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网络编程-TCP的并发服务器构建

news 2025/8/30 11:56:32

1.TCP服务端并发模型

（1）多进程

进程资源开销大，安全性高。

#include "head.h"#define SIN_PORT 50000
#define SIN_ADDR "192.168.0.176"int init_tcp_ser()
{int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd < 0){perror("socket error");return -1;}//允许绑定处于TIME_WAIT状态的地址，避免端口占用问题：int optval = 1;setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));struct sockaddr_in seraddr;seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(SIN_PORT);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SIN_ADDR);int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));if(ret < 0){perror("bind error");return -1;}ret = listen(sockfd, 100);if(ret < 0){perror("listen error");return -1;}return sockfd;
}void wait_handler(int signo)
{wait(NULL);
}int main(int argc, char const *argv[])
{signal(SIGCHLD, wait_handler);struct sockaddr_in cliaddr;socklen_t clilen = sizeof(cliaddr);int sockfd = init_tcp_ser();if(sockfd < 0){return -1;}while(1){int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);if(connfd < 0){perror("connfd error");return -1;}pid_t pid = fork();if(pid > 0){}else if(0 == pid){char buff[1024] = {0};while(1){memset(buff, 0, sizeof(buff));ssize_t cnt = recv(connfd, buff, sizeof(buff),0);if(cnt < 0){perror("recv error");return -1;}else if(0 == cnt){printf("[%s:%d] offline\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port));break;}printf("[%s:%d] : %s\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port), buff);strcat(buff,"---->ok");cnt = send(connfd, buff, strlen(buff), 0);if(cnt < 0){perror("send error");return -1;}}close(connfd);}}close(sockfd);return 0;
}

（2）多线程

线程相对于进程资源开销小（相同资源环境下），并发量比进程大。

#include "head.h"#define SIN_PORT 50000
#define SIN_ADDR "192.168.0.176"int sockfd = -1;
struct addr
{int connfd;struct sockaddr_in cliaddr;socklen_t clilen;
}; // 移除全局实例addr_t，避免共享冲突int init_tcp_ser()
{int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd < 0){perror("socket error");return -1;}//允许绑定处于TIME_WAIT状态的地址，避免端口占用问题：int optval = 1;setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));struct sockaddr_in seraddr;seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(SIN_PORT);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SIN_ADDR);int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));if(ret < 0){perror("bind error");return -1;}ret = listen(sockfd, 100);if(ret < 0){perror("listen error");return -1;}return sockfd;
}void *task(void *arg)
{// 正确解析参数，获取当前连接的客户端信息struct addr *client_addr = (struct addr *)arg;int connfd = client_addr->connfd;struct sockaddr_in cliaddr = client_addr->cliaddr;char buff[1024] = {0};while (1){memset(buff, 0, sizeof(buff));ssize_t cnt = recv(connfd, buff, sizeof(buff)-1, 0); // 预留1字节防止溢出if(cnt < 0){perror("recv error");break;}else if(0 == cnt){// 使用当前连接的客户端信息，而非全局变量printf("[%s:%d] offline\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port));break;}printf("[%s:%d] : %s\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port), buff);// 使用snprintf替代strcat，防止缓冲区溢出snprintf(buff + strlen(buff), sizeof(buff) - strlen(buff), "----->ok");cnt = send(connfd, buff, strlen(buff), 0);if(cnt < 0){perror("send error");break;}}close(connfd);free(client_addr); // 释放动态分配的结构体return NULL;
}int main(int argc, char const *argv[])
{sockfd = init_tcp_ser();if(sockfd < 0){return -1;}while(1){// 为每个连接创建独立的结构体，避免共享冲突struct addr *client_addr = malloc(sizeof(struct addr));client_addr->clilen = sizeof(client_addr->cliaddr);client_addr->connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr->cliaddr, &client_addr->clilen);if(client_addr->connfd < 0){perror("accept error");free(client_addr); // 出错时释放内存return -1;}pthread_t tid;// 传递当前连接的结构体指针，而非全局变量int ret = pthread_create(&tid, NULL, task, client_addr);if(ret != 0)  {perror("pthread_create error");close(client_addr->connfd);  free(client_addr); // 线程创建失败时释放内存continue;}// 将线程设置为分离状态，结束后自动回收资源pthread_detach(tid);}close(sockfd);return 0;
}

