深入探讨 UDP 协议与多线程 HTTP 服务器
一、UDP 协议:高效但"不羁"的传输使者
UDP 协议以其独特的特性在网络传输中占据一席之地,适用于对实时性要求高、能容忍少量数据丢失的场景。
1. UDP 的特点解析
- 无连接:无需提前建立连接,如同"不打电话直接寄快递",减少了连接建立的时间开销,想发就发。
- 不可靠:不保证数据一定到达、不检测错误、不排序。但这也让它省去了复杂的确认机制,适合视频通话、在线游戏等场景,偶尔卡顿或丢包可接受。
- 数据报传输:以"块"为单位传输(数据报),发送端发多少,接收端收多少,保持原始边界。例如发送"abc"和"def",接收端不会合并为"abcdef"。
- 速度快、开销小:头部仅 8 字节(TCP 为 20 字节),额外负担少,传输效率高,适合直播、DNS 查询等"抢时间"场景。
- 不适应网络拥塞控制:无"减速"机制,网络拥堵时可能丢包更多,但能保持快速发送,与 TCP 的自适应减速形成对比。
- 支持多种通信方式:可单播(一对一)、广播/组播(一对多),如网课直播向多个设备同时发送数据。
一句话总结:UDP 如同"快递急件",速度快但不确保签收,适合实时性要求高或简单传输的场景。
2. UDP 网络编程代码解析
服务器端(ser.c
)
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main() {
// 创建 UDP 套接字,AF_INET 表示 IPv4,SOCK_DGRAM 表示 UDP 类型,0 表示默认协议
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd == -1) {
perror("socket err");
exit(1);
}
struct sockaddr_in saddr, caddr;
memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_port = htons(6000); // 端口号转网络字节序
saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // 绑定本地回环地址
// 绑定套接字到指定地址和端口
int res = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr));
if (res == -1) {
perror("bind err\n");
exit(1);
}
while (1) {
char buff[128] = {0};
int len = sizeof(caddr);
// 接收数据,recvfrom 用于 UDP,可获取发送方地址
int n = recvfrom(sockfd, buff, 128, 0, (struct sockaddr*)&caddr, &len);
printf("recvfrom(%s) buff:%s\n", inet_ntoa(caddr.sin_addr), buff);
// 向发送方回复"ok"
sendto(sockfd, "ok", 2, 0, (struct sockaddr*)&caddr, sizeof(caddr));
}
close(sockfd);
}
客户端(cli.c
)
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main() {
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd == -1) {
perror("socket err");
exit(1);
}
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_port = htons(6000);
saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
while (1) {
printf("input:\n");
char buff[128] = {0};
fgets(buff, 128, stdin);
if (strncmp(buff, "end", 3) == 0) {
break;
}
// 向服务器发送数据
sendto(sockfd, buff, strlen(buff) - 1, 0, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr));
memset(buff, 0, 128);
int len = sizeof(saddr);
// 接收服务器响应
recvfrom(sockfd, buff, 128, 0, (struct sockaddr*)&saddr, &len);
printf("buff(%s):%s\n", inet_ntoa(saddr.sin_addr), buff);
}
close(sockfd);
}
- 服务器端 :创建 UDP 套接字,绑定到
127.0.0.1:6000
,循环接收客户端数据,打印发送方 IP 和数据,回复"ok"。 - 客户端:创建 UDP 套接字,循环读取用户输入,发送给服务器,接收并打印服务器响应,输入"end"时退出。
二、多线程 HTTP 服务器:构建 Web 通信枢纽
HTTP 协议(端口 80,HTTPS 为 443)是应用层的核心协议,基于 TCP 协议,具有无状态、简单灵活等特点,广泛用于 Web 通信。多线程设计使其能并发处理多个客户端请求,提升性能。
1. HTTP 协议深度解析
-
请求方法 :常见的有
GET
(获取资源)、POST
(提交数据)、PUT
(更新资源)、DELETE
(删除资源)等。例如,浏览器访问网页使用GET
请求获取页面内容。
-
状态码:
2xx
(如200 OK
):表示请求成功。4xx
(如404 NOT FOUND
):客户端错误,资源不存在。5xx
(如500 Internal Server Error
):服务器内部错误。
-
长连接与短连接:
- 短连接:每次请求都新建 TCP 连接,完成后关闭。适用于请求不频繁的场景,如普通网页浏览。
- 长连接(Keep-Alive):多个请求复用一个 TCP 连接,减少连接建立开销,提升效率,适用于频繁交互的场景,如单页应用(SPA)。
-
无状态特性 :HTTP 协议本身不记录客户端状态,通过
Cookie
、Session
等机制实现会话跟踪。例如,用户登录后,服务器通过Cookie
识别用户后续请求。 -
http请求报文如下图 :
-
http应答报文如下图
2. 多线程 HTTP 服务器代码详解
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
#include <fcntl.h>
#define PATH "/home/stu/0101/http"
int socket_init();
