【计算机网络_应用层】TCP应用与相关API守护进程

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文章目录

  • 1. 相关使用接口
  • 2. 代码实现
    • 2.1 日志组件
    • 2.2 Server端
    • 2.3 Client端
    • 2.3 bug解决
  • 3. 守护进程
    • 3.1 守护进程是什么
    • 3.2 守护进程相关的使用
    • 3.3 守护进程化的实现原理

1. 相关使用接口

tcp协议和udp协议的接口基本相似。使用逻辑也是：1. 创建对应的socket文件套接字对象； 2. bind自己的网络信息；3. 进行相关通信

只是由于tcp协议的相关特性，所以tcp通信方式有一些不同点。

1. 对于服务端

在创建对应socket文件套接字对象并bind完成后需要设置sockfd为监听状态，使用listen系统调用。

头文件:#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>
函数原型:int listen(int sockfd, int backlog);
参数解释:sockfd:要设置的文件套接字对象backlog:最多允许这么多个客户端处于连接等待状态, 如果接收到更多的连接请求就忽略, 这里设置不会太大(一般是5), 
函数描述:将sockfd文件套接对象设置为监听状态
返回值:调用成功返回0，失败返回-1同时设置错误码

在设置sockfd为监听状态之后，在底层进行”三次握手“之后，服务端需要调用accept接受客户端的连接。

头文件:#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>
函数原型:int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
参数解释:sockfd:要设置的文件套接字对象（这里传的是监听的sockfd）addr:接受的连接对应的相关网络属性addrlen:addr对应的对象的大小
函数描述:服务端调用accept接受客户端的连接。如果服务器调用accept()时还没有客户端的连接请求,就阻塞等待直到有客户端连接上来
返回值:调用成功返回一个新的文件套接字，用于进行本次的客户端和服务端通信，调用失败返回-1同时设置错误码

2. 对于客户端

同样在初始化的时候需要创建socket文件套接字，同样的不需要程序员显示bind。也不需要listen和accept。接下来需要做的事情就是发送连接请求，使用connect系统调用

头文件:#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>
函数原型:int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数解释:sockfd:发送链接请求的文件套接字对象addr:连接对应的相关网络属性addrlen:addr对应的对象的大小
函数描述:客户端使用sockfd向指定服务器的指定端口发起TCP链接请求
返回值:调用成功返回0，调用失败返回-1同时设置错误码

2. 代码实现

2.1 日志组件

一般来说，服务器在运行的时候，不会在当前shell输出相关的运行结果，而是在日志中输出，所以，这里我们现在封装一个日志的小组件

1. 组件需求

  1. 使用logMessage函数可以将相关日志信息写入预设的文件中（在当前目录创建对应文件）
  2. 每条日志信息都会有相关的日志等级，不同等级在不同文件中
  3. 日志内容支持format和可变参数

2. 代码实现

#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <ctime>
#include <cstdarg>// 这里是日志等级对应的宏
#define DEBUG (1 << 0)
#define NORMAL (1 << 1)
#define WARNING (1 << 2)
#define ERROR (1 << 3)
#define FATAL (1 << 4)#define NUM 1024 // 日志行缓冲区大小
#define LOG_NORMAL "log.txt" // 日志存放的文件名
#define LOG_ERR    "err.txt"const char *logLevel(int level) // 把日志等级转变为对应的字符串
{switch (level){case DEBUG:return "DEBUG";case NORMAL:return "NORMAL";case WARNING:return "WARNING";case ERROR:return "ERROR";case FATAL:return "FATAL";default:return "UNKNOW";}
}
//[日志等级][时间][pid]日志内容
void logMessage(int level, const char *format, ...) // 核心调用
{char logprefix[NUM]; // 存放日志相关信息time_t now_ = time(nullptr);struct tm *now = localtime(&now_);snprintf(logprefix, sizeof(logprefix), "[%s][%d年%d月%d日%d时%d分%d秒][pid:%d]",logLevel(level), now->tm_year + 1900, now->tm_mon + 1, now->tm_mday, now->tm_hour, now->tm_min, now->tm_sec, getpid());char logcontent[NUM];va_list arg; // 声明一个变量arg指向可变参数列表的对象va_start(arg, format); // 使用va_start宏来初始化arg，将它指向可变参数列表的起始位置。// format是可变参数列表中的最后一个固定参数，用于确定可变参数列表从何处开始vsnprintf(logcontent, sizeof(logcontent), format, arg); // 将可变参数列表中的数据格式化为字符串，并将结果存储到logcontent中FILE *log =  fopen(LOG_NORMAL, "a");FILE *err = fopen(LOG_ERR, "a");if(log != nullptr && err != nullptr){FILE *curr = nullptr;if(level == DEBUG || level == NORMAL || level == WARNING) curr = log;if(level == ERROR || level == FATAL) curr = err;if(curr) fprintf(curr, "%s%s\n", logprefix, logcontent);fclose(log);fclose(err);}
}

