利用多进程和多线程实现服务器并发【C语言实现】

在TCP通信过程中，服务器端启动之后可以同时和多个客户端建立连接，并进行网络通信，但是在一个单进程的服务器的时间，提供的服务器代码却不能完成如许的需求，先简单的看一下之前的服务器代码的处理思路，再来分析代码中的弊端：

1. // server.c
2. #include <stdio.h>
3. #include <stdlib.h>
4. #include <unistd.h>
5. #include <string.h>
6. #include <arpa/inet.h>
8. int main()
9. {
10.     // 1. 创建监听的套接字
11.     int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
12.     // 2. 将socket()返回值和本地的IP端口绑定到一起
13.     struct sockaddr_in addr;
14.     addr.sin_family = AF_INET;
15.     addr.sin_port = htons(10000);   // 大端端口
16.     // INADDR_ANY代表本机的所有IP, 假设有三个网卡就有三个IP地址
17.     // 这个宏可以代表任意一个IP地址
18.     addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 这个宏的值为0 == 0.0.0.0
19.     int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
20.     // 3. 设置监听
21.     ret = listen(lfd, 128);
22.     // 4. 阻塞等待并接受客户端连接
23.     struct sockaddr_in cliaddr;
24.     int clilen = sizeof(cliaddr);
25.     int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &clilen);
26.     // 5. 和客户端通信
27.     while(1)
28.     {
29.         // 接收数据
30.         char buf[1024];
31.         memset(buf, 0, sizeof(buf));
32.         int len = read(cfd, buf, sizeof(buf));
33.         if(len > 0)
34.         {
35.             printf("客户端say: %s\n", buf);
36.             write(cfd, buf, len);
37.         }
38.         else if(len  == 0)
39.         {
40.             printf("客户端断开了连接...\n");
41.             break;
42.         }
43.         else
44.         {
45.             perror("read");
46.             break;
47.         }
48.     }
49.     close(cfd);
50.     close(lfd);
51.     return 0;
52. }

复制代码

在上面的代码中用到了三个会引起步伐阻塞的函数，分别是：

• accept()：如果服务器端没有新客户端连接，阻塞当前进程/线程，如果检测到新连接排除阻塞，建立连接
  
• read()：如果通信的套接字对应的读缓冲区没有数据，阻塞当前进程/线程，检测到数据排除阻塞，接收数据
  
• write()：如果通信的套接字写缓冲区被写满了，阻塞当前进程/线程（这种环境比较少见）
  

如果需要和发起新的连接请求的客户端建立连接，那么就必须在服务器端通过一个循环调accept()函数，别的已经和服务器建立连接的客户端需要和服务器通信，发送数据时的阻塞可以忽略，当接收不到数据时步伐也会被阻塞，这时间就会非常矛盾，被accept()阻塞就无法通信，被read()阻塞就无法和客户端建立新连接。因此得出一个结论，基于上述处理方式，在单线程/单进程场景下，服务器是无法处理多连接的，解决方案也有许多，常用的有三种：

• 利用多线程实现
  
• 利用多进程实现
  
• 利用IO多路转接（复用）实现
  
• 利用IO多路转接 + 多线程实现
  

1.利用多进程实现并发服务器

如果要编写多进程版的并发服务器步伐，首先要考虑，创建出的多个进程都是什么角色，如许就可以在步伐中对号入座了。在Tcp服务器端一共有两个角色，分别是：监听和通信，监听是一个持续的动作，如果有新连接就建立连接，如果没有新连接就阻塞。关于通信是需要和多个客户端同时进行的，因此需要多个进程，如许才能达到互不影响的效果。进程也有两大类：父进程和子进程，通太过析我们可以如许分配进程：

