Linux 网络编程——并发服务器的三种实现模型
2024-04-21 18:45:43
服务器设计技术有很多，按使用的协议来分有 TCP 服务器和 UDP 服务器，按处理方式来分有循环服务器和并发服务器。
循环服务器与并发服务器模型
在网络程序里面，一般来说都是许多客户对应一个服务器（多对一），为了处理客户的请求，对服务端的程序就提出了特殊的要求。
目前最常用的服务器模型有：
·循环服务器：服务器在同一时刻只能响应一个客户端的请求
·并发服务器：服务器在同一时刻可以响应多个客户端的请求
UDP 循环服务器的实现方法
UDP 循环服务器每次从套接字上读取一个客户端的请求 -> 处理 -> 然后将结果返回给客户机。
因为 UDP 是非面向连接的，没有一个客户端可以老是占住服务端。只要处理过程不是死循环，或者耗时不是很长，服务器对于每一个客户机的请求在某种程度上来说是能够满足。
UDP 循环服务器模型为：
socket(...); // 创建套接字 bind(...); // 绑定while(1) {recvfrom(...); // 接收客户端的请求process(...); // 处理请求sendto(...); // 反馈处理结果 }
示例代码如下：
#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 argc, char *argv[])
{unsigned short port = 8080; // 本地端口int sockfd;sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建udp套接字if(sockfd < 0){perror("socket");exit(-1);}// 初始化本地网络信息struct sockaddr_in my_addr;bzero(&my_addr, sizeof(my_addr)); // 清空my_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4my_addr.sin_port = htons(port); // 端口my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // ipprintf("Binding server to port %d\n", port);// 绑定int err_log;err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr));if(err_log != 0){perror("bind");close(sockfd); exit(-1);}printf("receive data...\n");while(1){int recv_len;char recv_buf[512] = {0};struct sockaddr_in client_addr;char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = "";//INET_ADDRSTRLEN=16socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr);// 接收客户端数据recv_len = recvfrom(sockfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);// 处理数据，这里只是把接收过来的数据打印inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);printf("\nip:%s ,port:%d\n",cli_ip, ntohs(client_addr.sin_port)); // 客户端的ipprintf("data(%d):%s\n",recv_len,recv_buf); // 客户端的数据// 反馈结果，这里把接收直接到客户端的数据回复过去sendto(sockfd, recv_buf, recv_len, 0, (struct sockaddr*)&client_addr, cliaddr_len);}close(sockfd);return 0;
}运行结果如下：
TCP 循环服务器的实现方法
TCP 循环服务器接受一个客户端的连接，然后处理，完成了这个客户的所有请求后，断开连接。TCP 循环服务器一次只能处理一个客户端的请求，只有在这个客户的所有请求满足后，服务器才可以继续后面的请求。如果有一个客户端占住服务器不放时，其它的客户机都不能工作了，因此，TCP 服务器一般很少用循环服务器模型的。
TCP循环服务器模型为：
socket(...);// 创建套接字 bind(...);// 绑定 listen(...);// 监听while(1) {accept(...);// 取出客户端的请求连接process(...);// 处理请求，反馈结果close(...);// 关闭连接套接字：accept()返回的套接字 }
示例代码如下：
#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 argc, char *argv[])
{unsigned short port = 8080; // 本地端口 // 创建tcp套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(sockfd < 0){perror("socket");exit(-1);}// 配置本地网络信息struct sockaddr_in my_addr;bzero(&my_addr, sizeof(my_addr)); // 清空 my_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4my_addr.sin_port = htons(port); // 端口my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // ip// 绑定int err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr));if( err_log != 0){perror("binding");close(sockfd); exit(-1);}// 监听，套接字变被动err_log = listen(sockfd, 10); if(err_log != 0){perror("listen");close(sockfd); exit(-1);} printf("listen client @port=%d...