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Linux33 网络编程-多线程TCP并发

news 2025/11/10 9:37:12

多线程并发是网络编程中处理多客户端连接的核心方案，核心思想是主线程负责监听连接，子线程为每个客户端提供专属服务—— 通过线程的独立性隔离客户端，同时利用 CPU 多核提升处理效率，适合中低并发（几百～几千连接）、业务逻辑复杂的场景（如 SSH、文件传输、数据库查询）。以下从原理、实现、问题、优化展开，结合实战代码深度解析：

核心原理：多线程并发的工作模型

多线程并发基于 “分工协作”，主线程与子线程各司其职，通过内核调度实现并发执行：

1. 核心角色与流程

线程类型核心职责关键操作
主线程（监听线程）接收客户端连接，分配任务socket()→bind()→listen()→accept()→创建子线程
子线程（工作线程）与单个客户端全量交互

接收数据（recv）→ 业务处理 → 发送响应（send）→ 关闭连接（close）

2. 并发实现的核心逻辑

  1. 主线程启动后，初始化监听套接字并绑定端口，进入循环等待客户端连接；

  2. 每收到一个新连接（accept()返回客户端套接字client_fd），创建一个子线程；

  3. 子线程接收client_fd，与对应客户端单独交互（收发数据、业务处理），不影响其他线程；

  4. 客户端断开连接后，子线程释放资源（关闭client_fd、退出线程）；

  5. 主线程持续监听新连接，实现 “同时处理多个客户端” 的效果。

3. 核心优势

  • 实现简单：无需复杂的 I/O 多路复用逻辑，通过线程天然隔离客户端；

  • 并发高效：多线程可被调度到不同 CPU 核心，充分利用多核资源；

  • 业务隔离：一个客户端的阻塞（如recv等待数据、数据库查询）不会影响其他客户端；

  • 开发成本低：线程间共享进程内存（如全局配置），通信比多进程简单。

4.服务器端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>void* fun(void* arg)
{int *p = (int*)arg;int c = *p;free(p);while (1){char buff[128] = {0};int n = recv(c, buff, 127, 0); // read()if( n <= 0 ){break;// n==0,代表客户端关闭了连接, n == -1 失败}printf("buff=%s\n", buff);send(c, "ok", 2, 0); // write()}printf("client close\n");close(c);
}
int main()
{int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // TCP套接字,文件描述符if (sockfd == -1){exit(1);}struct sockaddr_in saddr, caddr;memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.124");int res = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));if (res == -1){printf("bind err\n");exit(1);}res = listen(sockfd, 5); // 设置监听队列的大小if (res == -1){exit(1);}while (1){int len = sizeof(caddr);int c = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&caddr, &len); // 没有客户端连接，accept阻塞if (c < 0){continue;}printf("accept c=%d\n", c);pthread_t id;int * p = (int*)malloc(sizeof(int));if( p == NULL ){close(c);continue;}*p = c;pthread_create(&id,NULL,fun,(void*)p);}
}

