linux-并发通信

一.linux-tcp通信框架

1.基础框架

1.1 tcp 服务器框架

1.套接字
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);


返回的文件描述符可以指向当前的socket，后续通过对文件描述符的访问就可以配置这个socket 

成功时返回文件描述符，失败时返回-1。

●domain 套接字中使用的协议族（ProtocolFamily）信息。

●type 套接字数据传输类型信息。（（SOCK_STREAM）---TCP，（SOCKDGRAM）---UDP）

●protocol 计算机间通信中使用的协议信息。  

2.bind 函数

如果把套接字比喻为电话，那么创建套接字只安装了电话机。 接着就要给电话机分配号码的方法，即给套接字分配 IP地址和端口号。就是用的bind函数。 

#include<sys/socket.h>
int bind(int sockfd, struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);

参数一：套接字描述符 sockfd 要分配地址信息（IP地址和端口号）的套接字文件描述符。

参数二：myaddr 存有地址信息的结构体变量地址值 

struct sockaddr   
{  unsigned short sa_family;    //2 char sa_data[14];     //14
};  
struct in_addr
{In_addr_t s_addr; //32 位 IPv4 地址
};struct sockaddr_in{sa_family//地址族（Address Family）sa_family_t sin_family;// //地址族（Address Family）uint16_t sin_port; // 16 位 TCP/UDP 端口号struct in_addr sin_addr; //32 位 IP 地址char sin_zero[8]; //不使用
}

这里我们使用scokaddr_in来配置端口和ip（参数填写更方便），然后转换为socketadrr就行，两个结构体可以互相转换的

参数三：第二个结构体变量的长度

示例配置如下：

struct sockaddr_in addr;
char* serv_ip="211.217.168.13";//声明 IP地址字符串
char * serv_port="9198"; //声明端口号字符串
memset(&addr,0,sizeof(addr);//结构体变量 addr 的所有成员初始化为 0//指定地址族
addr.sin_family =AF_INET;//基于字符串的IP地址初始化
//inet用于将点分十进制的IP地址字符串转换成网络字节顺序（big-endian）的整数表示形式。
addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(serv_ip);//基于字符串的端口号初始化
//atoi字符型转换为整型
addr.sin_port=htons(atoi(serv_port));
3.listen 函数：
#include <sys/socket.h>
int listen(int sock,int backlog);

sock 希望进入等待连接请求状态的套接字文件描述符

  • 传递的描述符套接字参数成为服务器端 套接字（监听套接字）。
  • backlog 连接请求等待队列（Queue）的长度，若为5，则队列长度为5，表示最多使5个连 接请求进入队列。
 4.accept 函数：
#include<sys/socket.h>
int accept(int sock,struct sockaddr * addr, socklen_t*addrlen);

成功时返回创建的套接字文件描述符，失败时返回-1。

  • 参数sock:服务器套接字的文件描述符。
  • 参数addr:保存发起连接请求的客户端地址信息的变量地址值，调用函数后向传递来的地址变量参数填充客户端地址信息。
  • 参数addrlen：第二个参数结构体的长度，但是存有长度的变量地址。函数调用完成后，该变量即被填客户端地址长度。

 accept 函数受理连接请求等待队列中待处理的客户端连接请求。函数调用成功时，accept函数内部将产生用于数据I/O的套接字，并返回其文件描述符。套接字是自动创建的，并自 动与发起连接请求的客户端建立连接。上图展示了accept函数调用过程。

5. tcp 服务端框架
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>int main(){int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);struct sockaddr_in serv_addr;memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;  
/*
在网络编程中，一个服务器可能有多个网络接口（即多个IP地址）。如果你指定了一个具体的
IP地址来绑socket，那么服务器程序只能接受发送到这个特定IP地址的连接请求。相反，
使用INADDR_ANY可以让服务接受到达服务器上任何网络接口的连接请求，
这样就不需要针对每个可能的IP地址分别设置监听了。
*/serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  serv_addr.sin_port = htons(9190);  bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));listen(serv_sock, 20);
//用于生成客户端套接字，中间需要使用一个addr结构体，我们创建一个空结构体传入
accept辅助完成socket创建struct sockaddr_in clnt_addr;socklen_t clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
//accept后会创建一个套接字，int clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);char message[] = "Hello, World!";write(clnt_sock, message, sizeof(message));close(clnt_sock);  close(serv_sock);  return 0;
}

