手把手带你实现多线程服务器
前言由于资源消耗大、线程管理复杂、性能题目等原因，“一哀求一线程”（多线程）已经被淘汰，现在我们多使用select、poll、epoll等IO多路复用技能实现网络IO。我们只讲解实现思路，而且为后面IO多路复用技能的文章打下基础。在看本文之前，可以先看一看 网络IO以及socket编程 这篇文章。
socket使用流程
在网络通信中，一定是使用socket。下面初始化socket的固定流程。
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main()
{
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in sevaddr;
sevaddr.sin_family = AF_INET;
sevaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
sevaddr.sin_port = htons(2000);
if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&sevaddr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
printf("bind failed: %s\n",strerror(errno));
return -1;
}
listen(sockfd, 10);
printf("listen finished\n");
getchar(); // 阻塞在这里
printf("exit\n");
return 0;
}
实现思路
使用socket()创建一个sockfd，用于监听端口。第一个参数AF_INET表示使用IPV4协议族；第二个参数SOCK_STREAM创建流式套接字类型，即TCP；第三个参数0对于 SOCK_STREAM 类型的套接字，通常设置为0，表示使用默认的传输层协议。
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
使用bind()将创建的sockfd与本机端口举行绑定。看下面的代码，我们要给本地端口指定通信协议族、初始化网卡地址、初始化端标语、绑定fd和本机端口。INADDR_ANY，即0.0.0.0，指本机任意网卡；在计算机中，0~1023是默认的端标语，所以我们要指定的端口后须大于1023，这里我们给定的端标语是2000；接下来，我们使用bind()绑定，若函数返回-1，则绑定失败。
struct sockaddr_in sevaddr;
sevaddr.sin_family = AF_INET; //IPV4
sevaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //0.0.0.0
sevaddr.sin_port = htons(2000); // 0-1023
if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&sevaddr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
printf("bind failed: %s\n",strerror(errno));
return -1;
}
完成上面的步调，我们就可以对端口举行监听了。
listen(sockfd, 10);
我们可以先对步伐编译运行，我们可以看到受getchar()的影响，步伐处于阻塞状态。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/0d1c55b8e35b41dab786d570d566e204.png
我们敲一下回车，步伐退出。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/69e20d56b3984aca9ad08a8273f4208e.png
现在，我们再打开一个新的终端，输入下令netstat -anop | grep 2000查看端口2000的使用情况。我们可以看到端口2000已经被使用。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/6d88eabe74d8421cb33af337118959bc.png
或者，我们可以在第二个终端中运行该步伐。编译器返回bind failed: Address already in use，很好，这表明端口已经被占用，这是我们想要看到的结果。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/4730ac4c84fe49e6899bf4024e146ed1.png
netassist
在这里，向大家安利netassist（网络调试助手），作为我们的客户端。这里我直接使用127.0.0.1（本地回环地址）作为我的远程主机地址。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/21b3bebb64d74300b0bdfc329539b268.png
现在，我们连接已经运行的步伐。可以看到，连接乐成了！
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/74158a255b0249b68ea70ce55c9ba240.png
因为listen实行乐成而且客户端已经连接，现在我们通过netstat查看端口状态。可以看到，产生了一个新的连接状态。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/17272ab63e1a4c04801ef23fe3b4482c.png
既然已经连接上了，那么是否可以发数据？固然可以了！
点击“发送”，看到netassist的右下角的TX从0变为20，表示发送了20字节的数据到server端。可是，我们在server端并没有看到发送的数据，可以确定的是server已经接收到了信息。因为，server端临时不能将接收到的数据打印出来。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/b59a06b416fb42e7a63e3c0f38207b84.png
小总结
[*]端口被绑定后，不能再次绑定。
[*]实行listen，可以通过netstat查看IO状态。
[*]进入listen可以被连接，而且产生新连接状态。
[*]io与tcp连接。P6中，每天生一条信息代表中一个IO。我们现在没有给它分配IO，我们须要使用accept。
第一版服务器
我们要解决几个已知的题目：
[*]为客户端分配IO。