多线程并发的核心问题与解决方案

多线程模型虽简单，但在高并发或复杂场景下会暴露以下问题，需针对性解决：

1. 问题 1：线程创建销毁开销大（高并发瓶颈）

  • 现象：客户端连接数达几千时，频繁创建 / 销毁线程会占用大量 CPU 资源，导致服务器响应变慢；

  • 原因：线程是内核级资源，创建时需分配栈空间（默认 8MB）、切换内核态 / 用户态，销毁时需回收资源，高频操作开销显著；

  • 解决方案：使用线程池（提前创建固定数量的空闲线程，复用线程处理多个客户端）：

    • 核心逻辑：主线程将新连接放入任务队列，线程池中的空闲线程从队列中获取任务（client_fd）并处理；

    • 优势：降低线程创建销毁开销，控制最大线程数（避免资源耗尽）；

    • 实现关键：用互斥锁（pthread_mutex_t）保护任务队列，用条件变量（pthread_cond_t）唤醒空闲线程。

2. 问题 2：线程安全问题（共享资源竞争）

  • 现象：多个子线程操作共享资源（如全局计数器、数据库连接池、文件）时，会出现数据错乱、死锁等问题；

  • 示例：多个线程同时执行g_count++（实际是load→add→store三步，可能被线程切换打断），导致计数不准；

  • 解决方案：

    • 互斥锁（pthread_mutex_t）：同一时间仅允许一个线程访问共享资源（“加锁→操作→解锁”）；

    • 读写锁（pthread_rwlock_t）：读多写少场景优化（多个线程可同时读，写时独占）；

    • 避免共享资源：尽量让线程使用私有数据（局部变量、堆内存），减少共享（最佳实践）。

3. 问题 3：资源耗尽风险（文件描述符 / 内存）

  • 现象：每个线程对应一个client_fd，每个线程默认占用 8MB 栈内存，连接数过多（如几万）时，会耗尽文件描述符或内存；

  • 原因：Linux 默认单个进程最大文件描述符数为 1024，最大线程数受内存限制（8MB / 线程 × 1000 线程 = 8GB 内存）；

  • 解决方案：

    • 调整系统参数：ulimit -n 65535（增大最大文件描述符数）、pthread_attr_setstacksize（减小线程栈大小，如设为 1MB）；

    • 限制最大连接数：主线程accept后检查当前连接数，超过阈值则close(client_fd)拒绝连接；

    • 改用非阻塞 I/O+epoll：高并发场景（万级以上）用epoll监听多个客户端，一个线程处理多个连接。

4. 问题 4：线程阻塞导致资源浪费

  • 现象：子线程在recv（等待数据）、数据库查询、sleep时会阻塞，此时线程无法处理其他任务，CPU 利用率低；

  • 原因：阻塞线程会被内核挂起，直到等待事件完成（如数据到达），期间占用线程资源但不干活；

  • 解决方案：

    • 非阻塞 I/O + I/O 多路复用：将client_fd设为非阻塞（fcntl），用epoll监听多个client_fd的 “可读 / 可写” 事件，一个线程处理多个客户端；

    • 异步 I/O：使用aio_read/aio_write（POSIX 异步 I/O），避免线程阻塞。

5. 问题 5：惊群效应（多线程监听同一端口）

  • 现象：若多个线程同时调用accept监听同一端口，新连接到达时所有线程会被唤醒，但只有一个线程能成功accept，其他线程白唤醒（浪费 CPU）；

  • 解决方案：

    • 主线程单独监听：仅主线程accept接收连接，子线程仅处理业务（推荐，避免惊群）；

    • 启用SO_REUSEPORT：Linux 3.9 + 支持，多个线程可绑定同一端口，内核公平分配新连接。

线程池优化（解决高并发瓶颈）

为解决线程创建销毁开销问题，以下是简化版线程池的核心实现，结合上述多线程服务器：

1. 线程池核心结构

// 任务队列节点（存储客户端连接信息）
typedef struct Task {int client_fd;struct sockaddr_in client_addr;struct Task* next;
} Task;// 线程池结构
typedef struct ThreadPool {pthread_t* threads;       // 线程数组Task* task_queue;         // 任务队列pthread_mutex_t mutex;    // 保护任务队列的互斥锁pthread_cond_t cond;      // 唤醒空闲线程的条件变量int thread_num;           // 线程池大小int is_shutdown;          // 线程池是否关闭
} ThreadPool;