• 父进程：
  
• 负责监听，处理客户端的连接请求，也就是在父进程中循环调用accept()函数
  
• 创建子进程：建立一个新的连接，就创建一个新的子进程，让这个子进程和对应的客户端通信
  
• 接纳子进程资源：子进程退出接纳其内核PCB资源，防止出现僵尸进程
  
• 子进程：负责通信，基于父进程建立新连接之后得到的文件形貌符，和对应的客户端完成数据的接收和发送。
  
• 发送数据：send() / write()
  
• 接收数据：recv() / read()
  

在多进程版的服务器端步伐中，多个进程是有血缘关系，对应有血缘关系的进程来说，还需要想明确他们有哪些资源是可以被继续的，哪些资源是独占的，以及一些其他细节：

• 子进程是父进程的拷贝，在子进程的内核区PCB中，文件形貌符也是可以被拷贝的，因此在父进程可以利用的文件形貌符在子进程中也有一份，而且可以利用它们做和父进程一样的事变。
  
• 父子进程有用各自的独立的虚拟地址空间，因此所有的资源都是独占的
  
• 为了节流体系资源，对于只有在父进程才能用到的资源，可以在子进程中将其释放掉，父进程亦如此。
  
• 由于需要在父进程中做accept()操作，而且要释放子进程资源，如果想要更高效一下可以利用信号的方式处理
  

详细实现

下面是一个利用多进程实现的并发 TCP 服务器的示例代码，包含详细解释。

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <unistd.h>
5. #include <arpa/inet.h>
6. #include <netinet/in.h>
7. #include <sys/types.h>
8. #include <sys/socket.h>
9. #include <sys/wait.h>
10. #include <signal.h>
11. #include <ctype.h>
13. // 处理SIGCHLD信号，避免僵尸进程
14. void sigchld_handler(int signo) {
15.     while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0); //表示非阻塞地等待任意子进程终止。-1 表示等待任何子进程，NULL 表示不需要子进程的退出状态，WNOHANG 表示非阻塞。
16. }
18. // 处理客户端通信
19. void handle_client(int cfd) {
20.     char buf[1024];
21.     int n;
22.     while ((n = read(cfd, buf, sizeof(buf))) > 0) {
23.         for (int i = 0; i < n; i++) {
24.             buf[i] = toupper(buf[i]);
25.         }
26.         write(cfd, buf, n);
27.     }
28.     close(cfd);
29. }
31. int main() {
32.     // 创建监听套接字
33.     int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
34.     if (lfd < 0) {
35.         perror("socket error");
36.         return -1;
37.     }
39.     // 绑定套接字
40.     struct sockaddr_in serv;
41.     bzero(&serv, sizeof(serv));
42.     serv.sin_family = AF_INET;
43.     serv.sin_port = htons(8888);
44.     serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
45.     if (bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv, sizeof(serv)) < 0) {
46.         perror("bind error");
47.         return -1;
48.     }
50.     // 监听连接请求
51.     listen(lfd, 3); //backlog 参数限制的是等待被 accept 的已完成连接的队列长度，而不是服务器可以处理的总客户端连接数。
53.     // 设置SIGCHLD信号处理
54.     struct sigaction sa;
55.     sa.sa_handler = sigchld_handler;
56.     sigemptyset(&sa.sa_mask);           // 初始化信号屏蔽字为空。
57.     sa.sa_flags = SA_RESTART;           //设置信号处理之后自动重新启动被信号打断的系统调用。
58.     if (sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL) < 0) {
59.         perror("sigaction error");
60.         return -1;
61.     }
63.     while (1) {
64.         struct sockaddr_in client;
65.         socklen_t len = sizeof(client);
66.         int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&client, &len);
67.         if (cfd < 0) {
68.             perror("accept error");
69.             continue;
70.         }
72.         // 打印客户端连接信息
73.         char sIP[16];
74.         memset(sIP, 0x00, sizeof(sIP));
75.         printf("Client connected: IP [%s], PORT [%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client.sin_addr.s_addr, sIP, sizeof(sIP)), ntohs(client.sin_port));
77.         pid_t pid = fork();
78.         if (pid == 0) { // 子进程
79.             close(lfd); // 子进程关闭监听套接字
80.             handle_client(cfd); // 处理客户端通信
81.             printf("Client disconnected: IP [%s], PORT [%d]\n", inet_ntop(AF_INET, &client.sin_addr.s_addr, sIP, sizeof(sIP)), ntohs(client.sin_port));
82.             exit(0); // 子进程处理完成后退出
83.         } else if (pid > 0) { // 父进程
84.             close(cfd); // 父进程关闭与客户端通信的套接字
85.         } else {
86.             perror("fork error");
87.             close(cfd);
88.         }
89.     }
91.     close(lfd);
92.     return 0;
93. }