（3）线程池

为了解决多线程（多进程）模型，在服务器运行过程中，频繁创建和销毁线程（进程）带来的时间消耗问题（基于生产者和消费者编程模型，以及任务队列等，实现的一套多线程框架）。

（4）IO多路复用

对多个文件描述符的读写可以复用一个进程（在不创建新的进程和线程的前提下，使用一个进程实现对多个文件读写的同时监测）。
三种实现方式：
①select
②poll
③epoll

select实现IO多路复用
步骤：
①创建文件描述符集合
②添加关注的文件描述符到集合
③使用select传递集合表给内核，内核开始监测事件
④当内核检测到事件时，应用层select将解除阻塞，并获得相关的事件结果
⑤根据select返回的结果做不同的任务处理

函数接口：
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
从文件描述符集合中移除指定的文件描述符。
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
检查指定的文件描述符是否在集合中，是则返回非零值。
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
将指定的文件描述符添加到集合中。
void FD_ZERO(fd_set *set);
清空文件描述符集合，移除所有文件描述符。

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
功能：传递文件描述符结合表给内核并等待获取事件结果
参数：
nfds ：关注的最大文件描述符+1
readfds：读事件的文件描述符集合
writefds：写事件的文件描述符集合
exceptfds：其他事件的文件描述符集合
timeout：设置select监测时的超时时间
NULL ：不设置超时时间（select一直阻塞等待）
返回值：
成功：返回内核监测的到达事件的个数
失败：-1
0 ：超时时间到达，但没有事件发生，则返回0

#include "head.h"
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>#define SIN_PORT 50000
#define SIN_ADDR "192.168.0.176"
#define MAX_SIZE 1024  int init_tcp_ser()
{int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd < 0){perror("socket error");return -1;}//允许绑定处于TIME_WAIT状态的地址，避免端口占用问题：int optval = 1;setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));struct sockaddr_in seraddr;seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(SIN_PORT);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SIN_ADDR);int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));if(ret < 0){perror("bind error");return -1;}ret = listen(sockfd, 100);if(ret < 0){perror("listen error");return -1;}return sockfd;
}int main(int argc, char const *argv[])
{// 存储每个连接的客户端地址struct sockaddr_in cliaddrs[MAX_SIZE];memset(cliaddrs, 0, sizeof(cliaddrs));socklen_t clilen = sizeof(struct sockaddr_in);int sockfd = init_tcp_ser();if(sockfd < 0){return -1;}fd_set serfd;       fd_set serfdtmp;    FD_ZERO(&serfd);FD_SET(sockfd, &serfd);int maxfd = sockfd; while (1){serfdtmp = serfd;  int cnt = select(maxfd + 1, &serfdtmp, NULL, NULL, NULL);if(cnt < 0){perror("select error");return -1;}// 遍历所有可能的文件描述符，检查就绪状态for(int fd = 0; fd <= maxfd; fd++){if(!FD_ISSET(fd, &serfdtmp)){continue;  }// 处理新连接请求if(fd == sockfd){struct sockaddr_in temp_cliaddr;socklen_t temp_clilen = sizeof(temp_cliaddr);int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&temp_cliaddr, &temp_clilen);if(connfd < 0){perror("accept error");continue;  }// 保存客户端地址信息cliaddrs[connfd] = temp_cliaddr;FD_SET(connfd, &serfd);if(connfd > maxfd){maxfd = connfd;}printf("[%s:%d] online\n", inet_ntoa(cliaddrs[connfd].sin_addr), ntohs(cliaddrs[connfd].sin_port));}// 处理已连接客户端的数据else{char buff[1024] = {0};ssize_t cnt = recv(fd, buff, sizeof(buff)-1, 0);if(cnt < 0){perror("recv error");FD_CLR(fd, &serfd); close(fd); }// 客户端断开连接else if(cnt == 0){printf("[%s:%d] offline\n", inet_ntoa(cliaddrs[fd].sin_addr), ntohs(cliaddrs[fd].sin_port));FD_CLR(fd, &serfd); close(fd); }else{printf("[%s:%d] : %s\n", inet_ntoa(cliaddrs[fd].sin_addr), ntohs(cliaddrs[fd].sin_port), buff);strcat(buff, "---->ok");send(fd, buff, strlen(buff), 0);}}}}close(sockfd);return 0;
}

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