服务器多客户端连接核心要点（1）

zm2025-05-10 23:45

刷题

服务器多客户端连接核心要点

多进程服务器

实现原理

  • fork子进程 ：每次accept新客户端后，调用fork创建子进程。
  • 独立处理 ：子进程负责与客户端通信（如read/write），父进程继续监听新连接。

特点

  • 隔离性高：进程间资源独立，避免数据竞争。
  • 资源消耗大：频繁创建进程导致内存和CPU开销高。

多线程服务器

实现原理

  • 创建新线程 ：accept后生成线程处理客户端请求。
  • 线程函数 ：在线程内执行read/write操作。

特点

  • 轻量级：线程共享进程资源，开销低于进程。
  • 需同步机制 ：需使用互斥锁（mutex）或信号量避免数据竞争。

多路I/O模型

核心问题

  • 阻塞冲突 ：传统accept和read相互阻塞，无法同时处理多客户端。
  • 解决方案 ：通过非阻塞模型（select/poll）统一监听所有描述符。

Select模型

流程

  1. 初始化监视列表：

    fd_set read_fds;
    FD_ZERO(&read_fds); // 清空列表
    FD_SET(server_fd, &read_fds); // 添加服务端套接字

  2. 循环监听 ：

    复制代码 
    select(max_fd + 1, &read_fds, NULL, NULL, NULL); // 阻塞直至描述符激活

  3. 处理激活描述符 ：

    • 遍历描述符，通过FD_ISSET判断是否激活。
    • 服务端套接字激活：调用accept接受新客户端。
    • 客户端套接字激活：调用read读取数据。
缺点
  • 效率低：每次调用需遍历所有描述符。
  • 监视列表上限：默认限制1024个描述符。

Poll模型

流程

  1. 初始化监视列表：

    struct pollfd fds[MAX_CLIENTS];
    fds[0].fd = server_fd;
    fds[0].events = POLLIN; // 监视可读事件

  2. 循环监听 ：

    复制代码 
    poll(fds, nfds, -1); // 永久阻塞直至事件触发

  3. 处理激活描述符 ：

    • 遍历fds数组，检查revents是否为POLLIN。
    • 服务端激活：accept新客户端并加入列表。
    • 客户端激活：read数据并响应。
优点
  • 无描述符数量限制：支持动态扩展。
  • 事件类型灵活：可同时监视读写和异常事件。

模型对比

特性 Select Poll
描述符上限 1024（系统默认） 无限制
效率 O(n)遍历 O(n)遍历
事件类型 仅可读/可写/异常 支持自定义事件（如POLLIN）
跨平台支持 广泛支持 Linux专用

实际应用场景

  • 作业要求 ：

    • 服务器端 ：使用poll模型处理多客户端。
    • 客户端1 ：select模型实现非阻塞通信。
    • 客户端2：多线程处理输入/输出。

  • 典型场景 ：

    • 实时聊天系统 ：服务器通过poll管理多个客户端会话。
    • 高并发服务器 ：select/poll适用于低并发场景，epoll适合高并发。

  • pollk.c

    复制代码 
    #include "head.h"

#define MAX_CLIENTS 10 // 最多10个客户端

// 将一个拥有{描述符，监视方式，激活形式}的结构体变量fd，存入监视列表arr中，并且监视列表的长度len自增
void insert_fd(struct pollfd arr[], struct pollfd newfd, int* len) {
    arr[*len] = newfd; // 将新的pollfd结构体存入数组指定位置
    (*len)++; // 监视列表长度加1
}

// 将要移除的描述符fd，从监视列表arr中删除，并且监视列表长度len自减1
void remove_fd(struct pollfd* arr, int fd, int* len) {
    for (int i = 0; i < *len; i++) {
        if (arr[i].fd == fd) { // 查找要移除的描述符在数组中的位置
            for (int j = i; j < *len - 1; j++) {
                arr[j] = arr[j + 1]; // 后面的元素向前移动，覆盖要移除的元素
            }
            break;
        }
    }
    (*len)--; // 监视列表长度减1
}

int main(int argc, const char *argv[]) {
    if (argc < 2) { // 检查命令行参数，确保输入了端口号
        printf("请输入端口号\n");
        return 1;
    }

    short port = atoi(argv[1]); // 将命令行输入的端口号字符串转换为short类型

    // 创建TCP类型的服务器套接字
    int server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in addr = {0};
    addr.sin_family = AF_INET; // 设置地址族为IPv4
    addr.sin_port = htons(port); // 将端口号转换为网络字节序
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); // 监听所有可用的本地IP地址

    // 将套接字绑定到指定的地址和端口
    if (bind(server, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("bind");                                                                                                          
        return 1;
    }

    listen(server, MAX_CLIENTS); // 开始监听，设置最大等待连接数

    struct pollfd list[MAX_CLIENTS + 1] = {0}; // 定义pollfd结构体数组，用于存储要监视的描述符及其相关信息
    int list_len = 0; // 记录监视列表中描述符的数量