复制代码

在上面的示例代码中，父子进程中分别关掉了用不到的文件形貌符（父进程不需要通信，子进程也不需要监听）。如果客户端自动断开连接，那么服务器端负责和客户端通信的子进程也就退出了，子进程退出之后会给父进程发送一个叫做SIGCHLD的信号，在父进程中通过sigaction()函数捕捉了该信号，通过回调函数callback()中的waitpid()对退出的子进程进行了资源接纳。
如果父进程调用accept() 函数没有检测到新的客户端连接，父进程就阻塞在这儿了，这时间有子进程退出了，发送信号给父进程，父进程就捕捉到了这个信号SIGCHLD， 由于信号的优先级很高，会打断代码正常的执行流程，因此父进程的阻塞被中断，转而行止理这个信号对应的函数callback()，处理完毕，再次回到accept()位置，但是这是已经无法阻塞了，函数直接返回-1，此时函数调用失败，错误形貌为accept: Interrupted system call，对应的错误号为EINTR，由于代码是被信号中断导致的错误，所以可以在步伐中对这个错误号进行判断，让父进程重新调用accept()，继续阻塞大概接受客户端的新连接。
2.利用多线程实现并发服务器

编写多线程版的并发服务器步伐和多进程思路差不多，考虑明确了对号入座即可。多线程中的线程有两大类：主线程（父线程）和子线程，他们分别要在服务器端处理监听和通信流程。根据多进程的处理思路，就可以如许计划了：

• 主线程：
  
• 负责监听，处理客户端的连接请求，也就是在父进程中循环调用accept()函数
  
• 创建子线程：建立一个新的连接，就创建一个新的子进程，让这个子进程和对应的客户端通信
  
• 接纳子线程资源：由于接纳需要调用阻塞函数，如许就会影响accept()，直接做线程分离即可。
  
• 子线程：负责通信，基于主线程建立新连接之后得到的文件形貌符，和对应的客户端完成数据的接收和发送。
  
• 发送数据：send() / write()
  
• 接收数据：recv() / read()
  