2. 线程池初始化与任务添加

// 线程池初始化（创建thread_num个工作线程）
ThreadPool* thread_pool_init(int thread_num) {ThreadPool* pool = (ThreadPool*)malloc(sizeof(ThreadPool));pool->thread_num = thread_num;pool->is_shutdown = 0;pool->task_queue = NULL;// 初始化互斥锁和条件变量pthread_mutex_init(&pool->mutex, NULL);pthread_cond_init(&pool->cond, NULL);// 创建工作线程pool->threads = (pthread_t*)malloc(sizeof(pthread_t)*thread_num);for (int i=0; i<thread_num; i++) {pthread_create(&pool->threads[i], NULL, thread_pool_worker, pool);pthread_detach(pool->threads[i]); // 线程分离，自动回收}return pool;
}// 向线程池添加任务（主线程调用）
void thread_pool_add_task(ThreadPool* pool, int client_fd, struct sockaddr_in client_addr) {// 创建新任务Task* new_task = (Task*)malloc(sizeof(Task));new_task->client_fd = client_fd;new_task->client_addr = client_addr;new_task->next = NULL;// 加锁保护任务队列pthread_mutex_lock(&pool->mutex);// 将任务加入队列尾部Task* tmp = pool->task_queue;if (tmp == NULL) {pool->task_queue = new_task;} else {while (tmp->next != NULL) tmp = tmp->next;tmp->next = new_task;}pthread_cond_signal(&pool->cond); // 唤醒一个空闲线程pthread_mutex_unlock(&pool->mutex);
}// 线程池工作函数（子线程执行）
void* thread_pool_worker(void* arg) {ThreadPool* pool = (ThreadPool*)arg;while (1) {pthread_mutex_lock(&pool->mutex);// 队列空且未关闭时，阻塞等待任务while (pool->task_queue == NULL && !pool->is_shutdown) {pthread_cond_wait(&pool->cond, &pool->mutex);}// 线程池关闭，退出线程if (pool->is_shutdown) {pthread_mutex_unlock(&pool->mutex);pthread_exit(NULL);}// 取出队列头部任务Task* task = pool->task_queue;pool->task_queue = task->next;pthread_mutex_unlock(&pool->mutex);// 处理任务（复用之前的client_handler逻辑）client_handler_task(task->client_fd, task->client_addr);free(task); // 释放任务内存}
}

3. 主线程修改（使用线程池）

int main() {int listen_fd = socket_init("192.168.1.124", 6000);if (listen_fd == -1) exit(EXIT_FAILURE);// 初始化线程池（创建5个工作线程，可根据CPU核心数调整）ThreadPool* pool = thread_pool_init(5);while (1) {struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);int client_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);if (client_fd == -1) {if (errno == EINTR) continue;perror("accept failed");continue;}// 向线程池添加任务（而非创建新线程）thread_pool_add_task(pool, client_fd, client_addr);}
}

多线程并发的选型建议

并发模型优点缺点适用场景
一连接一线程实现简单、客户端隔离、开发成本低线程开销大、高并发瓶颈中低并发（≤1000 连接）、业务逻辑复杂（如耗时计算、数据库查询）
线程池 + 多线程降低线程开销、控制资源占用需实现线程池（复杂）、任务队列可能成为瓶颈中高并发（1000~10000 连接）、CPU 密集型业务
epoll + 多线程（Reactor）资源消耗低、支持万级高并发实现复杂（需处理事件分发、线程安全）高并发（≥10000 连接）、I/O 密集型业务（如 API 服务器、网关）

选型核心原则：

  • 若连接数少（≤1000）、业务逻辑复杂：选 “一连接一线程”（简单高效）；

  • 若连接数中等（1000~10000）、需控制资源：选 “线程池”；

  • 若连接数多（≥10000）、I/O 密集：选 “epoll + 线程池”（Reactor 模型）。

总结

多线程处理并发的核心价值是 “简单直观、客户端隔离、支持多核”，适合中低并发场景。实际开发中需重点关注：

  1. 线程参数传递：用堆内存避免栈地址失效；

  2. 资源释放：线程分离（pthread_detach）、关闭client_fd、释放堆内存；

  3. 线程安全：共享资源需用互斥锁 / 读写锁保护；

  4. 高并发优化：用线程池复用线程，或结合epoll实现 I/O 多路复用。

http://www.dtcms.com/a/589621.html

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