1.2 tcp 客户端框架

1.connect
#include<sys/socket.h>
int connect(int sock,struct sockaddr*servaddr, socklen_t addrlen);

成功时返回0，失败时返回-1。

  • sock 客户端套接字文件描述符。
  • servaddr 保存目标服务器端地址信息的变量地址值。
  • addrlen 以字节为单位传递给第二个结构体参数servaddr的地址变量长度。
2.客户端框架 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>int main(){int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);struct sockaddr_in serv_addr;memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  serv_addr.sin_family = AF_INET;  serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  serv_addr.sin_port = htons(9190);  
//connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));char buffer[40];read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);printf("Message from server: %s\n", buffer);close(sock);return 0;
}

1.3 线程基础

1.线程创建
#include<pthread.h>
int pthread_create(pthread_t*restrict thread,const pthread_attr_t * restrict attr,void *(* start_routine)(void *),void*restrict arg
);

成功时返回 0，失败时返回其他值。

●thread：保存新创建线程ID的变量地址值。线程与进程相同，也需要用于区分不同线程的ID。

●attr：用于传递线程属性的参数，传递NULL时，创建默认属性的线程。

●start_routine：相当于线程main函数的、在单独执行流中执行的函数地址值（函数指针）。

●arg：通过第三个参数传递调用函数时包含传递参数信息的变量地址值。

#include<pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void ** status);

 调用pthread_join 函数的进程（或线程）将进入等待状态，直到第一个参数为ID的线程终 止为止。而且可以得到线程的main函数返回值，所以该函数比较有用。下面通过示例了解 该函数的功能。

成功时返回e，失败时返回其他值。

  • thread 该参数值ID的线程终止后才会从该函数返回。
  • status保存线程的main函数返回值的 指针变量地址值。
2.互斥锁
#include<pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread mutex_t*mutex, const pthread_mutexattr_t* attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t * mutex);
  • mutex 创建互斥量时传递保存互斥量的变量地址值，销毁时传递需要销毁的互斥量地址值。
  • attr传递即将创建的互斥量属性，没有特别需要指定的属性时传递NULL。
#include<pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread mutex_t* mutex);

成功时返回0，失败时返回其他值。

使用方法：

pthread_mutex_lock(&mutex);//临界区的开始
//.....// 临界区的结束
pthreadmutex_unlock(&mutex);

线程使用实例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>// 全局变量作为共享资源
int shared_resource = 0;
// 互斥量对象
pthread_mutex_t mutex;// 线程函数，递增共享资源
void* thread_func(void* arg) {for(int i = 0; i < 10000; ++i) {// 锁定互斥量pthread_mutex_lock(&mutex);// 访问并修改共享资源shared_resource++;// 解锁互斥量pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}int main() {pthread_t thread1, thread2;// 初始化互斥量pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 创建两个线程pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, NULL);pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, NULL);// 等待线程结束pthread_join(thread1, NULL);pthread_join(thread2, NULL);// 打印共享资源的最终值printf("Final value of shared resource: %d\n", shared_resource);// 销毁互斥量pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}