在多线程版的服务器端步伐中，多个线程共用同一个地址空间，有些数据是共享的，有些数据的独占的，下面来分析一些此中的一些细节：

• 同一地址空间中的多个线程的栈空间是独占的
  
• 多个线程共享全局数据区，堆区，以及内核区的文件形貌符等资源，因此需要留意数据覆盖题目，而且在多个线程访问共享资源的时间，还需要进行线程同步。
  

示例代码：

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <unistd.h>
5. #include <arpa/inet.h>
6. #include <netinet/in.h>
7. #include <pthread.h>
8. #include <ctype.h>
10. // 处理客户端通信的函数
11. void *handle_client(void *arg) {
12.     int cfd = *(int *)arg;
13.     free(arg);
15.     struct sockaddr_in client_addr;
16.     socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
17.     //getpeername 函数获取与套接字 cfd 关联的远程（客户端）地址信息，并将其存储在 client_addr 结构体中。
18.     getpeername(cfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);   
20.     char client_ip[INET_ADDRSTRLEN];
21.     inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, client_ip, sizeof(client_ip));
22.     int client_port = ntohs(client_addr.sin_port);
24.     printf("Client connected: IP [%s], PORT [%d], FD [%d]\n", client_ip, client_port, cfd);
26.     char buf[1024];
27.     int n;
29.     while ((n = read(cfd, buf, sizeof(buf))) > 0) {
30.         for (int i = 0; i < n; i++) {
31.             buf[i] = toupper(buf[i]);
32.         }
33.         write(cfd, buf, n);
34.     }
36.     printf("Client disconnected: IP [%s], PORT [%d], FD [%d]\n", client_ip, client_port, cfd);
37.     close(cfd);
38.     return NULL;
39. }
41. int main() {
42.     // 创建监听套接字
43.     int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
44.     if (lfd < 0) {
45.         perror("socket error");
46.         return -1;
47.     }
49.     // 绑定套接字
50.     struct sockaddr_in serv_addr;
51.     bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));
52.     serv_addr.sin_family = AF_INET;
53.     serv_addr.sin_port = htons(8888);
54.     serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
56.     if (bind(lfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
57.         perror("bind error");
58.         close(lfd);
59.         return -1;
60.     }
62.     // 监听连接请求
63.     if (listen(lfd, 5) < 0) {
64.         perror("listen error");
65.         close(lfd);
66.         return -1;
67.     }
69.     while (1) {
70.         struct sockaddr_in client_addr;
71.         socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
72.         int *cfd = malloc(sizeof(int));     //每次新建一个int类型的变量，保存不同的通信套接字
73.         *cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
74.         if (*cfd < 0) {
75.             perror("accept error");
76.             free(cfd);
77.             continue;
78.         }
80.         // 创建线程处理客户端请求
81.         pthread_t tid;
82.         pthread_attr_t attr;
83.         pthread_attr_init(&attr);
84.         pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); // 设置线程分离属性
86.         if (pthread_create(&tid, &attr, handle_client, cfd) != 0) {
87.             perror("pthread_create error");
88.             close(*cfd);
89.             free(cfd);
90.         }
92.         pthread_attr_destroy(&attr);
93.     }
95.     close(lfd);
96.     return 0;
97. }

复制代码

客户端：

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <unistd.h>
5. #include <arpa/inet.h>
6. #include <sys/socket.h>
8. #define PORT 8888
9. #define BUFFER_SIZE 1024
10. #define SERVER_IP "127.0.0.1"
12. int main() {
13.     int sock = 0, valread;
14.     struct sockaddr_in serv_addr;
15.     char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
16.     char input_buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
17.     char *hello = "Hello from client";
18.     int opt = 1;
20.     // 创建 TCP 套接字
21.     if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
22.         perror("socket creation failed");
23.         return -1;
24.     }
26.     // 设置服务器地址结构
27.     serv_addr.sin_family = AF_INET;
28.     serv_addr.sin_port = htons(PORT);
30.     // 将 IPv4 地址从文本转换为二进制形式
31.     if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
32.         perror("Invalid address/ Address not supported");
33.         return -1;
34.     }
36.     // 连接服务器
37.     if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
38.         perror("Connection Failed");
39.         return -1;
40.     }
42.     printf("Connected to server\n");
44.     // 循环发送消息并接收响应
45.     while (1) {
46.         printf("Enter message to send (or 'exit' to quit): ");
47.         fgets(input_buffer, BUFFER_SIZE, stdin);
49.         // 去掉输入的换行符
50.         input_buffer[strcspn(input_buffer, "\n")] = 0;
52.         // 如果输入是 'exit'，则退出循环
53.         if (strcmp(input_buffer, "exit") == 0) {
54.             break;
55.         }
57.         // 发送消息给服务器
58.         send(sock, input_buffer, strlen(input_buffer), 0);
59.         printf("Message sent to server: %s\n", input_buffer);
61.         // 接收服务器的响应
62.         valread = read(sock, buffer, BUFFER_SIZE);
63.         printf("Server response: %s\n", buffer);
64.         memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
65.     }
67.     close(sock);
68.     return 0;
69. }

复制代码

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