意： 使用这种方式时，父进程是需要等待子进程退出的

cpp 复制代码 
// 启动服务器
void StartServer()
{
    while (!quit_)
    {
   		// ...
   		
        // 3.创建子进程
        pid_t id = fork();

        if(id < 0)
        {
            // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话
            close(sock);
            std::cerr << "Fork Fail!" << std::endl;
        }
        else if(id == 0)
        {
            // 子进程内
            close(listensock_); // 子进程不需要监听（建议关闭）

            // 再创建孙子进程
            if(fork() > 0)
                exit(0); // 子进程退出

            // 执行业务处理函数
            Service(sock, clientip, clientport);

            exit(0); // 子进程退出
        }
        else
        {
            // 父进程需要等待子进程
            pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);

            if(ret == id)
                std::cout << "Wait " << id << " success!";
        }

    }
}


这种方法代码也很简单，但依旧不推荐，因为倘若连接请求变多，会导致孤儿进程变多，孤儿进程由操作系统接管，数量变多会给操作系统带来负担

以上就是设置 非阻塞 的四种方式，推荐使用方式二：忽略 SIGCHLD 信号

至此我们的 字符串回响程序 可以支持多客户端了


细节补充：当子进程取走 sock 套接字进行网络通信后，父进程就不需要使用 sock 套接字了，可以将其进行关闭，下次连接时继续使用，避免文件描述符不断增长

StartServer() 服务器启动函数 --- 位于 server.hpp 服务器头文件中的 TcpServer 类

cpp 复制代码 
// 启动服务器
void StartServer()
{
    // 忽略 SIGCHLD 信号
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

    while (!quit_)
    {
        // 1.处理连接请求
        // ...

        // 2.如果连接失败，继续尝试连接
        // ...

        // 连接成功，获取客户端信息
        // ...

        // 3.创建子进程
        // ...

        close(sock); // 父进程不再需要资源（建议关闭）
    }
}

这个补丁可以减少资源消耗，建议加上，前面是忘记加了，并且不太好修改，server.hpp 服务器头文件完整代码如下

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <signal.h> // 信号处理相关头文件
#include <sys/wait.h> // 进程等待时需要包含该头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"

namespace nt_server
{
    const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号
    const int backlog = 32;             // 全连接队列的最大长度

    using func_t = std::function<std::string(std::string)>; // 回调函数类型

    class TcpServer
    {
    public:
        TcpServer(const func_t &func, const uint16_t port = default_port)
            : func_(func), port_(port), quit_(false)
        {
        }

        ~TcpServer()
        {
        }

        // 初始化服务器
        void InitServer()
        {
            // 1.创建监听套接字
            listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if (listensock_ == -1)
            {
                std::cerr << "Create ListenSocket Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }

            std::cout << "Create ListenSocket Success! " << listensock_ << std::endl;

            // 2.绑定IP地址与端口号
            struct sockaddr_in local;
            memset(&local, 0, sizeof(local)); // 清零
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任意可用IP地址
            local.sin_port = htons(port_);

            if (bind(listensock_, (const sockaddr *)&local, sizeof(local)))
            {
                std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }

            // 3.监听
            if (listen(listensock_, backlog) == -1)
            {
                std::cerr << "Listen Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(LISTEN_ERR);
            }

            std::cout << "Listen Success!" << std::endl;
        }

        // 启动服务器
        void StartServer()
        {
            // 忽略 SIGCHLD 信号
            signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

            while (!quit_)
            {
                // 1.处理连接请求
                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);

                int sock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&client, &len);

                // 2.如果连接失败，继续尝试连接
                if (sock == -1)
                {
                    std::cerr << "Accept Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                    continue;
                }

                // 连接成功，获取客户端信息
                std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);

                std::cout << "Server accept " << clientip + "-" << clientport << " " << sock << " from " << listensock_ << " success!" << std::endl;

                // 3.创建子进程
                pid_t id = fork();

                if(id < 0)
                {
                    // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话
                    close(sock);
                    std::cerr << "Fork Fail!" << std::endl;
                }
                else if(id == 0)
                {
                    // 子进程内
                    close(listensock_); // 子进程不需要监听（建议关闭）

                    // 执行业务处理函数
                    Service(sock, clientip, clientport);

                    exit(0); // 子进程退出
                }

                close(sock); // 父进程不再需要资源（必须关闭）
            }
        }

        // 业务处理
        void Service(int sock, const std::string& clientip, const uint16_t& clientport)
        {
            char buff[1024];
            std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport);
            while (true)
            {
                ssize_t n = read(sock, buff, sizeof(buff) - 1); // 预留 '\0' 的位置
                if (n > 0)
                {
                    // 读取成功
                    buff[n] = '\0';
                    std::cout << "Server get: " << buff << " from " << who << std::endl;

                    std::string respond = func_(buff); // 实际业务处理由上层指定

                    // 发送给服务器
                    write(sock, buff, strlen(buff));
                }
                else if (n == 0)
                {
                    // 表示当前读取到文件末尾了，结束读取
                    std::cout << "Client " << who << " " << sock << " quit!" << std::endl;
                    close(sock); // 关闭文件描述符
                    break;
                }
                else
                {
                    // 读取出问题（暂时）
                    std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                    close(sock); // 关闭文件描述符
                    break;
                }
            }
        }

    private:
        int listensock_; // 监听套接字
        uint16_t port_;  // 端口号
        bool quit_;      // 判断服务器是否结束运行
        func_t func_;    // 回调函数
    };
}

3.多线程版服务器

3.1.核心功能

通过多线程，实现支持多客户端同时通信的服务器

核心功能：服务器与客户端成功连接后，创建一个线程，服务于客户端的业务处理

这里先通过 原生线程库 模拟实现

3.2.使用原生线程库

关于 原生线程库 中对于线程的操作可以看看这篇文章《Linux多线程【线程控制】》

线程的回调函数中需要 Service() 业务处理函数中的所有参数，同时也需要具备访问 Service() 业务处理函数的能力，单凭一个 void* 的参数是无法解决的，为此可以创建一个类，里面可以包含我们所需要的参数

