简明linux系统编程--互斥锁--TCP--UDP初识

阑梦清川2024-09-20 23:19

目录

1.互斥锁

2.信号

2.1介绍

2.2信号的内核机制

3.linux网络编程概述

3.1一览七层协议

3.2一览数据传输过程

3.3四层网络模型

3.4服务端和客户端的数据交互

4.TCP服务端编程

5.TCP客户端编程

6.UDP服务端编程

7.UDP客户端编程

1.互斥锁

互斥锁也是和信号量一样，用于进行任务之间的通信；

我们的这个互斥锁，分为上锁和解锁，我们的某一个进程占用这个资源的时候，就会把这个共享区域上锁，表示这个空间资源已经被使用，其他的想要使用这个资源的进程就会被挂起，直到我们的这个正在使用资源的进程使用完毕，其他的被挂起的进程才可以使用这个资源，这个资源就会被从原来的上锁状态到现在的解锁状态，被其他的进程使用；

实际上这个互斥锁主要是是被线程使用，互斥锁不可能会同时被两个线程拥有，我们把这个称之为排他性；

已经处于加锁的状态的互斥锁，被其他的线程访问，这个线程就会被加锁，只有这个互斥锁解锁的时候，其他的线程才可以使用；

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>

//两个线程函数的声明
void *thread1_function(void *arg);
void *thread2_function(void *arg);

pthread_mutex_t mutex;//创建互斥锁


//主函数进行互斥锁的创建和初始化，以及线程的创建
int main(void)
{
	pthread_t pthread1, pthread2;
	int ret;

	//初始化互斥锁
	//第二个就是默认的配置选项
	pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

	ret = pthread_create(&pthread1, NULL, thread1_function, NULL);
	if(ret != 0)
	{
		perror("pthread_create");
		exit(1);
	}

	ret = pthread_create(&pthread2, NULL, thread2_function, NULL);
	if(ret != 0)
	{
		perror("pthread_create");
		exit(1);
	}

	//线程的连接，第一个参数就是连接线程的线程号
	pthread_join(pthread1, NULL);
	pthread_join(pthread2, NULL);
	printf("The thread is over, process is over too.\n");

	return 0;
}

//线程1的操作：上锁
void *thread1_function(void *arg)
{
	int i;

	while(1)
	{
		//这个函数就是对于这个进行初始化的互斥锁进行上锁
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		for(i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("Hello world\n");
			sleep(1);
		}
		//循环休眠之后进行解锁的操作
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		sleep(1);
	}
	return NULL;
}


//线程2的操作：先是阻塞挂起，然后加锁（线程1已经占用完成）
void *thread2_function(void *arg)
{
	int i;
	//确保线程1先运行，开始的时候让这个线程1先运行
	sleep(1);

	while(1)
	{
		//尝试加锁，但是会处于阻塞状态
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		for(i = 0; i < 10; i++)
		{
			//这个就是线程1使用完之后，才会打印这个good morning
			printf("Good moring\n");
			sleep(1);
		}
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		sleep(1);
	}
	return NULL;
}

2.信号

2.1介绍

数据传输方式：管道，共享内存，消息队列；

信号主要用途：传递控制命令，主要是进程和应用程序之间，或者是应用程序之间；

2.2信号的内核机制

其实这个信号我们经常使用，只不过这次是说出了他的真正的名字，我们之前使用的这个ctrl+c就是退出这个程序，ctrl+z就是强制退出，这些都是我们的信号；

我们的这个信号有的是我们自己可以控制的，有的就是属于内核层面上面的，是固定的，即使我们进行自定义，他也不会按照我们的定义去修改；

下面的这个就是我们传递命令行参数，通过这个kill函数控制第二个程序里面运行的线程，我们的这个kill函数里面的传递的这个内容就是相当于信号，控制这个function里面的线程的执行；

cpp 复制代码 
int main(int argc, char *argv[])
{
	kill(atoi(argv[1]), SIGQUIT);

	return 0;
}
cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>

void function(int signo);

int main(void)
{
	int i = 0;

	printf("pid = %d\n", getpid());

	signal(SIGINT, function);
	signal(SIGKILL, function);

	while(1)
	{
		printf("Count to %d\n", ++i);
		sleep(1);
	}

	return 0;
}

void function(int signo)
{
	//把ctrl+c的这个处理机制重写了
	if(signo == SIGINT)
	{
		printf("You have just triggered a ctrl+c operation.\n");
		exit(1);
	}

	else if(signo == SIGQUIT)
		printf("Trig a SIGQUIT signal.\n");
}

有些时候，我们传递这个信号的时候，这个控制程序并不会按照我们的这个设计输出打印结果，例如这个，我们虽然指定了这个信号的打印结果，但是如果这个信号是内核层面的，我们就无法进行修改，这个时候打印的时候就不会按照我们的设计进行打印，而是按照系统的内核设计；

3.linux网络编程概述

3.1一览七层协议

3.2一览数据传输过程

发送就是封装的过程，接收数据就是解封的过程，类似于我们的这个快递的传输过程，发送这个快递的时候需要不断的进行打包，当我们取到这个快递的时候就需要不断地进行包装的拆解；