    // 准备要监视的服务器描述符（关注读事件）
    struct pollfd poll_server = {.fd = server,.events = POLLIN,.revents = 0};

    insert_fd(list, poll_server, &list_len); // 将服务器描述符加入监视列表

    printf("服务器启动，监听端口 %d...\n", port);

    while (1) {
        // 调用poll函数，阻塞等待监视列表中的描述符有事件发生
        poll(list, list_len, -1);

        for (int i = 0; i < list_len; i++) {
            int fd = list[i].fd;
            // 检查描述符的revents是否有读事件（POLLIN）发生
            if (list[i].revents & POLLIN) {
                if (fd == server) { // 服务器描述符有读事件，说明有新客户端连接
                    struct sockaddr_in client_addr;
                    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
                    int client = accept(server, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
                    if (client == -1) {
                        perror("accept");
                        continue;
                    }
                    printf("新客户端连接: %d\n", client);
                    // 准备要监视的新客户端描述符（关注读事件）
                    struct pollfd poll_client = {.fd = client,.events = POLLIN,.revents = 0};
                    insert_fd(list, poll_client, &list_len); // 将新客户端描述符加入监视列表
                } else { // 客户端描述符有读事件，说明客户端发送了数据
                    char buf[1024] = {0};
                    int res = read(fd, buf, sizeof(buf));
                    if (res <= 0) { // 处理客户端断开
                        if (res == 0) {
                            printf("客户端 %d 断开连接\n", fd);
                        } else {
                            perror("read");
                        }
                        close(fd);
                        remove_fd(list, fd, &list_len); // 从监视列表中移除客户端描述符
                    } else { // 转发数据给其他客户端
                        for (int j = 0; j < list_len; j++) {
                            if (list[j].fd != fd && list[j].fd != server) {
                                write(list[j].fd, buf, res);
                            }
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

    selectk.c

    复制代码 
    #include "head.h"

int main(int argc, const char *argv[]) {
    if (argc < 2) {
        printf("请输入端口号\n");
        return 1;
    }
    int port = atoi(argv[1]);

    int client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in addr = {0};
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("connect");
        return 1;
    }

    fd_set rset;
    int max_fd = client_fd;

    while (1) {
        FD_ZERO(&rset);
        FD_SET(client_fd, &rset);
        FD_SET(0, &rset); // 监控标准输入

        int ret = select(max_fd + 1, &rset, NULL, NULL, NULL);
        if (ret == -1) {
            perror("select");
            continue;
        }

        if (FD_ISSET(0, &rset)) { // 处理键盘输入
            char buf[1024] = {0};
            fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
            buf[strcspn(buf, "\n")] = 0; // 去除换行符                                
            write(client_fd, buf, strlen(buf));
        }

        if (FD_ISSET(client_fd, &rset)) { // 处理接收消息
            char buf[1024] = {0};
            int res = read(client_fd, buf, sizeof(buf));
            if (res <= 0) {
                if (res == 0) {
                    printf("服务器断开连接\n");
                } else {
                    perror("read");
                }
                close(client_fd);
                return 1;
            }
            printf("收到消息: %s\n", buf);
        }
    }

    close(client_fd);
    return 0;
}

    xiank.c

    复制代码 
    #include "head.h"

void *send_msg(void *arg) {
    int client_fd = *(int *)arg;
    while (1) {
        char buf[1024] = {0};
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        buf[strcspn(buf, "\n")] = 0; // 去除换行符
        write(client_fd, buf, strlen(buf));
    }
}

void *recv_msg(void *arg) {
    int client_fd = *(int *)arg;
    while (1) {
        char buf[1024] = {0};
        int res = read(client_fd, buf, sizeof(buf));
        if (res <= 0) { // 处理服务器断开
            if (res == 0) {
                printf("服务器断开连接\n");
            } else {
                perror("read");
            }
            close(client_fd);
            pthread_exit(NULL);
        }
        printf("收到消息: %s\n", buf);
    }
}

int main(int argc, const char *argv[]) {
    if (argc < 2) {
        printf("请输入端口号\n");
        return 1;
    }
    int port = atoi(argv[1]);

    int client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in addr = {0};
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("connect");
        return 1;
    }
                                                                                                        
    pthread_t send_tid, recv_tid;
    pthread_create(&send_tid, NULL, send_msg, &client_fd); // 启动发送线程
    pthread_create(&recv_tid, NULL, recv_msg, &client_fd); // 启动接收线程

    pthread_join(send_tid, NULL);
    pthread_join(recv_tid, NULL);

    close(client_fd);
    return 0;
}

总结 ：多进程/线程适合简单场景，多路I/O模型（select/poll）通过非阻塞监听提升效率，需根据并发需求选择模型。

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