ThreadData 类 --- 位于 server.hpp 服务器头文件中

cpp 复制代码 
// 包含我们所需参数的类型
class ThreadData
{
public:
    ThreadData(int sock, const std::string& ip, const uint16_t& port, TcpServer* ptr)
        :sock_(sock), clientip_(ip), clientport_(port), current_(ptr)
    {}

// 设置为公有是为了方便访问
public:
    int sock_;
    std::string clientip_;
    uint16_t clientport_;
    TcpServer* current_; // 指向 TcpServer 对象的指针
};

接下来就可以考虑如何借助多线程了

线程创建后，需要关闭不必要的 socket 套接字吗？

  • 不需要，线程之间是可以共享这些资源的，无需关闭

如何设置主线程不必等待次线程退出？

  • 可以把次线程进行分离

所以接下来我们需要在连接成功后，创建次线程，利用已有信息构建 ThreadData 对象，为次线程编写回调函数（最终目的是为了执行 Service() 业务处理函数）

注意： 因为当前在类中，线程的回调函数需要使用 static 设置为静态函数

server.hpp 服务器头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <pthread.h> // 原生线程库
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"

namespace nt_server
{
    const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号
    const int backlog = 32;             // 全连接队列的最大长度

    using func_t = std::function<std::string(std::string)>; // 回调函数类型

    class TcpServer; // 前置声明

    // 包含我们所需参数的类型
    class ThreadData
    {
    public:
        ThreadData(int sock, const std::string& ip, const uint16_t& port, TcpServer* ptr)
            :sock_(sock), clientip_(ip), clientport_(port), current_(ptr)
        {}

    // 设置为公有是为了方便访问
    public:
        int sock_;
        std::string clientip_;
        uint16_t clientport_;
        TcpServer* current_; // 指向 TcpServer 对象的指针
    };

    class TcpServer
    {
    public:
        TcpServer(const func_t &func, const uint16_t port = default_port)
            : func_(func), port_(port), quit_(false)
        {
        }

        ~TcpServer()
        {
        }

        // 初始化服务器
        void InitServer()
        {
            // 1.创建监听套接字
            listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if (listensock_ == -1)
            {
                std::cerr << "Create ListenSocket Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }

            std::cout << "Create ListenSocket Success! " << listensock_ << std::endl;

            // 2.绑定IP地址与端口号
            struct sockaddr_in local;
            memset(&local, 0, sizeof(local)); // 清零
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任意可用IP地址
            local.sin_port = htons(port_);

            if (bind(listensock_, (const sockaddr *)&local, sizeof(local)))
            {
                std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }

            // 3.监听
            if (listen(listensock_, backlog) == -1)
            {
                std::cerr << "Listen Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(LISTEN_ERR);
            }

            std::cout << "Listen Success!" << std::endl;
        }

        // 启动服务器
        void StartServer()
        {
            while (!quit_)
            {
                // 1.处理连接请求
                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);

                int sock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&client, &len);

                // 2.如果连接失败，继续尝试连接
                if (sock == -1)
                {
                    std::cerr << "Accept Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                    continue;
                }

                // 连接成功，获取客户端信息
                std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);

                std::cout << "Server accept " << clientip + "-" << clientport << " " << sock << " from " << listensock_ << " success!" << std::endl;

                // 3.创建线程及所需要的线程信息类
                ThreadData* td = new ThreadData(sock, clientip, clientport, this);
                pthread_t p;
                pthread_create(&p, nullptr, Routine, td);
            }
        }

        // 线程回调函数
        static void* Routine(void* args)
        {
            // 线程分离
            pthread_detach(pthread_self());

            ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);

            // 调用业务处理函数
            td->current_->Service(td->sock_, td->clientip_, td->clientport_);

            // 销毁对象
            delete td;
        }

        // 业务处理
        void Service(int sock, const std::string& clientip, const uint16_t& clientport)
        {
            char buff[1024];
            std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport);
            while (true)
            {
                ssize_t n = read(sock, buff, sizeof(buff) - 1); // 预留 '\0' 的位置
                if (n > 0)
                {
                    // 读取成功
                    buff[n] = '\0';
                    std::cout << "Server get: " << buff << " from " << who << std::endl;

                    std::string respond = func_(buff); // 实际业务处理由上层指定

                    // 发送给服务器
                    write(sock, buff, strlen(buff));
                }
                else if (n == 0)
                {
                    // 表示当前读取到文件末尾了，结束读取
                    std::cout << "Client " << who << " " << sock << " quit!" << std::endl;
                    close(sock); // 关闭文件描述符
                    break;
                }
                else
                {
                    // 读取出问题（暂时）
                    std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                    close(sock); // 关闭文件描述符
                    break;
                }
            }
        }

    private:
        int listensock_; // 监听套接字
        uint16_t port_;  // 端口号
        bool quit_;      // 判断服务器是否结束运行
        func_t func_;    // 回调函数
    };
}

因为当前使用了 原生线程库 ，所以在编译时，需要加上 -lpthread

Makefile 文件

bash 复制代码 
.PHONY:all
all:server client

server:server.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread

	
client:client.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf server client

接下来就是编译并运行程序，可以看到 当前只有一个进程，同时有五个线程在运行


使用 原生线程库 过于单薄了，并且这种方式存在问题：连接都准备好了，才创建线程，如果创建线程所需要的资源较多，会拖慢服务器整体连接效率

为此可以改用之前实现的 线程池

3.3.使用线程池

之前在 《Linux多线程【线程池】》一文中实现了多个版本的线程池，这里我们直接使用最终版，也就是 单例模式版线程池

部分组件不需要修改，代码如下：

ThreadPool.hpp 线程池头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <vector>
#include <string>
#include <memory>
#include <functional>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include "Task.hpp"
#include "Thread.hpp"
#include "BlockingQueue.hpp" // CP模型

namespace Yohifo
{
#define THREAD_NUM 10

    template<class T>
    class ThreadPool
    {
    private:
        ThreadPool(int num = THREAD_NUM)
            :_num(num)
        {
        }

        ~ThreadPool()
        {
            // 等待线程退出
            for(auto &t : _threads)
                t.join();
        }