2.2 Server端

/* tcpServer.hpp */
#pragma once#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#include <string>#include "log.hpp"namespace Server
{enum{USAGE_ERR = 1,SOCKET_ERR,BIND_ERR,LISTEN_ERR};static const uint16_t gport = 8080;static const int gbacklog = 5;void serviceIO(int sock) // 服务端调用{char buffer[1024];while (true){ssize_t n = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (n > 0){// 目前我们把读到的数据当成字符串, 截止目前buffer[n] = 0;std::cout << "recv message: " << buffer << std::endl;std::string outbuffer = buffer;outbuffer += " server[echo]";write(sock, outbuffer.c_str(), outbuffer.size()); // 这里再把结果写进sock中，意为返回给客户端}else if (n == 0){// 代表client退出logMessage(NORMAL, "client quit, me too!");break;}}close(sock);}class tcpServer{public:tcpServer(uint16_t &port) : _port(port){}void initServer(){// 1. 创建socket文件套接字对象_listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listensock == -1){logMessage(FATAL, "create socket error");exit(SOCKET_ERR);}logMessage(NORMAL, "create socket success:%d", _listensock);// 2.bind自己的网络信息sockaddr_in local;local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;int n = bind(_listensock, (struct sockaddr *)&local, sizeof local);if (n == -1){logMessage(FATAL, "bind socket error");exit(BIND_ERR);}logMessage(NORMAL, "bind socket success");// 3. 设置socket为监听状态if (listen(_listensock, gbacklog) != 0) // listen 函数{logMessage(FATAL, "listen socket error");exit(LISTEN_ERR);}logMessage(NORMAL, "listen socket success");}void start(){while (true){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, next");continue;}serviceIO(sock); // 使用close(sock); // 使用之后要关闭，否则会造成文件描述符泄露}}~tcpServer() {}private:uint16_t _port;int _listensock;};} // namespace Server/* tcpServer.cc */
#include <iostream>
#include <memory>#include "tcpServer.hpp"using namespace Server;static void Usage(const char *proc)
{std::cout << "\n\tUsage:" << proc << " local_port\n";
}int main(int argc, char *argv[])
{if(argc != 2){Usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}uint16_t port = atoi(argv[1]);std::unique_ptr<tcpServer> tsvr(new tcpServer(port));tsvr->initServer();tsvr->start();return 0;
}

2.3 Client端

/* tcpClient.hpp */
#pragma once
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>#include <string>#include "log.hpp"namespace Client
{class tcpClient{public:tcpClient(uint16_t &port, std::string &IP) : _serverPort(port), _serverIP(IP), _sockfd(-1) {}void initClient(){// 1. 创建socket_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(_sockfd == -1){std::cerr << "create socket error" << std::endl;exit(2);}}void run(){struct sockaddr_in server;server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(_serverPort);server.sin_addr.s_addr = inet_addr(_serverIP.c_str());if(connect(_sockfd, (struct sockaddr*)&server, sizeof server) != 0){// 链接失败std::cerr << "socket connect error" << std::endl;}else{std::string msg;while(true){std::cout << "Please Enter# ";std::getline(std::cin, msg);write(_sockfd, msg.c_str(), msg.size());char buffer[NUM];int n = read(_sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1); // 按照字符串的形式读取if(n > 0){// 目前先把读到的数据当作字符串处理buffer[n] = 0;std::cout << "Server 回显# " << buffer << std::endl;}else{break;}}}}~tcpClient(){if(_sockfd >= 0) close(_sockfd); // 使用完关闭，防止文件描述符泄露（当然这里也可以不写，当进程结束之后一切资源都将被回收）}private:uint16_t _serverPort;std::string _serverIP;int _sockfd;};} // namespace Client
/* tcpClient.cc */
#include <memory>
#include <string>#include "tcpClient.hpp"
using namespace Client;static void Usage(const char *proc)
{std::cout << "\n\tUsage:" << proc << " server_ip server_port\n";
}int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 3){Usage(argv[0]);exit(1);}std::string IP = argv[1];uint16_t port = atoi(argv[2]);std::unique_ptr<tcpClient> tclt(new tcpClient(port, IP));tclt->initClient();tclt->run();return 0;
}

