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TinyWebserver的复现与改进（4）：主线程的具体实现

news 来源：原创 2025/5/9 0:58:17

GitHub - yzfzzz/MyWebServer: Linux高并发服务器项目，参考了TinyWebServer，将在此基础上进行性能改进与功能增加。为方便读者学习，附带详细注释和博客！

webserver

TinyWebserver的复现与改进（1）：服务器环境的搭建与测试-CSDN博客

TinyWebserver的复现与改进（2）：项目的整体框架-CSDN博客

TinyWebserver的复现与改进（3）：线程同步机制类封装及线程池实现-CSDN博客

Reactor模式

今天我们将采用主从Reactor多线程模式，这是是大多数高性能服务器采用的模式

主从Reactor多线程模式要求主线程（I/O处理单元）只需负责：

  1. 监听文件描述符上是否有事件发生，
  2. 有的话就立即将该事件通知工作线程（逻辑单元），
  3. 将 socket 可读可写事件放入请求队列，交给工作线程处理。

除此之外，主线程不做任何其他实质性的工作。读写数据，接受新的连接，以及处理客户请求均在工作线程中完成。

Reactor模式的工作流程

使用同步 I/O（以 epoll_wait 为例）实现的 Reactor 模式的工作流程是：

  1. 主线程往 epoll 内核事件表中注册 socket 上的读就绪事件。 (即把listenfd、和已连接的客户端socketfd加入到epoll模型中)
  2. 主线程调用 epoll_wait 等待 socket 上有数据可读。
  3. 当 socket 上有数据可读时， epoll_wait 通知主线程。主线程则将 socket 可读事件放入请求队列。
  4. 正在堵塞的某个工作线程被解除堵塞，它从 socket 读取数据，并处理客户请求，然后往 epoll 内核事件表中注册该 socket 上的写就绪事件。
  5. 当主线程调用 epoll_wait 等待 socket 可写。
  6. 当 socket 可写时，epoll_wait 通知主线程。主线程将 socket 可写事件放入请求队列。
  7. 堵塞的某个工作线程被解除堵塞，它往 socket 上写入服务器处理客户请求的结果。

image-20240812174758935

代码实现

main函数流程图如图所示：

image-20240812181143205

初始化

创建线程池
// 定义一个线程池指针
threadpool<http_conn>* pool = NULL;
try {
    // 开辟一个线程池
    pool = new threadpool<http_conn>;
}catch(...)
{
    // 若异常则退出
    return 1;
}

使用new创建一个http_conn类型的线程池，返回的指针由pool接收。由于使用了 try……catch(...)语句，因此如果遇到异常则退出

创建客户端集合
// 开辟一块连续的http_conn数组，保存所有正在连接的客户端信息
http_conn* users = new http_conn[MAX_FD];

创建一个大小为 MAX_FD 的 http_conn 数组，当接收一个新 socket_fd 时，将会在 索引 i = socket的数组处（即 users[socket_fd]），初始化一个 http_conn 对象。这个对象保存着该客户端的所有信息。

创建监听
// 设置监听
int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
int ret = 0;
struct sockaddr_in address;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;	// 表示本机的所有IP都可以连接客户端
address.sin_family = AF_INET;  // 使用ipv4
address.sin_port = htons(port);

// 设置端口复用
int reuse = 1;
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

// 绑定
ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
if(ret == -1)
{
perror("bind");
exit(-1);
}

// 开始监听
ret = listen(listenfd, 5);
if(ret == -1)
{
perror("listen");
exit(-1);
}

  1. socket 创建一个套接字，AF_INET表示使用 ipv4，SOCK_STREAM表示使用流式协议，和后面的0搭配表示使用的是TCP协议

  2. 但此时的socket，没有主机的端口号和ip信息，我们需要使用结构体address存储主机的相关信息：如IP（address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY）、ipv4（address.sin_family = AF_INET）、端口（address.sin_port = htons(port)），其中 htons() 表示 主机字节序 => 网络字节序 ，因为不同的机器在内存中的存放字节的顺序不同，我们需要统一标准

  3. 假设用户先运行./server.out，关闭后再快速运行./server.out，会报错：该端口被占用。这是因为结束./server，服务端处于FIN_WAIT状态，可以认为TCP通讯的TIME_WAIT时期需要等一小段时间。为了解决这个问题，常用setsockopt()表示开启端口复用功能。

  4. bind 将fd 和本地的IP和端口进行绑定，然后开始监听

epoll初始化
// 将listend添加到epoll模型中
epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
int epollfd = epoll_create(5);
addfd(epollfd, listenfd, false);
http_conn::m_epollfd = epollfd;

1.epoll_event用于检测文件描述符发生了什么事情（如读事件、写事件等）

2.addfd表示将listenfd加入epollfd中，这是一个自定义函数

epoll轮询

int number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER,-1);