char *strtok_fun(char buff[]) {
char *saveptr;
// 解析请求头第一行,获取请求的文件名。例如,对于"GET /index.html HTTP/1.1",提取"/index.html"
char *p = strtok_r(buff, " ", &saveptr);
if (p != NULL) {
p = strtok_r(NULL, " ", &saveptr);
return p;
}
return NULL;
}
void *thread_fun(void *arg) {
int c = *((int *)arg);
free(arg);
while (1) {
char buff[1024] = {0};
int n = recv(c, buff, 1024, 0);
if (n == 0) { // 客户端关闭连接,recv 返回 0
break;
}
if (n == -1) {
perror("recv err");
break;
}
char *filename = strtok_fun(buff);
if (filename == NULL) {
break;
}
if (strcmp(filename, "/") == 0) {
filename = "/index.html"; // 若请求根路径,默认返回 index.html
}
char path[256];
strcpy(path, PATH);
strcat(path, filename);
printf("path:%s\n", path);
int file_id = open(path, O_RDONLY);
if (file_id == -1) { // 文件不存在,构造 404 响应头
char head[256] = {"HTTP/1.1 404 NOT FOUND\r\n"};
strcat(head, "Server: myhttp\r\n");
sprintf(head + strlen(head), "Content-Length: 0\r\n");
strcat(head, "\r\n");
send(c, head, strlen(head), 0);
break;
}
int filesize = lseek(file_id, 0, SEEK_END);
lseek(file_id, 0, SEEK_SET);
char head[256] = {"HTTP/1.1 200 OK\r\n"};
strcat(head, "Server: myhttp\r\n");
sprintf(head + strlen(head), "Content-Length: %d\r\n", filesize);
strcat(head, "\r\n");
send(c, head, strlen(head), 0); // 发送 200 响应头,包含服务器信息、内容长度等
char data[1024] = {0};
int num = 0;
while ((num = read(file_id, data, 1024)) > 0) {
send(c, data, num, 0); // 分块读取文件内容并发送给客户端
}
close(file_id);
}
printf("cli close");
close(c);
pthread_exit(NULL);
}
int main() {
int sockfd = socket_init();
if (sockfd == -1) {
exit(1);
}
while (1) {
int c = accept(sockfd, NULL, NULL);
if (c == -1) {
perror("accept err");
continue;
}
pthread_t id;
int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
*p = c;
if (pthread_create(&id, NULL, thread_fun, (void *)p) != 0) {
perror("pthread_create err");
free(p);
close(c);
} else {
pthread_detach(id); // 分离线程,使其结束后自动释放资源,避免内存泄漏
}
}
}
int socket_init() {
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建 TCP 套接字,SOCK_STREAM 表示面向连接的 TCP
if (sockfd == -1) {
perror("socket err");
return -1;
}
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_port = htons(80); // 绑定 80 端口,HTTP 协议默认端口
saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
int res = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));
if (res == -1) {
perror("bind err");
return -1;
}
if (listen(sockfd, 5) == -1) {
perror("listen err");
return -1;
}
return sockfd;
}
socket_init
函数 :初始化 TCP 套接字,绑定到127.0.0.1:80
,通过listen
开始监听,使服务器处于等待客户端连接状态。main
函数 :循环调用accept
接收客户端连接。每收到一个连接,创建新线程处理(thread_fun
),通过pthread_detach
分离线程,确保线程结束后资源自动释放,避免服务器资源泄漏。thread_fun
函数 :- 读取客户端请求数据,解析请求头获取文件名。
- 根据文件名构造文件路径,尝试打开文件。若文件不存在,发送
404
响应头;若存在,发送200
响应头(包含 HTTP 协议版本、状态码、服务器名称、内容长度等),然后分块读取文件内容并发送给客户端。 - 处理完一个客户端请求后,关闭连接套接字,线程退出。
3. 多线程 HTTP 服务器的优势
- 并发处理:每个客户端连接独立分配线程,多个客户端请求可同时处理,提升服务器吞吐量,避免单个请求阻塞影响整体服务。
- 资源利用:充分利用多核 CPU 资源,线程间相互独立,提高系统资源利用率。
- 响应速度:及时处理客户端请求,减少等待时间,提升用户体验,尤其适合高并发场景,如电商网站、新闻门户等。
UDP 协议以其高效简洁适用于特定场景,而多线程 HTTP 服务器通过并发处理与 HTTP 协议特性结合,成为 Web 通信的重要支柱。深入理解这些技术,能更好地应对网络编程挑战,构建强大稳定的网络应用。