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2.3 bug解决

这里会出现一个问题：在此时如果再有另一个客户端进行通信，就会出现其他客户端被阻塞的问题

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这是因为我们在服务端的serviceIO中的执行没有结束，而且由于实现的是死循环，所以也不可能结束，这就造成了服务端一直在阻塞的情况。那么如何解决呢？

1. 实现多进程版本

多进程的实现思想就是：每次收到新请求的时候，都创建一个子进程，让子进程来执行对应任务，父进程继续监听，但是由于创建的子进程需要被父进程等待回收，否则就会出现僵尸进程。那么这里的解决方案就是：让子进程再创建一个子进程，最终让孙子进程来执行本次请求对应的任务，父进程直接exit，爷爷进程等待父进程结束后继续监听。此时孙子进程就变成了孤儿进程，由OS直接接收管理。

这里需要更改的就只有tcpServer.hpp文件中的start函数，这里附上更改后的代码

void start()
{while (true){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, next");continue;}pid_t id = fork();if (id == 0){close(_listensock); // 子进程不会使用监听socket，但是创建子进程的时候写时拷贝会拷贝，这里先关掉// 子进程再创建子进程if (fork() > 0)exit(0); // 父进程退出// 走到当前位置的就是子进程serviceIO(sock); // 使用close(sock); // 关闭对应的通信socket（这里也可以不关闭，因为此进程在下个语句就会退出）exit(0); // 孙子进程退出}// 走到这里的是监听进程（爷爷进程）pid_t n = waitpid(id, nullptr, 0);if(n > 0){logMessage(NORMAL, "wait success pid:%d", n);}close(sock); // 使用之后要关闭，否则会造成文件描述符泄露}
}

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现在再测试，服务器就能够同时处理多个客户端的请求。

2. 实现多线程版本

但是，我们知道OS在创建线程的时候，需要的成本是非常高的，但是线程就非常轻量级，所以使用线程来处理服务器请求是更加合理的，所以这里实现一下多线程的版本

void start()
{while (true){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, next");continue;}// version 3:多线程版本pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, routine, new ThreadData(this, sock)); // 创建新线程，让新线程调用routine然后去执行serviceIO}
}        
static void *routine(void *arg)
{// 由于不能让主线程等待新线程执行完毕，所以这里进行线程分离pthread_detach(pthread_self());ThreadData* args = static_cast<ThreadData*>(arg);serviceIO(args->_sock);close(args->_sock); // 使用完之后回收sockdelete args; // 回收空间return nullptr;
}

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3. 实现线程池版本

当然，上述的两种实现方式是具有一些优化空间的，因为每次在创建子进程/新线程的时候都会有消耗，这样会降低效率，而且当突然出现很多长时间的请求的时候，服务器就会同时接收到很多请求，会一直创建子进程/新线程，可能会导致服务器崩溃，所以可以使用我们之前写过的一个小组件线程池来改写

void start()
{ThreadPool<Task>::getInstance()->run(); // 初始化线程池,让他跑起来logMessage(NORMAL, "init thread pool success");while (true){struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, next");continue;}// version 4:线程池版本ThreadPool<Task>::getInstance()->push(Task(sock, serviceIO));}
}