二、并发服务器

2.1 多线程服务器实现

1.服务器端：

每次accept都阻塞，来一个连接，就创建一个线程进行处理，多线程互不干扰 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <pthread.h>
#define BUF_SIZE 100
#define MAX_CLNT 256
void* handle_clnt(void* arg);
void send_msg(char* msg, int len);
void error_handling(char* msg);
int clnt_cnt = 0;
int clnt_socks[MAX_CLNT];
pthread_mutex_t mutx;
int main(int argc, char* argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;int clnt_adr_sz;pthread_t t_id;if (argc != 2) {printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}pthread_mutex_init(&mutx, NULL);serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)error_handling("bind() error");if (listen(serv_sock, 5) == -1)error_handling("listen() error");while (1){clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);pthread_mutex_lock(&mutx);clnt_socks[clnt_cnt++] = clnt_sock;pthread_mutex_unlock(&mutx);pthread_create(&t_id, NULL, handle_clnt, (void*)&clnt_sock);pthread_detach(t_id);printf("Connected client IP: %s \n", inet_ntoa(clnt_adr.sin_addr));}close(serv_sock);return 0;
}
void* handle_clnt(void* arg)
{int clnt_sock = *((int*)arg);int str_len = 0, i;char msg[BUF_SIZE];while ((str_len = read(clnt_sock, msg, sizeof(msg))) != 0)send_msg(msg, str_len);pthread_mutex_lock(&mutx);for (i = 0; i < clnt_cnt; i++)// remove disconnected client{}if (clnt_sock == clnt_socks[i]){while (i++ < clnt_cnt - 1)clnt_socks[i] = clnt_socks[i + 1];break;}clnt_cnt--;pthread_mutex_unlock(&mutx);close(clnt_sock);return NULL;
}
void send_msg(char* msg, int len)
{int i;// send to allpthread_mutex_lock(&mutx);for (i = 0; i < clnt_cnt; i++)write(clnt_socks[i], msg, len);pthread_mutex_unlock(&mutx);
}
void error_handling(char* msg)
{fputs(msg, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

2.客户端：

一个主线程即可

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <pthread.h>
#define BUF_SIZE 100
#define NAME_SIZE 20
void* send_msg(void* arg);
void* recv_msg(void* arg);
void error_handling(char* msg);
char name[NAME_SIZE] = "[DEFAULT]";
char msg[BUF_SIZE];
int main(int argc, char* argv[])
{int sock;struct sockaddr_in serv_addr;pthread_t snd_thread, rcv_thread;void* thread_return;if (argc != 4) {printf("Usage : %s <IP> <port> <name>\n", argv[0]);exit(1);}sprintf(name, "[%s]", argv[3]);sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if (connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)error_handling("connect() error");pthread_create(&snd_thread, NULL, send_msg, (void*)&sock);pthread_create(&rcv_thread, NULL, recv_msg, (void*)&sock);pthread_join(snd_thread, &thread_return);pthread_join(rcv_thread, &thread_return);close(sock);return 0;
}
void* send_msg(void* arg)
{int sock = *((int*)arg);// send thread mainchar name_msg[NAME_SIZE + BUF_SIZE];while (1){}fgets(msg, BUF_SIZE, stdin);if (!strcmp(msg, "q\n") || !strcmp(msg, "Q\n")){close(sock);exit(0);}sprintf(name_msg, "%s %s", name, msg);write(sock, name_msg, strlen(name_msg));return NULL;
}
void* recv_msg(void* arg)
{int sock = *((int*)arg);// read thread mainchar name_msg[NAME_SIZE + BUF_SIZE];int str_len;while (1){str_len = read(sock, name_msg, NAME_SIZE + BUF_SIZE - 1);if (str_len == -1)return (void*)-1;name_msg[str_len] = 0;fputs(name_msg, stdout);}return NULL;
}
void error_handling(char* msg)
{fputs(msg, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

2.2 select 多路io复用实现

1. 原理及步骤

 文件描述符：

一开始默认是空的，当我们创建socket或者文件时，就会从3开始分配文件描述符给相应的socket或者文件

2.select 函数 与fd_set

select： 

#include<sys/select.h>#include <sys/time.h>
int select(int maxfd, fd_set*readset, fd_set* writeset, fd_set*exceptset, const struct
timeval * timeout);

成功时返回大于0的值，失败时返回-1。

  • maxtfd ：监视对象文件描述符数量
  • readset：用于检查可读性
  • writeset：用于检查可写性
  • exceptset：用于检查带外数据
  • timeout：一个指向timeval 结构的指针，用于决定select等待I/O的最长时间。如果为空将 一直等待。

fd_set结构体:

