并发服务器三种实现方式之进程、线程和select
前言：刚开始学网络编程，都会先写一个客户端和服务端，不知道你们有没有试一下：再打开一下客户端，是连不上服务端的。还有一个问题不知道你们发现没：有时启服务器，会提示“Address already in use”，过一会就好了，想过为啥么？在这篇博客会解释这个问题。
但现实的服务器都会连很多客户端的，像阿里服务器等，所以这篇主要介绍如何实现并发服务器，主要通过三种方式：进程、线程和select函数来分别实现。
一、进程实现并发服务器
先说下什么是并发服务器吧？不是指有多个服务器同时运行，而是可以同时连接多个客户端。
先简单说下原理吧，先画个图，如下： PS：全博客园最丑图，不接受反驳！哈哈哈
先要搞清楚通信的流程，图上参数说明：
lfd：socket函数的返回值，就是监听描述符
cfd1/cfd2/cfd3:accept函数的返回值，用通信的套接字
server：服务器
client：客户端
socket通信过程中，总共有几个套接字呢？答：三个，客户端一个，服务器两个。
根据上图来大致说明一下流程：
客户端创建一个套接字描述符，用于通信，服务器先用socket函数创建套接字，用于监听客户端，然后调用accept函数，会返回一个套接字，用于通信的。图上就是，client1先通过cfd与server建立连接，然后与cfd1建立连接通信，这时lfd就空闲了，再监听客户端，client2再与lfd连接，再跟cfd2通信。client3也是如此。
现在问题就是。如何创建多个进程与客户端通信呢？通过循环创建子进程就可以实现这个问题，可以参考我的这篇博客：https://www.cnblogs.com/liudw-0215/p/9667686.html
服务端程序，如下：
#include <stdio.h> #include <string.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <signal.h> #include <sys/wait.h> #include <ctype.h> #include <unistd.h> #include "wrap.h" #define MAXLINE 8192 #define SERV_PORT 8000 void do_sigchild(int num) { while (waitpid(0, NULL, WNOHANG) > 0) ; } int main(void) { struct sockaddr_in servaddr, cliaddr; socklen_t cliaddr_len; int listenfd, connfd; char buf[MAXLINE]; char str[INET_ADDRSTRLEN]; int i, n; pid_t pid; struct sigaction newact; newact.sa_handler = do_sigchild; sigemptyset(&newact.sa_mask); newact.sa_flags = 0; sigaction(SIGCHLD, &newact, NULL); //建立信号，处理子进程退出 listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // int opt = 1; //setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)); //端口复用 bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT); Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); Listen(listenfd, 20); printf("Accepting connections ...\n"); while (1) { cliaddr_len = sizeof(cliaddr); connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len); pid = fork(); if (pid == 0) { Close(listenfd); while (1) { n = Read(connfd, buf, MAXLINE); if (n == 0) { printf("the other side has been closed.\n"); break; } printf("received from %s at PORT %d\n", inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),ntohs(cliaddr.sin_port)); for (i = 0; i < n; i++) buf[i] = toupper(buf[i]); Write(STDOUT_FILENO, buf, n); Write(connfd, buf, n); } Close(connfd); return 0; } else if (pid > 0) { Close(connfd); } else perr_exit("fork"); } return 0; }
客户端程序如下：
/* client.c */ #include <stdio.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include "wrap.h" #define MAXLINE 8192 #define SERV_PORT 8000 int main(int argc, char *argv[]) { struct sockaddr_in servaddr; char buf[MAXLINE]; int sockfd, n; sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT); Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) { Write(sockfd, buf, strlen(buf)); n = Read(sockfd, buf, MAXLINE); if (n == 0) { printf("the other side has been closed.\n"); break; } else Write(STDOUT_FILENO, buf, n); } Close(sockfd); return 0; }
演示效果，服务器可以同时处理两个客户端，如下：
但我想再测试一下程序，执行./server,发现有个bind error,如下：
下面来解释一下这个问题：
先来一张图片（出自UNP），如下：
这张图将三次握手、四次挥手和TCP状态转换图，这些在我的这篇博客都由介绍，可以参考一下：https://www.cnblogs.com/liudw-0215/p/9661583.html
注意最后有一个TIME_WAIT状态，主动关闭一端会经历2MSL时长等待（大约40秒），再变为最开始的状态CLOSED。
复现上面的“bind error”，只需退出服务器，在启服务器，就会报出此错。因为主动关闭一端，会经历2MSL时长，端口IP会被占用，所以会报“bind error”。