/* 小组件 */
// Task.hpp
#pragma once#include <string>
#include <iostream>
#include <functional>class Task
{
public:using func_t = std::function<void(int)>;public:Task() {}Task(int sock, func_t func): _sock(sock), _callback(func){}void operator()(){_callback(_sock);}private:int _sock;func_t _callback;
};
// Thread.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <pthread.h>
#include <cassert>class Thread
{
public:using func_t = std::function<void *(void *)>; // 定义func_t类型static int number;                            // 线程编号，按照一次运行时的调用次数计数
public:Thread(){char *buffer = new char[64];name_ = "thread-" + std::to_string(++number);}static void *start_routine(void *args){Thread *_this = static_cast<Thread *>(args);void *ret = _this->run(_this->args_);return ret;}void *run(void *arg){return func_(arg);}void start(func_t func, void *args){func_ = func;args_ = args;int n = pthread_create(&tid_, nullptr, start_routine, this);assert(n == 0);(void)n;}void join(){int n = pthread_join(tid_, nullptr);assert(n == 0);(void)n;}std::string GetTaskName(){return name_;}~Thread() {}private:std::string name_; // 线程名pthread_t tid_;    // 线程idfunc_t func_;      // 线程调用的函数void *args_;       // 线程调用函数的参数
};
int Thread::number = 0;
// ThreadPool.hpp
#pragma once
#include "LockGuard.hpp"
#include "Thread.hpp"
#include <vector>
#include <queue>
#include <string>
#include <iostream>
#include <mutex>const int gnum = 5; // 线程池中默认的线程个数template <class T>
class ThreadPool; // 线程池类的声明/* 线程数据类，保存线程对应的内容包括线程池对象的指针和线程名 */
template <class T>
class ThreadData
{
public:ThreadData(ThreadPool<T> *tp, const std::string &n) : threadpool(tp), name(n){};public:ThreadPool<T> *threadpool;std::string name;
};/* 线程池类的实现 */
template <class T>
class ThreadPool
{
public:static void *handleTask(void *args) // 线程需要执行的回调函数{ThreadData<T> *td = static_cast<ThreadData<T> *>(args);while (true){T t; // 构建任务对象{LockGuard lockGuard(td->threadpool->mutex()); // 上锁while (td->threadpool->isQueueEmpty()){// 如果任务队列为空，线程挂起，等待队列中被填充任务td->threadpool->threadWait();}t = td->threadpool->pop(); // 如果队列中有任务，就拿出任务}// 任务在锁外执行t();}delete td;return nullptr;}public: // 给handleTask调用的外部接口pthread_mutex_t *mutex() { return &_mutex; }bool isQueueEmpty() { return _task_queue.empty(); }void threadWait() { pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex); }T pop() // 获取线程池中任务队列里需要执行的下一个任务{T t = _task_queue.front();_task_queue.pop();return t;}public:                               // 需要暴露给外部的接口void run() // 为所有线程对象创建真正的执行流，并执行对应的回调函数{for (const auto &thread : _threads){ThreadData<T> *td = new ThreadData<T>(this, thread->GetTaskName()); // 构造handleTask的参数对象thread->start(handleTask, td);                                      // 调用该线程的start函数，创建新线程执行指定的handleTask任务// std::cout << thread->GetTaskName() << " start..." << std::endl;}}void push(const T &in) // 将指定任务push到队列中{// 加锁LockGuard lockGuard(&_mutex); // 自动加锁，在当前代码段结束之后调用LockGuard的析构函数解锁_task_queue.push(in);pthread_cond_signal(&_cond); // 发送信号表示此时task_queue中有值，让消费者可以使用}~ThreadPool() // 析构函数，销毁互斥量和条件变量，delete所有thread对象指针，自动调用thread对象的析构函数{pthread_mutex_destroy(&_mutex);pthread_cond_destroy(&_cond);for (auto &thread : _threads){delete thread;}}static ThreadPool<T> *getInstance(){if(nullptr == tp){std::lock_guard<std::mutex> lck(_singletonlock);if(nullptr == tp){tp = new ThreadPool<T> ();}}return tp;}
private: // 单例模式需要私有化的接口ThreadPool(const int &num = gnum) // 构造函数，初始化互斥量和条件变量，构建指定个数的Thread对象{pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);pthread_cond_init(&_cond, nullptr);for (int i = 0; i < num; ++i){_threads.push_back(new Thread());}}//delete拷贝构造和析构函数ThreadPool(const ThreadPool<T> &) = delete;ThreadPool<T> *operator=(const ThreadPool<T> &) = delete;private:std::vector<Thread *> _threads; // 保存所有线程对象的指针std::queue<T> _task_queue;      // 需要被分配的任务队列pthread_mutex_t _mutex;         // 任务队列需要被互斥的访问pthread_cond_t _cond;           // 生产任务和消费任务之间需要进行同步static ThreadPool<T> *tp; // 静态成员，存放ThreadPool指针static std::mutex _singletonlock; // 创建线程安全的单例对象要加的锁
};
template<class T>
ThreadPool<T> *ThreadPool<T>::tp = nullptr;
template<class T>
std::mutex ThreadPool<T>::_singletonlock;