[*]服务器收发数据。
实现思路
#include <errno.h>#include <netinet/in.h>#include <stdio.h>#include <string.h>#include <sys/socket.h>int main(){ int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in sevaddr; sevaddr.sin_family = AF_INET; sevaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); sevaddr.sin_port = htons(2000); if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&sevaddr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) { printf("bind failed: %s\n", strerror(errno)); return -1; } listen(sockfd, 10);
printf("listen finished: %d\n",sockfd); struct sockaddr clientaddr; socklen_t len = sizeof(clientaddr); printf("accept:\n"); int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len); printf("accept finished\n"); char buffer = { 0 }; int count = recv(clientfd, buffer, 1024, 0); printf("RECV: %s\n", buffer); count = send(clientfd, buffer, 1024, 0); printf("SEND: %d\n", count); getchar(); printf("exit\n"); return 0;} 我们使用accept函数等候客户端的连接，使用recv接收客户端发送的数据。
我们先编译运行这段代码。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/44a643001fae4a47830e70a70ebd5990.png
现在可以看到，不管我们敲击多少次回车，步伐依旧处于阻塞的状态。那么步伐阻塞在那里呢？
真相就是——int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);，现在步伐等候着客户端的连接。
我们现在举行连接。可以看到，步伐已经跑出了accept的阻塞。现在收到来自recv的阻塞。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/beea80c73b394916b71ddcc4d920c539.png当步伐收到来自accept的阻塞时，我们可以看到tcp连接状态只有一个。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/f36ef3d9b90949f48c9ddcc3df541db6.png当我们连接server后（阻塞在recv处），tcp连接状态会出现两个。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/fbe36667ef8b4eaf99cf3bcf7d86c44b.png
这表明了，代码中实现的两个fd（sockfd和clientfd）与tcp连接信息是一对一的关系，百万级就有百万个。
出现的题目
当我们打开两个netassist（两个客户端）并连接时，是可以连接的而且产生了新的连接信息。可是，由于只有一对sockfd和clientfd，新的客户端并不能举行通信。
第二版服务器
既然要连接多个客户端，是否可以加进循环？可以。
while(1){
printf("accept:\n");
int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
printf("accept finished\n");
char buffer = { 0 };
int count = recv(clientfd, buffer, 1024, 0);
printf("RECV: %s\n", buffer);
count = send(clientfd, buffer, 1024, 0);
printf("SEND: %d\n", count);
}
现在，我们运行后，打开三个客户端，依次（按照1，2，3的次序）举行连接而且发送。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/e81e0e3b53404c9499107babf417175d.png
可是这里有致命的题目！当我们依次（按照1，2，3的次序）连接不发送时，这时我们必须按照1，2，3的次序才气发送乐成。这样就酿成了只要前一个不接收到数据，后面的都接收不到。
原因很简朴，就是代码逻辑的题目。当我们依次点击连接后，第一个已经实行完accept函数，而后面两个阻塞在accept处且已经建立连接，但是并没有实行accept。第一个客户端阻塞在recv处，现在只有第一个发送数据并接收回发数据，后面的才气举行。这就扳连到了多路IO（多个客户端）怎么及时响应。
第三版服务器
使用线程
为了避免阻塞在recv处，我们为每一个客户端开一个线程。
void* client_pthread(void* arg)
{
int clientfd = *(int*)arg;
// 这里的循环是为了让同一个客户端收发多次数据
while (1) {
char buffer = { 0 };
int count = recv(clientfd, buffer, 1024, 0);
printf("RECV: %s\n", buffer);
count = send(clientfd, buffer, count, 0);
printf("SEND: %d\n", count);
}
}
......
while (1) {
printf("accept\n");
int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
printf("accept finished: %d\n", clientfd);
pthread_t thid;
pthread_create(&thid, NULL, client_pthread, &clientfd);
}
......