        // 删除拷贝构造
        ThreadPool(const ThreadPool<T> &) = delete;

    public:
        static ThreadPool<T>* getInstance()
        {
            // 双检查
            if(_inst == nullptr)
            {
                // 加锁
                LockGuard lock(&_mtx);
                if(_inst == nullptr)
                {
                    // 创建对象
                    _inst = new ThreadPool<T>();

                    // 初始化及启动服务
                    _inst->init();
                    _inst->start();
                }
            }

            return _inst;
        }

    public:
        void init()
        {
            // 创建一批线程
            for(int i = 0; i < _num; i++)
                _threads.push_back(Thread(i, threadRoutine, this));
        }

        void start()
        {
            // 启动线程
            for(auto &t : _threads)
                t.run();
        }

        // 提供给线程的回调函数（已修改返回类型为 void）
        static void threadRoutine(void *args)
        {
            // 避免等待线程，直接剥离
            pthread_detach(pthread_self());

            auto ptr = static_cast<ThreadPool<T>*>(args);

            while (true)
            {
                // 从CP模型中获取任务
                T task = ptr->popTask();

                task(); // 回调函数
            }
        }

        // 装载任务
        void pushTask(const T& task)
        {
            _blockqueue.Push(task);
        }
    
    protected:
        T popTask()
        {
            T task;
            _blockqueue.Pop(&task);

            return task;
        }

    private:
        std::vector<Thread> _threads;
        int _num; // 线程数量
        BlockQueue<T> _blockqueue; // 阻塞队列

        // 创建静态单例对象指针及互斥锁
        static ThreadPool<T> *_inst;
        static pthread_mutex_t _mtx;
    };

    // 初始化指针
    template<class T>
    ThreadPool<T>* ThreadPool<T>::_inst = nullptr;

    // 初始化互斥锁
    template<class T>
    pthread_mutex_t ThreadPool<T>::_mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
}

Thread.hpp 封装实现的线程库头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>

enum class Status
{
    NEW = 0, // 新建
    RUNNING, // 运行中
    EXIT // 已退出
};

// 参数、返回值为 void 的函数类型
typedef void (*func_t)(void*);

class Thread
{
public:
    Thread(int num = 0, func_t func = nullptr, void* args = nullptr)
        :_tid(0), _status(Status::NEW), _func(func), _args(args)
    {
        // 根据编号写入名字
        char name[128];
        snprintf(name, sizeof name, "thread-%d", num);
        _name = name;
    }

    ~Thread()
    {}

    // 获取 ID
    pthread_t getTID() const
    {
        return _tid;
    }

    // 获取线程名
    std::string getName() const
    {
        return _name;
    }

    // 获取状态
    Status getStatus() const
    {
        return _status;
    }

    // 回调方法
    static void* runHelper(void* args)
    {
        Thread* myThis = static_cast<Thread*>(args);

        // 很简单，回调用户传进来的 func 函数即可
        myThis->_func(myThis->_args);
    }

    // 启动线程
    void run()
    {
        int ret = pthread_create(&_tid, nullptr, runHelper, this);
        if(ret != 0)
        {
            std::cerr << "create thread fail!" << std::endl;
            exit(1); // 创建线程失败，直接退出
        }
        _status =  Status::RUNNING; // 更改状态为 运行中
    }

    // 线程等待
    void join()
    {
        int ret = pthread_join(_tid, nullptr);
        if(ret != 0)
        {
            std::cerr << "thread join fail!" << std::endl;
            exit(1); // 等待失败，直接退出
        }
        _status = Status::EXIT; // 更改状态为 退出
    }

private:
    pthread_t _tid; // 线程 ID
    std::string _name; // 线程名
    Status _status; // 线程状态
    func_t _func; // 线程回调函数
    void* _args; // 传递给回调函数的参数
};

BlockingQueue.hpp 生产者消费者模型头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <queue>
#include <mutex>
#include <pthread.h>
#include "LockGuard.hpp"

// 命名空间，避免冲突
namespace Yohifo
{
#define DEF_SIZE 10

    template<class T>
    class BlockQueue
    {
    public:
        BlockQueue(size_t cap = DEF_SIZE)
            :_cap(cap)
        {
            // 初始化锁与条件变量
            pthread_mutex_init(&_mtx, nullptr);
            pthread_cond_init(&_pro_cond, nullptr);
            pthread_cond_init(&_con_cond, nullptr);
        }

        ~BlockQueue()
        {
            // 销毁锁与条件变量
            pthread_mutex_destroy(&_mtx);
            pthread_cond_destroy(&_pro_cond);
            pthread_cond_destroy(&_con_cond);
        }

        // 生产数据（入队）
        void Push(const T& inData)
        {
            // 加锁（RAII风格）
            LockGuard lock(&_mtx);

            // 循环判断条件是否满足
            while(IsFull())
            {
                pthread_cond_wait(&_pro_cond, &_mtx);
            }

            _queue.push(inData);

            // 可以加策略唤醒，比如生产一半才唤醒消费者
            pthread_cond_signal(&_con_cond);

            // 自动解锁

        }

        // 消费数据（出队）
        void Pop(T* outData)
        {
            // 加锁（RAII 风格）
            LockGuard lock(&_mtx);

            // 循环判读条件是否满足
            while(IsEmpty())
            {
                pthread_cond_wait(&_con_cond, &_mtx);
            }

            *outData = _queue.front();
            _queue.pop();

            // 可以加策略唤醒，比如消费完后才唤醒生产者
            pthread_cond_signal(&_pro_cond);

            // 自动解锁
        }

    private:
        // 判断是否为满
        bool IsFull()
        {
            return _queue.size() == _cap;
        }
        
        // 判断是否为空
        bool IsEmpty()
        {
            return _queue.empty();
        }

    private:
        std::queue<T> _queue;
        size_t _cap; // 阻塞队列的容量
        pthread_mutex_t _mtx; // 互斥锁
        pthread_cond_t _pro_cond; // 生产者条件变量
        pthread_cond_t _con_cond; // 消费者条件变量
    };
}

LockGuard.hpp 自动化锁头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <pthread.h>

class LockGuard
{
public:
    LockGuard(pthread_mutex_t*pmtx)
        :_pmtx(pmtx)
    {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(_pmtx);
    }