\n",port);while(1){ struct sockaddr_in client_addr; char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = ""; socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr); // 取出客户端已完成的连接int connfd;connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len); if(connfd < 0){perror("accept");continue;}// 打印客户端的ip和端口inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);printf("----------------------------------------------\n");printf("client ip=%s,port=%d\n", cli_ip,ntohs(client_addr.sin_port));// 接收数据char recv_buf[512] = {0};int len = recv(connfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0);// 处理数据，这里只是打印接收到的内容printf("\nrecv data:\n");printf("%s\n",recv_buf);// 反馈结果send(connfd, recv_buf, len, 0);close(connfd); //关闭已连接套接字printf("client closed!\n");}close(sockfd); //关闭监听套接字return 0;
}
运行结果如下：
三种并发服务器实现方法
一个好的服务器,一般都是并发服务器（同一时刻可以响应多个客户端的请求）。并发服务器设计技术一般有：多进程服务器、多线程服务器、I/O复用服务器等。
多进程并发服务器
在 Linux 环境下多进程的应用很多,其中最主要的就是网络/客户服务器。多进程服务器是当客户有请求时，服务器用一个子进程来处理客户请求。父进程继续等待其它客户的请求。这种方法的优点是当客户有请求时，服务器能及时处理客户，特别是在客户服务器交互系统中。对于一个 TCP 服务器,客户与服务器的连接可能并不马上关闭，可能会等到客户提交某些数据后再关闭，这段时间服务器端的进程会阻塞，所以这时操作系统可能调度其它客户服务进程，这比起循环服务器大大提高了服务性能。
TCP多进程并发服务器
TCP 并发服务器的思想是每一个客户机的请求并不由服务器直接处理，而是由服务器创建一个子进程来处理。
示例代码如下：
#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 argc, char *argv[])
{unsigned short port = 8080; // 本地端口 // 创建tcp套接字int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(sockfd < 0){perror("socket");exit(-1);}// 配置本地网络信息struct sockaddr_in my_addr;bzero(&my_addr, sizeof(my_addr)); // 清空 my_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4my_addr.sin_port = htons(port); // 端口my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // ip// 绑定int err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr));if( err_log != 0){perror("binding");close(sockfd); exit(-1);}// 监听，套接字变被动err_log = listen(sockfd, 10); if(err_log != 0){perror("listen");close(sockfd); exit(-1);}while(1) //主进程 循环等待客户端的连接{char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = {0};struct sockaddr_in client_addr;socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr);// 取出客户端已完成的连接int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);if(connfd < 0){perror("accept");close(sockfd);exit(-1);}pid_t pid = fork();if(pid < 0){perror("fork");_exit(-1);}else if(0 == pid){ //子进程 接收客户端的信息，并发还给客户端/*关闭不需要的套接字可节省系统资源，同时可避免父子进程共享这些套接字可能带来的不可预计的后果*/close(sockfd); // 关闭监听套接字，这个套接字是从父进程继承过来char recv_buf[1024] = {0};int recv_len = 0;// 打印客户端的 ip 和端口memset(cli_ip, 0, sizeof(cli_ip)); // 清空inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);printf("----------------------------------------------\n");printf("client ip=%s,port=%d\n", cli_ip,ntohs(client_addr.sin_port));// 接收数据while( (recv_len = recv(connfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0)) > 0 ){printf("recv_buf: %s\n", recv_buf); // 打印数据send(connfd, recv_buf, recv_len, 0); // 给客户端回数据}printf("client closed!\n");close(connfd); //关闭已连接套接字exit(0);}else if(pid > 0){ // 父进程close(connfd); //关闭已连接套接字}}close(sockfd);return 0;
}运行结果如下：
多线程服务器
多线程服务器是对多进程的服务器的改进，由于多进程服务器在创建进程时要消耗较大的系统资源，所以用线程来取代进程，这样服务处理程序可以较快的创建。据统计，创建线程与创建进程要快 10100 倍，所以又把线程称为“轻量级”进程。线程与进程不同的是：一个进程内的所有线程共享相同的全局内存、全局变量等信息，这种机制又带来了同步问题。
以下是多线程服务器模板:
示例代码如下：
#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>/************************************************************************
函数名称： void *client_process(void *arg)
函数功能： 线程函数,处理客户信息
函数参数： 已连接套接字
函数返回： 无
