深入探讨 UDP 协议与多线程 HTTP 服务器

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）

#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）

#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

#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。