    ~LockGuard()
    {
        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(_pmtx);
    }

private:
    pthread_mutex_t* _pmtx;
};

现在需要修改 Task.hpp 任务头文件中的 Task 任务类，将其修改为一个服务于 网络通信中业务处理 的任务类（也就是 Service() 业务处理函数）

在 Service() 业务处理函数中，需要包含 socket 套接字、客户端 IP、客户端端口号 等必备信息，除此之外，我们还可以将 可调用对象（Service() 业务处理函数） 作为参数传递给 Task 对象

Task.hpp 任务类

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <string>
#include <functional>

namespace Yohifo
{
    // Service() 业务处理函数的类型
    using cb_t = std::function<void(int, std::string, uint16_t)>;

    class Task
    {
    public:
        // 可以再提供一个默认构造（防止部分场景中构建对象失败）
        Task()
        {}

        Task(int sock, const std::string& ip, const uint16_t& port, const cb_t& cb)
            :sock_(sock), ip_(ip), port_(port), cb_(cb)
        {}

        // 重载运算操作，用于回调 [业务处理函数]
        void operator()()
        {
            // 直接回调 cb [业务处理函数] 即可
            cb_(sock_, ip_, port_);
        }

    private:
        int sock_;
        std::string ip_;
        uint16_t port_;
        cb_t cb_; // 回调函数
    };
}

准备工作完成后，接下来就是往 server.hpp 服务器头文件中添加组件了

注意：

  • 在构建 Task 对象时，需要使用 bind 绑定类内函数，避免参数不匹配
  • 当前的线程池是单例模式，在 Task 任务对象构建后，通过线程池操作句柄 push 对象即可

其实也就是在 StartServer.hpp 中增加了这两句代码

cpp 复制代码 
// 3.构建任务对象 注意：使用 bind 绑定 this 指针
Yohifo::Task t(sock, clientip, clientport, std::bind(&TcpServer::Service, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));

// 4.通过线程池操作句柄，将任务对象 push 进线程池中处理
Yohifo::ThreadPool<Yohifo::Task>::getInstance()->pushTask(t);

完整的服务器代码如下

server.hpp 服务器头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"
#include "ThreadPool.hpp" // 线程池
#include "Task.hpp" // 任务类

namespace nt_server
{
    const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号
    const int backlog = 32;             // 全连接队列的最大长度

    using func_t = std::function<std::string(std::string)>; // 回调函数类型

    class TcpServer; // 前置声明

    // 包含我们所需参数的类型
    class ThreadData
    {
    public:
        ThreadData(int sock, const std::string& ip, const uint16_t& port, TcpServer* ptr)
            :sock_(sock), clientip_(ip), clientport_(port), current_(ptr)
        {}

    // 设置为公有是为了方便访问
    public:
        int sock_;
        std::string clientip_;
        uint16_t clientport_;
        TcpServer* current_; // 指向 TcpServer 对象的指针
    };

    class TcpServer
    {
    public:
        TcpServer(const func_t &func, const uint16_t port = default_port)
            : func_(func), port_(port), quit_(false)
        {
        }

        ~TcpServer()
        {
        }

        // 初始化服务器
        void InitServer()
        {
            // 1.创建监听套接字
            listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if (listensock_ == -1)
            {
                std::cerr << "Create ListenSocket Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }

            std::cout << "Create ListenSocket Success! " << listensock_ << std::endl;

            // 2.绑定IP地址与端口号
            struct sockaddr_in local;
            memset(&local, 0, sizeof(local)); // 清零
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任意可用IP地址
            local.sin_port = htons(port_);

            if (bind(listensock_, (const sockaddr *)&local, sizeof(local)))
            {
                std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }

            // 3.监听
            if (listen(listensock_, backlog) == -1)
            {
                std::cerr << "Listen Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(LISTEN_ERR);
            }

            std::cout << "Listen Success!" << std::endl;
        }

        // 启动服务器
        void StartServer()
        {
            while (!quit_)
            {
                // 1.处理连接请求
                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);

                int sock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&client, &len);

                // 2.如果连接失败，继续尝试连接
                if (sock == -1)
                {
                    std::cerr << "Accept Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                    continue;
                }

                // 连接成功，获取客户端信息
                std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);

                std::cout << "Server accept " << clientip + "-" << clientport << " " << sock << " from " << listensock_ << " success!" << std::endl;

                // 3.构建任务对象 注意：使用 bind 绑定 this 指针
                Yohifo::Task t(sock, clientip, clientport, std::bind(&TcpServer::Service, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));

                // 4.通过线程池操作句柄，将任务对象 push 进线程池中处理
                Yohifo::ThreadPool<Yohifo::Task>::getInstance()->pushTask(t);
            }
        }

        // 业务处理
        void Service(int sock, const std::string& clientip, const uint16_t& clientport)
        {
            char buff[1024];
            std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport);
            while (true)
            {
                ssize_t n = read(sock, buff, sizeof(buff) - 1); // 预留 '\0' 的位置
                if (n > 0)
                {
                    // 读取成功
                    buff[n] = '\0';
                    std::cout << "Server get: " << buff << " from " << who << std::endl;

                    std::string respond = func_(buff); // 实际业务处理由上层指定

                    // 发送给服务器
                    write(sock, buff, strlen(buff));
                }
                else if (n == 0)
                {
                    // 表示当前读取到文件末尾了，结束读取
                    std::cout << "Client " << who << " " << sock << " quit!" << std::endl;
                    close(sock); // 关闭文件描述符
                    break;
                }
                else
                {
                    // 读取出问题（暂时）
                    std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                    close(sock); // 关闭文件描述符
                    break;
                }
            }
        }

    private:
        int listensock_; // 监听套接字
        uint16_t port_;  // 端口号
        bool quit_;      // 判断服务器是否结束运行
        func_t func_;    // 回调函数
    };
}