************************************************************************/
void *client_process(void *arg)
{int recv_len = 0;char recv_buf[1024] = ""; // 接收缓冲区int connfd = (int)arg; // 传过来的已连接套接字// 接收数据while((recv_len = recv(connfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0)) > 0){printf("recv_buf: %s\n", recv_buf); // 打印数据send(connfd, recv_buf, recv_len, 0); // 给客户端回数据}printf("client closed!\n");close(connfd); //关闭已连接套接字return NULL;
}//===============================================================
// 语法格式： void main(void)
// 实现功能： 主函数，建立一个TCP并发服务器
// 入口参数： 无
// 出口参数： 无
//===============================================================
int main(int argc, char *argv[])
{int sockfd = 0; // 套接字int connfd = 0;int err_log = 0;struct sockaddr_in my_addr; // 服务器地址结构体unsigned short port = 8080; // 监听端口pthread_t thread_id;printf("TCP Server Started at port %d!\n", port);sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建TCP套接字if(sockfd < 0){perror("socket error");exit(-1);}bzero(&my_addr, sizeof(my_addr)); // 初始化服务器地址my_addr.sin_family = AF_INET;my_addr.sin_port = htons(port);my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);printf("Binding server to port %d\n", port);// 绑定err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr));if(err_log != 0){perror("bind");close(sockfd); exit(-1);}// 监听，套接字变被动err_log = listen(sockfd, 10);if( err_log != 0){perror("listen");close(sockfd); exit(-1);}printf("Waiting client...\n");while(1){char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = ""; // 用于保存客户端IP地址struct sockaddr_in client_addr; // 用于保存客户端地址socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr); // 必须初始化!!!//获得一个已经建立的连接 connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len); if(connfd < 0){perror("accept this time");continue;}// 打印客户端的 ip 和端口inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);printf("----------------------------------------------\n");printf("client ip=%s,port=%d\n", cli_ip,ntohs(client_addr.sin_port));if(connfd > 0){//由于同一个进程内的所有线程共享内存和变量，因此在传递参数时需作特殊处理，值传递。pthread_create(&thread_id, NULL, (void *)client_process, (void *)connfd); //创建线程pthread_detach(thread_id); // 线程分离，结束时自动回收资源}}close(sockfd);return 0;
}
运行结果如下：
注意，上面例子给线程传参有很大的局限性，最简单的一种情况，如果我们需要给线程传多个参数，这时候我们需要结构体传参，这种值传递编译都通不过，这里之所以能够这么值传递，是因为， int 长度时 4 个字节， void * 长度也是 4 个字节。
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);
pthread_create(&thread_id, NULL, (void *)client_process, (void *)connfd); 如果考虑类型匹配的话，应该是这么传参，pthread_create()最后一个参数应该传地址（ &connfd ），而不是值：
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);
pthread_create(&thread_id, NULL, (void *)client_process, (void *)&connfd); 但是，如果按地址传递的话，又会有这么一个问题，假如有多个客户端要连接这个服务器，正常的情况下，一个客户端连接对应一个 connfd，相互之间独立不受影响，但是，假如多个客户端同时连接这个服务器，A 客户端的连接套接字为 connfd，服务器正在用这个 connfd 处理数据，还没有处理完，突然来了一个 B 客户端，accept()之后又生成一个 connfd, 因为是地址传递， A 客户端的连接套接字也变成 B 这个了，这样的话，服务器肯定不能再为 A 客户端服务器了，这时候，我们就需要考虑多任务的互斥或同步问题了，这里通过互斥锁来解决这个问题，确保这个connfd值被一个临时变量保存过后，才允许修改。
#include <pthread.h>pthread_mutex_t mutex; // 定义互斥锁，全局变量pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁，互斥锁默认是打开的// 上锁，在没有解锁之前，pthread_mutex_lock()会阻塞
pthread_mutex_lock(&mutex);
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);//给回调函数传的参数，&connfd，地址传递