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3. 守护进程

3.1 守护进程是什么

在我们之前实现的代码中，所有的Server端在运行的时候都会占用前台的Shell，当这个Shell退出之后，对应的进程也就会退出

image-20240226091312689

但是我们知道：在实际的应用环境中，是不会出现这种情况的，这是因为在实际部署服务的时候，会将对应的服务守护进程化，所谓的守护进程化就是让对应的进程不受当前会话的影响

守护进程的理解

我们是使用远程命令行工具来连接我们的云服务器的，这个工具在Windows下会使用Xshell，macOS下使用自带的终端或者iTerm，或者会使用VScode远程连接带有的shell…

在我们登录成功之后，OS在内部会创建一个会话，在此会话内部创建一个前台进程bash进行命令行解释，此时我们就可以想bash中输入命令，OS帮我们执行。

在一个会话（session）中，同一时间只能有一个前台进程但是可以有任意个后台进程的存在

当这个会话结束之后，会话内所有的进程都将会退出，这也就是为什么我们的服务不能长久的在服务器中运行

3.2 守护进程相关的使用

1. &和jobs

&可以让一个命令在后台运行

jobs可以查看当前会话的所有作业（现在可以理解成进程）

image-20240226092835820

  • 作业前面的[]内部的数字就是作业号

为什么这个服务运行起来后还能够输入命令？

这是因为这个服务变成后台作业了，一个会话在同一时刻有且只有一个前台进程

  • 通过PGID可以确定同一个进程组
  • 通过SID可以确定同一个会话

image-20240226093227728

  • fg+作业号：把对应作业放在前台
  • CTRL+z：暂停作业（一个任务在前台如果暂停了会立马放在后台）
  • bg+作业号：启动作业

image-20240226093745860

2. daemon

OS提供了一个守护进程化的接口，但是我们不建议使用，因为这个接口会产生一些未定义行为，所以我们自己封装一个小组件用于守护进程化。

image-20240226094239043

3.3 守护进程化的实现原理

守护进程化的实现原理就是：让这个进程自己成为一个会话组，独立出来就可以不受当前会话的影响

头文件:#include <unistd.h>
函数原型:pid_t setsid();
函数解释:对于一个非会话组组长的进程，使其成为一个新的会话组，并且调用进程成为组长
返回值:如果调用成功，返回一个新的SID（SID就是当前会话组的组长的pid）；调用失败返回-1同时设置错误码

守护进程化组件的实现

// daemon.hpp
#pragma once#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <cstdlib>
#include <cassert>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>#define DEV "/dev/null" // 这个路径是一个“黑洞”，写入的所有数据都会被“吃掉”，不会被读取void deamonSelf(const char *curPath = nullptr) // 可选参数，如果传入非空，就更改“当前路径”
{// 1. 让调用进程忽略掉所有异常信号signal(SIGPIPE, SIG_IGN);// 2. 让当前进程成为非组长进程if (fork() > 0)exit(0); // 创建子进程，然后将父进程退出确保调用setsid的进程是非组长进程// 3. 调用setsid创建新的会话组pid_t n = setsid();assert(n != -1);// 4. 守护进程是脱离终端的，需要关闭或者重定向以前进程默认打开的文件，这里我们采用重定向的方法更安全int fd = open(DEV, O_RDWR);if(fd > 0){dup2(fd, 0);dup2(fd, 1);dup2(fd, 2);close(fd);}else{close(0);close(1);close(2);}// 5. 可选：是否更改当前路径if (curPath != nullptr)chdir(curPath);
}

#include <iostream>
#include <memory>#include "tcpServer.hpp"
#include "daemon.hpp"using namespace Server;static void Usage(const char *proc)
{std::cout << "\n\tUsage:" << proc << " local_port\n";
}int main(int argc, char *argv[])
{if(argc != 2){Usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}uint16_t port = atoi(argv[1]);std::unique_ptr<tcpServer> tsvr(new tcpServer(port));tsvr->initServer();deamonSelf(); // 当前进程守护进程化tsvr->start();return 0;
}

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本节完…

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