接下来编译并运行程序，当服务器启动后（此时无客户端连接），只有一个线程，这是因为我们当前的 线程池 是基于 懒汉模式 实现的，只有当第一次使用时，才会创建线程

接下来启动客户端，可以看到确实创建了一批次线程（十个）

当然可以支持多客户端同时通信

看似程序已经很完善了，其实隐含着一个大问题：当前线程池中的线程，本质上是在回调一个 while(true) 死循环函数，当连接的客户端大于线程池中的最大线程数时，会导致所有线程始终处于满负载状态，直接影响就是连接成功后，无法再创建通信会话（倘若客户端不断开连接，线程池中的线程就无力处理其他客户端的会话）

说白了就是 线程池 比较适合用于处理短任务，对于当前的场景来说，线程池 不适合建立持久通信会话，应该将其用于处理 read 读取、write 写入 任务

如果想解决这个问题，有两个方向：Service() 函数中支持一次 [收 / 发]，或者多线程+线程池，多线程用于构建通信会话，线程池则用于处理 [收 / 发] 任务

前者实现起来比较简单，无非就是把 Service() 业务处理函数中的 while(true) 循环去掉

Service() 业务处理函数

cpp 复制代码 
// 业务处理
void Service(int sock, const std::string &clientip, const uint16_t &clientport)
{
    char buff[1024];
    std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport);
    ssize_t n = read(sock, buff, sizeof(buff) - 1); // 预留 '\0' 的位置
    if (n > 0)
    {
        // 读取成功
        buff[n] = '\0';
        std::cout << "Server get: " << buff << " from " << who << std::endl;

        std::string respond = func_(buff); // 实际业务处理由上层指定

        // 发送给服务器
        write(sock, buff, strlen(buff));
    }
    else if (n == 0)
    {
        // 表示当前读取到文件末尾了，结束读取
        std::cout << "Client " << who << " " << sock << " quit!" << std::endl;
        close(sock); // 关闭文件描述符
    }
    else
    {
        // 读取出问题（暂时）
        std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
        close(sock); // 关闭文件描述符
    }
}

至于后者就比较麻烦了，需要结合 高级IO 相关知识，这里不再阐述

4.日志输出

4.1.日志的重要性

在之前的编程经历中，如果我们的程序运行出现了问题，都是通过 标准输出 或 标准错误 将 错误信息 直接输出到屏幕上，debug 阶段这样使用没啥问题，但如果出错的是一个不断在运行中的服务，那问题就大了，因为服务器是不间断运行中，直接将 错误信息 输出到屏幕上，会导致错误排查变得极为困难

将各种 错误信息 组织管理，就形成了日志，日志有属于自己的格式（包括时间、文件名及行号、错误等级等），利于排查问题

所以接下来我们将会实现一个简易版日志器，用于定向输出我们的日志信息

4.2.可变参数

日志需要我们指定格式并输出，依赖于可变参数

在编写简易版日志器之前，需要先认识一下 C语言 中有关可变参数的使用，主要包括这几个 宏

c 复制代码 
#include <stdarg.h>

va_list	// 指向可变参数列表的指针

va_start()	// 将指针指向起始地址

va_arg()	// 根据类型，提取可变参数列表中的参数

va_end()	// 将指针置为空

关于 可变参数 更多知识详见 《【C语言】可变参数列表》

比如我们可以通过 可变参数 实现参数遍历

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

void foreach(int format, ...)
{
    va_list p;
    va_start(p, format);

    // 接下来就是获取其中的每一个参数
    for(int i = 0; i < format; i++)
        printf("%d ", va_arg(p, int));
    printf("\n");

    // 置空
    va_end(p);
}

int main()
{
    foreach(5, 1,2,3,4,5);
    return 0;
}

这种依靠自己动手的方法比较麻烦，我们也可以借助标准库提供的 vsnprintf() 函数进行参数解析

4.3.日志器实现

日志是有等级的，一般分为五级：

  1. Debug 用于调试
  2. Info 提示信息
  3. Warning 警告
  4. Errorr 错误
  5. Fatal 致命错误

错误等级越高，代表影响越大

当然难免有不明确的错误，可以再添加一级：UnKnow 未知错误

cpp 复制代码 
// 日志等级
enum
{
    Debug = 0,
    Info,
    Warning,
    Error,
    Fatal
};

string getLevel(int level)
{
    vector<string> vs = {"<Debug>", "<Info>", "<Warning>", "<Error>", "<Fatal>", "<Unknown>"};
    
    //避免非法情况
    if(level < 0 || level >= vs.size() - 1)
        return vs[vs.size() - 1];
    
    return vs[level];
}

接下来是获取时间信息，可以通过 time() 函数获取当前时间戳，然后再利用 localtime() 函数构建 struct tm 结构体对象，这个对象会将时间戳解析成 年月日 时分秒 等详细信息，直接获取即可

strcut tm 结构体的信息如下，细节：年份已经 -1900 了，使用时需要加上 1900；月份从 0 开始，使用时需要 +1

cpp 复制代码 
/* Used by other time functions.  */
struct tm
{
  int tm_sec;			/* Seconds.	[0-60] (1 leap second) */
  int tm_min;			/* Minutes.	[0-59] */
  int tm_hour;			/* Hours.	[0-23] */
  int tm_mday;			/* Day.		[1-31] */
  int tm_mon;			/* Month.	[0-11] */
  int tm_year;			/* Year	- 1900.  */
  int tm_wday;			/* Day of week.	[0-6] */
  int tm_yday;			/* Days in year.[0-365]	*/
  int tm_isdst;			/* DST.		[-1/0/1]*/

# ifdef	__USE_BSD
  long int tm_gmtoff;		/* Seconds east of UTC.  */
  const char *tm_zone;		/* Timezone abbreviation.  */
# else
  long int __tm_gmtoff;		/* Seconds east of UTC.  */
  const char *__tm_zone;	/* Timezone abbreviation.  */
# endif
};