pthread_create(&thread_id, NULL, (void *)client_process, (void *)&connfd); //创建线程// 线程回调函数
void *client_process(void *arg)
{int connfd = *(int *)arg; // 传过来的已连接套接字// 解锁，pthread_mutex_lock()唤醒，不阻塞pthread_mutex_unlock(&mutex); return NULL;
}修改的完整代码如下：
#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>pthread_mutex_t mutex; // 定义互斥锁，全局变量/************************************************************************
函数名称： void *client_process(void *arg)
函数功能： 线程函数,处理客户信息
函数参数： 已连接套接字
函数返回： 无
************************************************************************/
void *client_process(void *arg)
{int recv_len = 0;char recv_buf[1024] = ""; // 接收缓冲区int connfd = *(int *)arg; // 传过来的已连接套接字// 解锁，pthread_mutex_lock()唤醒，不阻塞pthread_mutex_unlock(&mutex); // 接收数据while((recv_len = recv(connfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0)) > 0){printf("recv_buf: %s\n", recv_buf); // 打印数据send(connfd, recv_buf, recv_len, 0); // 给客户端回数据}printf("client closed!\n");close(connfd); //关闭已连接套接字return NULL;
}//===============================================================
// 语法格式： void main(void)
// 实现功能： 主函数，建立一个TCP并发服务器
// 入口参数： 无
// 出口参数： 无
//===============================================================
int main(int argc, char *argv[])
{int sockfd = 0; // 套接字int connfd = 0;int err_log = 0;struct sockaddr_in my_addr; // 服务器地址结构体unsigned short port = 8080; // 监听端口pthread_t thread_id;pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁，互斥锁默认是打开的printf("TCP Server Started at port %d!\n", port);sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建TCP套接字if(sockfd < 0){perror("socket error");exit(-1);}bzero(&my_addr, sizeof(my_addr)); // 初始化服务器地址my_addr.sin_family = AF_INET;my_addr.sin_port = htons(port);my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);printf("Binding server to port %d\n", port);// 绑定err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr));if(err_log != 0){perror("bind");close(sockfd); exit(-1);}// 监听，套接字变被动err_log = listen(sockfd, 10);if( err_log != 0){perror("listen");close(sockfd); exit(-1);}printf("Waiting client...\n");while(1){char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = ""; // 用于保存客户端IP地址struct sockaddr_in client_addr; // 用于保存客户端地址socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr); // 必须初始化!!!// 上锁，在没有解锁之前，pthread_mutex_lock()会阻塞pthread_mutex_lock(&mutex); //获得一个已经建立的连接 connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len); if(connfd < 0){perror("accept this time");continue;}// 打印客户端的 ip 和端口inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);printf("----------------------------------------------\n");printf("client ip=%s,port=%d\n", cli_ip,ntohs(client_addr.sin_port));if(connfd > 0){//给回调函数传的参数，&connfd，地址传递pthread_create(&thread_id, NULL, (void *)client_process, (void *)&connfd); //创建线程pthread_detach(thread_id); // 线程分离，结束时自动回收资源}}close(sockfd);return 0;
}I/O复用服务器
I/O 复用技术是为了解决进程或线程阻塞到某个 I/O 系统调用而出现的技术，使进程不阻塞于某个特定的 I/O 系统调用。它也可用于并发服务器的设计，常用函数 select() 或 epoll() 来实现。详情，请看《select、poll、epoll的区别使用》。
socket(...); // 创建套接字 bind(...); // 绑定 listen(...); // 监听while(1) {if(select(...) > 0) // 检测监听套接字是否可读{if(FD_ISSET(...)>0) // 套接字可读，证明有新客户端连接服务器 {accpet(...);// 取出已经完成的连接process(...);// 处理请求，反馈结果}}close(...); // 关闭连接套接字：accept()返回的套接字 }