这个里面的主机A就相当于这个快递发送端，这个主机B就相当于这个我们对于这个数据进行拆解的过程；

3.3四层网络模型

下面的这个四层模型就是上面的这个模型简化之后得到的：

TCP协议面向连接，建立连接之后，这个内容才会被发送，稳定传输数据；

UDP不是面向连接的，不稳定，不可靠，可能发送端和接收端没有建立连接，这个数据就会被发送出去了；

TCP因为确认连接的过程繁琐，传输的效率很低，UDP的传输效率相对较高，我们需要根据我们的具体需求进行选择；

当我们发送的数据比较大的时候，就是使用的UDP协议，例如看视频，顶多出现卡顿现象；

如果我们需要确保接收端收到数据，我们需要使用更加安全的TCP；

3.4服务端和客户端的数据交互

4.TCP服务端编程

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>

//下面的两个头文件是使用socket函数需要包含的
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

//htons函数需要包含下面的这个头文件
#include <arpa/inet.h>

#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>

#define PORT_ID	8800
#define SIZE	100

int main(void)
{
	int sockfd, client_sockfd;
	//这个结构体的
	struct sockaddr_in my_addr, client_addr;
	int addr_len;
	char welcome[SIZE] = "Welcome to connect to the sever!";

	//1.socket()创建用于通信的节点，返回节点的描述符-----------------------------------------------------
	//第一个参数配置通信域
	//AF_INET表示我们使用的是IPV4标准
	//SOCK_STREAM表示的就是TCP协议的套接字
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	//2.bind()---------------------------------------------------------------------------------------
	my_addr.sin_family = AF_INET;

	//设置端口号，应用层上面的，这个时候，
    //因为计算机和网络的大小端可能不统一，
	//我们使用这个htons函数把主机和网络的字节序进行转换统一（全部转换为大端模式）
	my_addr.sin_port = htons(PORT_ID);

	//INADDR_ANY参数表示的是监视计算机上面的所有网卡的数据
	my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

	//把一个名字绑定到我们的套接字上面
	bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr));

	//3.listen()：监听套接字的连接---------------------------------------------------------------------
	//sockfd表示需要监听的套接字描述符

	listen(sockfd, 10);

	addr_len = sizeof(struct sockaddr);

	while(1)
	{
		printf("Server is waiting for client to connect:\n");
		//4.accept()：等待客户端的请求----------------------------------------------------------------------------------
		//第二个参数：访问过来的客户端的地址
        //这个就是输出型参数（运行完之后客户端的地址就被放到这个位置，不需要我们手动填充）
		//accept返回值就是新的套接字描述符，新的客户端描述符，客户端有请求，就会返回新的套接字描述符
		client_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
		//inet_ntoa函数作用就是把我们的internet主机地址从二进制转换为点分的10进制，例如这个192.168.等等之类的
		printf("Client IP address = %s\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr));


		//5.send()服务器发送消息到客户端--------------------------------------------------------------------------------
		//第二个参数就是发送的内容char welcome[SIZE] = "Welcome to connect to the sever!";
		send(client_sockfd, welcome, SIZE, 0);
		printf("Disconnect the client request.\n");


		//6.close()---关闭客户端的连接---------------------------------------------------------------------------------
		close(client_sockfd);
	}

	close(sockfd);

	return 0;
}

5.TCP客户端编程

cpp 复制代码 
#define PORT_ID	8800
#define SIZE	100

//./client IP  : ./client 192.168.0.10
int main(int argc, char *argv[])
{
	int sockfd;
	//这个结构体里面的是服务器端的这个地址
	struct sockaddr_in server_addr;
	char buf[SIZE];


	//当我们输入的参数后面没有这个IP地址的时候，我们需要给出这个提示信息，提示用户给出来IP地址
	//agrc表示的就是参数的个数
	if(argc < 2)
	{
		printf("Usage: ./client [server IP address]\n");
		exit(1);
	}

	//1.socket()
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	//2.connect()
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_port = htons(PORT_ID);
	//argv[1]这个表示的就是命令行参数里面和IP地址相关的这个参数
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
	connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr));


	//recv函数表示服务器端对于客户端发来的数据的接受，buf这个表示接受的信息内容放到buf里面去
	recv(sockfd, buf, SIZE, 0);
	printf("Client receive from server: %s\n", buf);

	close(sockfd);

	return 0;
}

6.UDP服务端编程

和上面的这个TCP想比较，这个UDP就简单了很多：

UDP没有accept函数获得客户端的信息，我们无法知道谁发送给我们的信息；

我们想要获得这个谁发送的，我们使用这个recvfrom知道谁发送到我们客户端的；

cpp 复制代码 
#define PORT_ID	8800
#define SIZE	100

int main(void)
{
	int sockfd;
	struct sockaddr_in my_addr, client_addr;
	int addr_len;
	char buf[SIZE];

	//1.socket()
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	//2.bind()
	my_addr.sin_family = AF_INET;
	my_addr.sin_port = htons(PORT_ID);
	my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr));

	addr_len = sizeof(struct sockaddr);

	while(1)
	{
		printf("Server is waiting for client to connect:\n");
		//4.recvfrom()函数可以让我们知道这个接收到的数据的来源
		recvfrom(sockfd, buf, SIZE, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
		printf("Server receive from client: %s\n", buf);
	}

	close(sockfd);

	return 0;
}

7.UDP客户端编程

cpp 复制代码 
#define PORT_ID	8800
#define SIZE	100

//./client IP  : ./client 192.168.0.10
int main(int argc, char *argv[])
{
	int sockfd;
	struct sockaddr_in server_addr;
	char buf[SIZE];
	int i;

	if(argc < 2)
	{
		printf("Usage: ./client [server IP address]\n");
		exit(1);
	}

	//1.socket()
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_port = htons(PORT_ID);
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);

	for(i = 0; i < 10; i++)
	{
		sprintf(buf, "%d\n", i);
		sendto(sockfd, buf, SIZE, 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr));
		printf("Client sends to server %s: %s\n", argv[1], buf);
		sleep(1);
	}

	close(sockfd);

	return 0;
}
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