可以这样获取当前时间

cpp 复制代码 
// 获取当前时间
string getTime()
{
    time_t t = time(nullptr);   //获取时间戳
    struct tm *st = localtime(&t);    //获取时间相关的结构体

    char buff[128];
    snprintf(buff, sizeof(buff), "%d-%d-%d %d:%d:%d", st->tm_year + 1900, st->tm_mon + 1, st->tm_mday, st->tm_hour, st->tm_min, st->tm_sec);

    return buff;
}

接下来就是获取进程 PID，这个简单，直接使用 getpid() 函数获取即可，最后是解析参数，需要用到 vsnprintf() 函数，只要传入缓冲区和 va_list 指针，该函数就可以自动解析出参数，并存入缓冲区中

cpp 复制代码 
void logMessage(int level, const char* format, ...)
{
    //截获主体消息
    char msgbuff[1024];
    va_list p;
    va_start(p, format);    //将 p 定位至 format 的起始位置
    vsnprintf(msgbuff, sizeof(msgbuff), format, p); //自动根据格式进行读取
    va_end(p);
}

接下来就是将 日志等级 时间 PID 与 参数 进行拼接，形成日志

log.hpp 日志头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdarg.h>

using namespace std;

enum
{
    Debug = 0,
    Info,
    Warning,
    Error,
    Fatal
};

string getLevel(int level)
{
    vector<string> vs = {"<Debug>", "<Info>", "<Warning>", "<Error>", "<Fatal>", "<Unknown>"};
    
    //避免非法情况
    if(level < 0 || level >= vs.size() - 1)
        return vs[vs.size() - 1];
    
    return vs[level];
}

string getTime()
{
    time_t t = time(nullptr);   //获取时间戳
    struct tm *st = localtime(&t);    //获取时间相关的结构体

    char buff[128];
    snprintf(buff, sizeof(buff), "%d-%d-%d %d:%d:%d", st->tm_year + 1900, st->tm_mon + 1, st->tm_mday, st->tm_hour, st->tm_min, st->tm_sec);

    return buff;
}

//处理信息
void logMessage(int level, const char* format, ...)
{
    //日志格式：<日志等级> [时间] [PID] {消息体}
    string logmsg = getLevel(level);    //获取日志等级
    logmsg += " " + getTime();  //获取时间
    logmsg += " [" + to_string(getpid()) + "]";    //获取进程PID

    //截获主体消息
    char msgbuff[1024];
    va_list p;
    va_start(p, format);    //将 p 定位至 format 的起始位置
    vsnprintf(msgbuff, sizeof(msgbuff), format, p); //自动根据格式进行读取
    va_end(p);

    logmsg += " {" + string(msgbuff) + "}";    //获取主体消息

    printf("%s\n", logmsg);

}

为什么日志消息最后还是向屏幕输出？这样组织日志消息的好处是什么？
因为现在还在测试阶段，等测试完成后，可以将日志消息存入文件中，做到持久化存储；至于统一组织的好处不言而喻，能够确保每条日志消息都包含必要信息，便于排查错误

简单测试的效果如下

4.4.应用于程序中

接下来可以包含 log.hpp 这个日志器头文件，并进行日志输出了，比如先将 client.hpp 客户端头文件中的错误信息日志化（代码少一些，比较好改）

client.hpp 客户端头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"
#include "log.hpp"

namespace nt_client
{
    class TcpClient
    {
    public:
        TcpClient(const std::string& ip, const uint16_t port)
            :server_ip_(ip), server_port_(port)
        {}

        ~TcpClient()
        {}

        // 初始化客户端
        void InitClient()
        {
            // 创建套接字
            sock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if (sock_ == -1)
            {
                logMessage(Fatal, "Create Socket Fail! %s", strerror(errno));
                exit(SOCKET_ERR);
            }

            logMessage(Debug, "Create Sock Succeess! %d", sock_);
        }

        // 启动客户端
        void StartClient()
        {
            // 填充服务器的 sockaddr_in 结构体信息
            struct sockaddr_in server;
            socklen_t len = sizeof(server);
            memset(&server, 0, len);
            server.sin_family = AF_INET;
            inet_aton(server_ip_.c_str(), &server.sin_addr); // 将点分十进制转化为二进制IP地址的另一种方法
            server.sin_port = htons(server_port_);

            // 尝试重连 5 次
            int n = 5;
            while(n)
            {
                int ret = connect(sock_, (const struct sockaddr*)&server, len);

                if(ret == 0)
                {
                    // 连接成功，可以跳出循环
                    break;
                }

                // 尝试进行重连
                logMessage(Warning, "网络异常，正在进行重连... 剩余连接次数: %d", --n);
                sleep(1);
            }

            // 如果剩余重连次数为 0，证明连接失败
            if(n == 0)
            {
                logMessage(Fatal, "连接失败! %s", strerror(errno));
                close(sock_);
                exit(CONNECT_ERR);
            }

            // 连接成功
            logMessage(Info, "连接成功!");

            // 进行业务处理
            Service();
        }

        // 业务处理
        void Service()
        {
            char buff[1024];
            std::string who = server_ip_ + "-" + std::to_string(server_port_);
            while(true)
            {
                // 由用户输入信息
                std::string msg;
                std::cout << "Please Enter >> ";
                std::getline(std::cin, msg);

                // 发送信息给服务器
                write(sock_, msg.c_str(), msg.size());

                // 接收来自服务器的信息
                ssize_t n = read(sock_, buff, sizeof(buff) - 1);
                if(n > 0)
                {
                    // 正常通信
                    buff[n] = '\0';
                    std::cout << "Client get: " << buff << " from " << who << std::endl;
                }
                else if(n == 0)
                {
                    // 读取到文件末尾（服务器关闭了）
                    logMessage(Error, "Server %s quit! %s", who.c_str(), strerror(errno));
                    close(sock_); // 关闭文件描述符
                    break;
                }
                else
                {
                    // 读取异常
                    logMessage(Error, "Read Fail! %s", strerror(errno));
                    close(sock_); // 关闭文件描述符
                    break;
                }
            }
        }
        
    private:
        int sock_; // 套接字
        std::string server_ip_; // 服务器IP
        uint16_t server_port_; // 服务器端口号
    };
}

效果就是这个样子，至于代码中其他输出错误的地方，都可以采用 简易版日志器 进行统一输出

改造完成的程序长这个样子

4.5.持久化存储

所谓持久化存储就是将日志消息输出至文件中，修改 log.hpp 中的代码即可

  • 指定日志文件存放路径
  • 打开文件，将日志消息追加至文件中

注意： 当前的改动中并未涉及目录创建，所以需要手动创建相关目录

log.hpp 日志头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdarg.h>

using namespace std;

enum
{
    Debug = 0,
    Info,
    Warning,
    Error,
    Fatal
};

static const string file_name = "log/TcpServer.log";

string getLevel(int level)
{
    vector<string> vs = {"<Debug>", "<Info>", "<Warning>", "<Error>", "<Fatal>", "<Unknown>"};
    