这样我们就可以解决recv阻塞的题目了。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/4a1a70694d674dc78c4a712306d03b2a.png
解决题目
上面的代码已经可以完成多个客户端独立地发送接收数据，可是还不敷完善。当我们断开连接时，步伐会不停跑，而且CPU占用率极高。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/a2c4624ecb09434db8dde7114671ea81.png
出现这个征象的原因，是因为我们没有处理客户端断开的代码。现在我们仔细看上图，断开之后server返回的count值为0，证实当我们断开时，recv返回0。现在我们加入断开处理代码。
void* client_pthread(void* arg)
{
int clientfd = *(int*)arg;
// 这里的循环是为了让同一个客户端收发多次数据
while (1) {
char buffer = { 0 };
int count = recv(clientfd, buffer, 1024, 0);
printf("RECV: %s\n", buffer);
if (count == 0) { // disconnect
printf("client disconnect: %d\n", clientfd);
close(clientfd);
break;
}
count = send(clientfd, buffer, count, 0);
printf("SEND: %d\n", count);
}
}
运行一下：
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/c521e76e95f94ba8a640d1268c1582e1.png
可以看到已经可以正常地断开连接，而且返回对应的clientfd。
关于fd
从上图可以知道，fd的值是递增的。当步伐从入口函数main进入时，遇到的第一个fd（sockfd），给它赋值为3。哎，0、1、2在那里呢？来看下图，当我们实行ls /dev/fd时，可以看到0、1、2被占用，再依次实行ls /dev/stdin -l、ls /dev/stdout -l、ls /dev/stderr -l,可以看到0、1、2分别被标准输入、标准输出、标准错误输出占用；而3被网络连接占用。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/c09a473e4d4746c3be15d554e4b2b85d.png
那么，不停递增数量是否是有限的呢？答案是肯定的。运行ulimit -a看一下，可以看到open files的数量是有限的，所以，IO的数量也是有限的。IO也是fd。这里就可以明确Linux 一切皆文件（Linux操纵全部设备一切皆文件形貌符）了吧。操纵文件是文件，操纵socket是文件，操纵定时器也是文件。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/c428cfe4df614f698c6e784ee49c24f7.png
现在再来观察一个征象，当我们断开clientfd后，又再次建立连接，体系会分配一个新的fd值：7，4被接纳了；我们现在又断开，等一段时间又连接，可以看到体系又分配了4。那又须要等候多长时间呢？等候TIME_WAIT，而这个时间是可以设置的。
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/758149302d2b4b1aa25abd926b96b141.png
总结
至此，“一哀求一线程”方式的server已经实现完成。在开篇我们提到这种形式的server已经被淘汰，它有优点也有缺点。
优点：实现简朴。
缺点：不利于并发。线程的并发量就等于客户端的数量，大大占用了资源。
这样我们就引入了IO多路复用。（后面会写）
附件
#include <errno.h>#include <netinet/in.h>#include <pthread.h>#include <stdio.h>#include <string.h>#include <sys/socket.h>#include <unistd.h>void* client_pthread(void* arg)
{
int clientfd = *(int*)arg;
// 这里的循环是为了让同一个客户端收发多次数据
while (1) {
char buffer = { 0 };
int count = recv(clientfd, buffer, 1024, 0);
printf("RECV: %s\n", buffer);
if (count == 0) { // disconnect
printf("client disconnect: %d\n", clientfd);
close(clientfd);
break;
}
count = send(clientfd, buffer, count, 0);
printf("SEND: %d\n", count);
}
}
int main(){ int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in servaddr; servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); servaddr.sin_port = htons(2000); if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) { printf("bind failed: %s\n", strerror(errno)); return -1; } listen(sockfd, 10);
printf("listen finished: %d\n", sockfd); struct sockaddr_in clientaddr; socklen_t len = sizeof(clientaddr);//第一版#if 0 printf("accept\n"); int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len); printf("accept finished\n"); char buffer = { 0 }; int count = recv(clientfd, buffer, 1024, 0); printf("RECV: %s\n", buffer); send(clientfd, buffer, count, 0); printf("SEND: %d\n", count);//第二版#elif 0 while (1) { printf("accept\n"); int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len); printf("accept finished\n"); char buffer = { 0 }; int count = recv(clientfd, buffer, 1024, 0); printf("RECV: %s\n", buffer); send(clientfd, buffer, count, 0); printf("SEND: %d\n", count); }//第三版#else while (1) { printf("accept\n"); int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len); printf("accept finished: %d\n", clientfd); pthread_t thid; pthread_create(&thid, NULL, client_pthread, &clientfd); }#endif getchar(); printf("exit\n"); return 0;} （欢迎勘误）
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