如果没有数据发送给服务器，将一直堵塞再此处

事件处理

有新客户端连接
 // 有新的客户端连接
if(sockfd == listenfd)
{
     struct sockaddr_in client_address;
     socklen_t client_addresslen = sizeof(client_address);
     int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address, &client_addresslen);

if(connfd < 0)
{
    printf("errno is %d\n", errno);
    continue;
}

if(http_conn::m_user_count >= MAX_FD)
{
    close(connfd);
    continue;
}
	users[connfd].init(connfd, client_address);
}
可读
// 有读事件发生（可读）
else if(events[i].events & EPOLLIN)
{
    // 有读事件发生
    if(users[sockfd].read())
    {
        // 读的到数据
        pool->append(users+sockfd);
    }
    else
    {
        // 读不到数据
        users[sockfd].close_conn();
    }
}
可写
// 有写事件发生（可写）
else if(events[i].events & EPOLLOUT)
{
    if(!users[sockfd].write())
    {
        users[sockfd].close_conn();
    }
}

结束

close(epollfd);
close(listenfd);
delete [] users;
delete pool;
return 0;

关闭所有的fd

完整代码

#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include "threadpool.hpp"
#include "locker.h"
#include "http_conn.h"
#include <signal.h>
#include <assert.h>  

#define MAX_FD 65536  // 最大的文件描述符
#define MAX_EVENT_NUMBER 10000 // 监听的最大事件数

/* 
    函数指针的声明: 类型说明符 (*函数名) (参数)
    void(handler)(int) 声明了一个名为 handler 的函数指针，它指向一个接受一个 int 参数并返回 void 的函数
*/
void addsig(int sig, void(handler)(int))
{
    // sigaction的输入参数
    struct sigaction sa;
    // 指定sa内存区域的前n个字节都设置为某个特定的值('\0')，用于对新分配的内存进行初始化
    memset(&sa, '\0', sizeof(sa));
    // 写入函数指针，指向的函数就是信号捕捉到之后的处理函数
    sa.sa_handler = handler;
    // 设置临时阻塞信号集
    sigfillset(&sa.sa_mask);
    assert(sigaction(sig, &sa, NULL) != -1);
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc <= 1)
    {
        // 要求输入格式为 ./a.out 10000  其中10000是端口号 
        printf("usage: %s port_number\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    // 端口号 string -> int
    int port = atoi(argv[1]);
    // 如果向一个没有读端的管道写数据，不用终止进程
    addsig(SIGPIPE, SIG_IGN);   // SIG_IGN: 忽略信号，这里指的是忽略信号 ·  SIGPIPE

    // 定义一个线程池指针
    threadpool<http_conn>* pool = NULL;
    try {
        // 开辟一个线程池
        pool = new threadpool<http_conn>;
    }catch(...)
    {
        // 若异常则退出
        return 1;
    }
    // 开辟一块连续的http_conn数组，保存所有正在连接的客户端信息
    http_conn* users = new http_conn[MAX_FD];

    // 设置监听
    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_port = htons(port);

    // 设置端口复用
    int reuse = 1;
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

    // 绑定
    ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind");
        exit(-1);
    }

    // 开始监听
    ret = listen(listenfd, 5);
    if(ret == -1)
    {
        perror("listen");
        exit(-1);
    }
    
    // 将listend添加到epoll模型中
    epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
    int epollfd = epoll_create(5);
    addfd(epollfd, listenfd, false);
    http_conn::m_epollfd = epollfd;

    while(1)
    {
        // epoll轮询，等待有数据发送
        int number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER,-1);
        if((number < 0) && (errno != EINTR))
        {
            printf("epoll failture\n");
            break;
        }
        for(int i = 0; i < number; i++)
        {
            int sockfd = events[i].data.fd;
            // 有新的客户端连接
            if(sockfd == listenfd)
            {
                struct sockaddr_in client_address;
                socklen_t client_addresslen = sizeof(client_address);
                int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address, &client_addresslen);

                if(connfd < 0)
                {
                    printf("errno is %d\n", errno);
                    continue;
                }

                if(http_conn::m_user_count >= MAX_FD)
                {
                    close(connfd);
                    continue;
                }
                users[connfd].init(connfd, client_address);
            }

            // 若对方异常端开或错误
            else if(events[i].events & (EPOLLRDHUP | EPOLLHUP | EPOLLERR))
            {
                users[sockfd].close_conn();
            }
            // 有读事件发生（可读）
            else if(events[i].events & EPOLLIN)
            {
                // 有读事件发生
                if(users[sockfd].read())
                {
                    // 读的到数据
                    pool->append(users+sockfd);
                }
                else
                {
                    // 读不到数据
                    users[sockfd].close_conn();
                }
            }
            // 有写事件发生（可写）
            else if(events[i].events & EPOLLOUT)
            {
                if(!users[sockfd].write())
                {
                    users[sockfd].close_conn();
                }
            }
        }
    }

    close(epollfd);
    close(listenfd);
    delete [] users;
    delete pool;
    return 0;
}

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