    //避免非法情况
    if(level < 0 || level >= vs.size() - 1)
        return vs[vs.size() - 1];
    
    return vs[level];
}

string getTime()
{
    time_t t = time(nullptr);   //获取时间戳
    struct tm *st = localtime(&t);    //获取时间相关的结构体

    char buff[128];
    snprintf(buff, sizeof(buff), "%d-%d-%d %d:%d:%d", st->tm_year + 1900, st->tm_mon + 1, st->tm_mday, st->tm_hour, st->tm_min, st->tm_sec);

    return buff;
}

//处理信息
void logMessage(int level, const char* format, ...)
{
    //日志格式：<日志等级> [时间] [PID] {消息体}
    string logmsg = getLevel(level);    //获取日志等级
    logmsg += " " + getTime();  //获取时间
    logmsg += " [" + to_string(getpid()) + "]";    //获取进程PID

    //截获主体消息
    char msgbuff[1024];
    va_list p;
    va_start(p, format);    //将 p 定位至 format 的起始位置
    vsnprintf(msgbuff, sizeof(msgbuff), format, p); //自动根据格式进行读取
    va_end(p);

    logmsg += " {" + string(msgbuff) + "}";    //获取主体消息

    //持久化。写入文件中
    FILE* fp = fopen(file_name.c_str(), "a");   //以追加的方式写入
    if(fp == nullptr) return;   //不太可能出错

    fprintf(fp, "%s\n", logmsg.c_str());
    fflush(fp); //手动刷新一下
    fclose(fp);
    fp = nullptr;
}


5.守护进程

5.1.会话、进程组、进程

接下来进入本文中的最后一个小节： 守护进程

守护进程 的意思就是让进程不间断的在后台运行，即便是 bash 关闭了，也能照旧运行。守护进程 就是现实生活中的服务器，因为服务器是需要 24H 不间断运行的

当前我们的程序在启动后属于 前台进程 ，前台进程 是由 bash 进程替换而来的，因此会导致 bash 暂时无法使用

如果在启动程序时，带上 & 符号，程序就会变成 后台进程 ，后台进程 并不会与 bash 进程冲突，bash 仍然可以使用

后台进程 也可以实现服务器不间断运行，但问题在于 如果当前 bash 关闭了，那么运行中的后台进程也会被关闭 ，最好的解决方案是使用 守护进程

在正式学习 守护进程 之前，需要先了解一组概念：会话、进程组、进程

分别运行一批 前台、后台进程，并通过指令查看进程运行情况

bash 复制代码 
sleep 1000 | sleep 2000 | sleep 3000 &

sleep 100 | sleep 200 | sleep 300

ps -ajx | head -1 && ps -ajx | grep sleep | grep -v grep

其中 会话 <-> SID、进程组 <-> PGID、进程 <-> PID ，显然，sleep 1000、2000、3000 处于同一个管道中（有血缘关系），属于同一个 进程组 ，所以他们的 PGID 都是一样的，都是 4261；至于 sleep 100、200、300 属于另一个 进程组 ，PGID 为 4308；再仔细观察可以发现 每一组的进程组 PGID 都与当前组中第一个被创建的进程 PID 一致，这个进程被称为 组长进程

会话 >= 进程组 >= 进程

无论是 后台进程 还是 前台进程 ，都是从同一个 bash 中启动的，所以它们处于同一个 会话 中，SID 都是 1939，并且关联的 终端文件 TTY 都是 pts/1

Linux 中一切皆文件，终端文件也是如此，这里的终端其实就是当前 bash 输出结果时使用的文件（也就是屏幕），终端文件位于 dev/pts 目录下，如果向指定终端文件中写入数据，那么对方也可以直接收到

(关联终端文件说白了就是打开了文件，一方写，一方读，不就是管道吗)

根据当前的 会话 SID 查找目标进程，发现这玩意就是 bash 进程，bash 进程本质上就是一个不断运行中的 前台进程 ，并且自成 进程组

在同一个 bash 中启动前台、后台进程，它们的 SID 都是一样的，属于同一个 会话 ，关联了同一个 终端 （SID 其实就是 bash 的 PID）

我们使用 XShell 等工具登录 Linux 服务器时，会在服务器中创建一个 会话 （bash），可以在该会话内创建 进程 ，当 进程 间有关系时，构成一个 进程组 ，组长 进程的 PID 就是该 进程组 的 PGID

Linux 中的登录操作实际上就是创建了一个会话，Windows 中也是如此，当你的 Windows 变卡时，可以使用 [注销] 按钮结束整个会话，重新登录，电脑就会流畅如初

在同一个会话中，只允许一个前台进程在运行，默认是 bash，如果其他进程运行了，bash 就会变成后台进程（暂时无法使用），让出前台进程这个位置（后台进程与前台进程之前是可以进程切换）

如何将一个 后台进程 变成 前台进程？

首先通过指令查看当前 会话 中正在运行的 后台进程 ，获取 任务号

bash 复制代码 
jobs

接下来通过 任务号 将 后台进程 变成 前台进程 ，此时 bash 就无法使用了

bash 复制代码 
fg 1

那如何将 前台进程 变成 后台进程 ？

首先是通过 ctrl + z 发送 19 号 SIGSTOP 信号，暂停正在运行中的 前台进程

bash 复制代码 
键盘输入 ctrl + z

然后通过 任务号 ，可以把暂停中的进程变成 后台进程

bash 复制代码 
bg 1

5.2.守护进程化

一般网络服务器为了不受到用户登录重启的影响，会以 守护进程 的形式运行，有了上面那一批前置知识后，就可以很好的理解 守护进程 的本质了

守护进程：进程单独成一个会话，并且以后台进程的形式运行

说白了就是让服务器不间断运行，可以直接使用 daemon() 函数完成 守护进程化

cpp 复制代码 
#include <unistd.h>

int daemon(int nochdir, int noclose);