作用：用于表示一组文件描述符的集合，不要和文件描述符结构混淆

  • FD_ZERO（fdset*fdset）∶将 fdset 变量的所有位初始化为0。
  • FD_SET（int fd，fd set*fdset）∶在参数 fdset 指向的变量中注册文件描述符fd的信息。
  • FD_CLR（int fd，fdset*fdset）∶从参数 fdset 指向的变量中清除文件描述符fd的信息。
  • FD_ISSET（int fd，fd_set*fdset）∶若参数 fdset 指向的变量中包含文件描述符fd的信息，则 返回"真"。

3.select实现并发服务器 

主要步骤： 

1.由于serv_sock是最开始创建的，那么它一定是最大的文件描述符，且只创建了 serv_sock，我们将这个文件描述符添加到fd_map中（具有能够被select监听的资格，但这个监听和listen不是一个东西，如果相应文件描述符表示的sock有动作，那么select就会结束阻塞，开始后面的工作）：

	FD_ZERO(&reads);FD_SET(serv_sock, &reads);fd_max = serv_sock;

2. 进入循环，我们将当前的所有得到的文件描述符都放入进行监听

if ((fd_num = select(fd_max + 1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1)break;
if (fd_num == 0)continue;

 3.遍历到最大文件描述符，通过FD_SET来判断哪些文件描述符是被激活的（导致select不阻塞的），同时记得处理时，要把这个文件描述符clear掉

for (i = 0; i < fd_max + 1; i++){if (FD_ISSET(i, &cpy_reads)){if (i == serv_sock){// connection request!adr_sz = sizeof(clnt_adr);clnt_sock =accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);FD_SET(clnt_sock, &reads);if (fd_max < clnt_sock)fd_max = clnt_sock;printf("connected client: %d \n", clnt_sock);}else{// read message!str_len = read(i, buf, BUF_SIZE);if (str_len == 0)// close request!{FD_CLR(i, &reads);close(i);printf("closed client: %d \n", i);}else{}}write(i, buf, str_len);}}

完整代码如下： 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>
#define BUF_SIZE 100
void error_handling(char* buf);
int main(int argc, char* argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;struct timeval timeout;fd_set reads, cpy_reads;socklen_t adr_sz;int fd_max, str_len, fd_num, i;char buf[BUF_SIZE];if (argc != 2) {printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)error_handling("bind() error");if (listen(serv_sock, 5) == -1)error_handling("listen() error");FD_ZERO(&reads);FD_SET(serv_sock, &reads);fd_max = serv_sock;while (1){cpy_reads = reads;timeout.tv_sec = 5;timeout.tv_usec = 5000;if ((fd_num = select(fd_max + 1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1)break;if (fd_num == 0)continue;for (i = 0; i < fd_max + 1; i++){if (FD_ISSET(i, &cpy_reads)){if (i == serv_sock){// connection request!adr_sz = sizeof(clnt_adr);clnt_sock =accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);FD_SET(clnt_sock, &reads);if (fd_max < clnt_sock)fd_max = clnt_sock;printf("connected client: %d \n", clnt_sock);}else{// read message!str_len = read(i, buf, BUF_SIZE);// close request!if (str_len == 0){FD_CLR(i, &reads);close(i);printf("closed client: %d \n", i);}else{write(i, buf, str_len);}}}}}close(serv_sock);return 0;
}
void error_handling(char* buf)
{fputs(buf, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

4.客户端

客户端代码和一般客户端无异： 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 1024
void error_handling(char* message);
int main(int argc, char* argv[])
{int sock;char message[BUF_SIZE];int str_len;struct sockaddr_in serv_adr;if (argc != 3) {printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);exit(1);}sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sock == -1)error_handling("socket() error");memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if (connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)error_handling("connect() error!");elseputs("Connected...........");while (1){fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);fgets(message, BUF_SIZE, stdin);if (!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))break;write(sock, message, strlen(message));str_len = read(sock, message, BUF_SIZE - 1);message[str_len] = 0;printf("Message from server: %s", message);}close(sock);return 0;
}
void error_handling(char* message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

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