示例代码如下：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>#define SERV_PORT 8080
#define LIST 20 //服务器最大接受连接
#define MAX_FD 10 //FD_SET支持描述符数量int main(int argc, char *argv[])
{int sockfd;int err;int i;int connfd;int fd_all[MAX_FD]; //保存所有描述符，用于select调用后，判断哪个可读//下面两个备份原因是select调用后，会发生变化，再次调用select前，需要重新赋值fd_set fd_read; //FD_SET数据备份fd_set fd_select; //用于selectstruct timeval timeout; //超时时间备份struct timeval timeout_select; //用于selectstruct sockaddr_in serv_addr; //服务器地址struct sockaddr_in cli_addr; //客户端地址socklen_t serv_len;socklen_t cli_len;//超时时间设置timeout.tv_sec = 10;timeout.tv_usec = 0;//创建TCP套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd < 0){perror("fail to socket");exit(1);}// 配置本地地址memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET; // ipv4serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT); // 端口， 8080serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // ipserv_len = sizeof(serv_addr);// 绑定err = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, serv_len);if(err < 0){perror("fail to bind");exit(1);}// 监听err = listen(sockfd, LIST);if(err < 0){perror("fail to listen");exit(1);}//初始化fd_all数组memset(&fd_all, -1, sizeof(fd_all));fd_all[0] = sockfd; //第一个为监听套接字FD_ZERO(&fd_read); // 清空FD_SET(sockfd, &fd_read); //将监听套接字加入fd_readint maxfd;maxfd = fd_all[0]; //监听的最大套接字while(1){// 每次都需要重新赋值，fd_select，timeout_select每次都会变fd_select = fd_read;timeout_select = timeout;// 检测监听套接字是否可读，没有可读，此函数会阻塞// 只要有客户连接，或断开连接，select()都会往下执行err = select(maxfd+1, &fd_select, NULL, NULL, NULL);//err = select(maxfd+1, &fd_select, NULL, NULL, (struct timeval *)&timeout_select);if(err < 0){perror("fail to select");exit(1);}if(err == 0){printf("timeout\n");}// 检测监听套接字是否可读if( FD_ISSET(sockfd, &fd_select) ){//可读，证明有新客户端连接服务器cli_len = sizeof(cli_addr);// 取出已经完成的连接connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cli_addr, &cli_len);if(connfd < 0){perror("fail to accept");exit(1);}// 打印客户端的 ip 和端口char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = {0};inet_ntop(AF_INET, &cli_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);printf("----------------------------------------------\n");printf("client ip=%s,port=%d\n", cli_ip,ntohs(cli_addr.sin_port));// 将新连接套接字加入 fd_all 及 fd_readfor(i=0; i < MAX_FD; i++){if(fd_all[i] != -1){continue;}else{fd_all[i] = connfd;printf("client fd_all[%d] join\n", i);break;}}FD_SET(connfd, &fd_read);if(maxfd < connfd){maxfd = connfd; //更新maxfd}}//从1开始查看连接套接字是否可读，因为上面已经处理过0（sockfd）for(i=1; i < maxfd; i++){if(FD_ISSET(fd_all[i], &fd_select)){printf("fd_all[%d] is ok\n", i);char buf[1024]={0}; //读写缓冲区int num = read(fd_all[i], buf, 1024);if(num > 0){//收到 客户端数据并打印printf("receive buf from client fd_all[%d] is: %s\n", i, buf);//回复客户端num = write(fd_all[i], buf, num);if(num < 0){perror("fail to write ");exit(1);}else{//printf("send reply\n");}}else if(0 == num){ // 客户端断开时//客户端退出，关闭套接字，并从监听集合清除printf("client:fd_all[%d] exit\n", i);FD_CLR(fd_all[i], &fd_read);close(fd_all[i]);fd_all[i] = -1;continue;}}else {//printf("no data\n"); }}}return 0;
}
运行结果如下：
本教程示例代码下载请点此处。
参考于：http://blog.chinaunix.net
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