参数解读：

  1. nochdir 改变进程的工作路径
  2. noclose 重定向标准输入、标准输出、标准错误

返回值：成功返回 0，失败返回 -1

一般情况下，daemon() 函数的两个参数都只需要传递 0，默认工作在 / 路径下，默认重定向至 /dev/null

/dev/null 就像是一个 黑洞，可以把所有数据都丢入其中，相当于丢弃数据

使用 damon() 函数使之前的server.cc 守护进程化

server.cc 服务器源文件

cpp 复制代码 
#include <memory> // 智能指针头文件
#include <string>
#include <unistd.h>
#include "server.hpp"

using namespace std;
using namespace nt_server;

// 业务处理回调函数（字符串回响）
string echo(string request)
{
    return request;
}

int main()
{
    // 直接守护进程化
    daemon(0, 0);
    
    unique_ptr<TcpServer> usvr (new TcpServer(echo)); // 将回调函数进行传递

    usvr->InitServer();
    usvr->StartServer();
    return 0;
}

现在服务器启动后，会自动变成 后台进程 ，并且自成一个 新会话 ，归操作系统管（守护进程 本质上是一种比较坚强的 孤儿进程）

注意： 现在标准输出、标准错误都被重定向至 /dev/null 中了，之前向屏幕输出的数据，现在都会直接被丢弃，如果想保存数据，可以选择使用日志

如果想终止 守护进程 ，需要通过 kill pid 杀死目标进程

使用系统提供的接口一键 守护进程化 固然方便，不过大多数程序员都会选择手动 守护进程化（可以根据自己的需求定制操作）

原理是 使用 setsid() 函数新设一个会话，谁调用，会话 SID 就是谁的，成为一个新的会话后，不会被之前的会话影响

cpp 复制代码 
#include <unistd.h>

pid_t setsid(void);

返回值：成功返回该进程的 pid，失败返回 -1

注意： 调用该函数的进程，不能是组长进程，需要创建子进程后调用

手动实现守护进程时需要注意以下几点：

  1. 忽略异常信号
  2. 0、1、2 要做特殊处理（文件描述符）
  3. 进程的工作路径可能要改变（从用户目录中脱离至根目录）

具体实现步骤如下：

1、忽略常见的异常信号：SIGPIPE、SIGCHLD

2、如何保证自己不是组长？ 创建子进程 ，成功后父进程退出，子进程变成守护进程

3、新建会话，自己成为会话的 话首进程

4、（可选）更改守护进程的工作路径：chdir

5、处理后续对于 0、1、2 的问题

对于 标准输入、标准输出、标准错误 的处理方式有两种

暴力处理：直接关闭 fd

优雅处理：将 fd 重定向至 /dev/null，也就是 daemon() 函数的做法

这里我们选择后者，守护进程 的函数实现如下

Daemon.hpp 守护进程头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include "err.hpp"
#include "log.hpp"

static const char *path = "/home/Yohifo";

void Daemon()
{
    // 1、忽略常见信号
    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

    // 2、创建子进程，自己退休
    pid_t id = fork();
    if (id > 0)
        exit(0);
    else if (id < 0)
    {
        // 子进程创建失败
        logMessage(Error, "Fork Fail: %s", strerror(errno));
        exit(FORK_ERR);
    }

    // 3、新建会话，使自己成为一个单独的组
    pid_t ret = setsid();
    if (ret == -1)
    {
        // 守护化失败
        logMessage(Error, "Setsid Fail: %s", strerror(errno));
        exit(SETSID_ERR);
    }

    // 4、更改工作路径
    int n = chdir(path);
    if (n == -1)
    {
        // 更改路径失败
        logMessage(Error, "Chdir Fail: %s", strerror(errno));
        exit(CHDIR_ERR);
    }

    // 5、重定向标准输入输出错误
    int fd = open("/dev/null", O_RDWR);
    if (fd == -1)
    {
        // 文件打开失败
        logMessage(Error, "Open Fail: %s", strerror(errno));
        exit(OPEN_ERR);
    }

	// 重定向标准输入、标准输出、标准错误
    dup2(fd, 0);
    dup2(fd, 1);
    dup2(fd, 2);

    close(fd);
}

当然相应的错误码也需要更新

err.hpp 错误码头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

enum
{
    USAGE_ERR = 1,
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR,
    LISTEN_ERR,
    CONNECT_ERR,
    FORK_ERR,
    SETSID_ERR,
    CHDIR_ERR,
    OPEN_ERR
};

接下来就是在服务启动成功后，将其 守护进程化

StartServer() 服务器启动函数 --- 位于 server.hpp 服务器头文件中的 TcpServer 类

cpp 复制代码 
#include "myDaemon.hpp"

// 启动服务器
void StartServer()
{
    // 守护进程化
    Daemon();
	
	// ...
}

现在服务器在启动后，会自动新建会话，以 守护进程 的形式运行

关于 inet_ntoa 函数的返回值（该函数的作用是将四字节的 IP 地址转化为点分十进制的 IP 地址）
inet_ntoa 返回值为 char*，转化后的 IP 地址存储在静态区，二次调用会覆盖上一次的结果，多线程场景中不是线程安全的

  • 不过在 CentOS 7 及更高版本中，接口进行了更新，新增了互斥锁，多线程场景中测试没问题

6.完整代码

下面是不同版本服务器的完整代码

「朴素版，支持单客户端连接」

「多进程版，支持多客户端连接」

「多线程版（原生线程库），支持多客户端连接」

「多线程版（线程池），支持多客户端连接」

「日志版，支持简易日志输出」

「守护进程版，支持服务部署」

🌨️总结

以上是关于『简易TCP网络程序』的全部内容，作为上一篇博客的延伸，本文重新实现了字符串回响网络程序，基于TCP协议逐步改造并引入多进程、多线程、线程池、日志输出、守护进程等技术。这使得网络程序更为成熟，为后续网络和高级IO的学习提供了有力支持。同时，对套接字编程的重要性也得到了充分体现。希望本文能为读者在网络编程领域的深入学习提供实质性帮助。

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