但可能会问：为啥先退出客户端没有此问题？因为客户端没有调用bind函数地址结构，会“隐式”生成端口。
有没有方法可以解决这个问题呢？当然有的，调用函数setsockopt即可，服务端程序如下：
#include <stdio.h> #include <string.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <signal.h> #include <sys/wait.h> #include <ctype.h> #include <unistd.h> #include "wrap.h" #define MAXLINE 8192 #define SERV_PORT 8000 void do_sigchild(int num) { while (waitpid(0, NULL, WNOHANG) > 0) ; } int main(void) { struct sockaddr_in servaddr, cliaddr; socklen_t cliaddr_len; int listenfd, connfd; char buf[MAXLINE]; char str[INET_ADDRSTRLEN]; int i, n; pid_t pid; struct sigaction newact; newact.sa_handler = do_sigchild; sigemptyset(&newact.sa_mask); newact.sa_flags = 0; sigaction(SIGCHLD, &newact, NULL); //建立信号，处理子进程退出 listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); int opt = 1; setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)); //端口复用 bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT); Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); Listen(listenfd, 20); printf("Accepting connections ...\n"); while (1) { cliaddr_len = sizeof(cliaddr); connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len); pid = fork(); if (pid == 0) { Close(listenfd); while (1) { n = Read(connfd, buf, MAXLINE); if (n == 0) { printf("the other side has been closed.\n"); break; } printf("received from %s at PORT %d\n", inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),ntohs(cliaddr.sin_port)); for (i = 0; i < n; i++) buf[i] = toupper(buf[i]); Write(STDOUT_FILENO, buf, n); Write(connfd, buf, n); } Close(connfd); return 0; } else if (pid > 0) { Close(connfd); } else perr_exit("fork"); } return 0; }
二、线程实现并发服务器
理解了进程的方式，就是创建多个线程来实现，就不过多解释了，程序需要对线程有一定了解，之后我还会写篇博客来介绍线程，敬请期待哦。
服务器代码如下，有有详细的解释：
#include <stdio.h> #include <string.h> #include <arpa/inet.h> #include <pthread.h> #include <ctype.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include "wrap.h" #define MAXLINE 8192 #define SERV_PORT 8000 struct s_info { //定义一个结构体, 将地址结构跟cfd捆绑 struct sockaddr_in cliaddr; int connfd; }; void *do_work(void *arg) { int n,i; struct s_info *ts = (struct s_info*)arg; char buf[MAXLINE]; char str[INET_ADDRSTRLEN]; //#define INET_ADDRSTRLEN 16 可用"[+d"查看 while (1) { n = Read(ts->connfd, buf, MAXLINE); //读客户端 if (n == 0) { printf("the client %d closed...\n", ts->connfd); break; //跳出循环,关闭cfd } printf("received from %s at PORT %d\n", inet_ntop(AF_INET, &(*ts).cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs((*ts).cliaddr.sin_port)); //打印客户端信息(IP/PORT) for (i = 0; i < n; i++) buf[i] = toupper(buf[i]); //小写-->大写 Write(STDOUT_FILENO, buf, n); //写出至屏幕 Write(ts->connfd, buf, n); //回写给客户端 } Close(ts->connfd); return (void *)0; } int main(void) { struct sockaddr_in servaddr, cliaddr; socklen_t cliaddr_len; int listenfd, connfd; pthread_t tid; struct s_info ts[256]; //根据最大线程数创建结构体数组. int i = 0; listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //创建一个socket, 得到lfd bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); //地址结构清零 servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //指定本地任意IP servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT); //指定端口号 8000 Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); //绑定 Listen(listenfd, 128); //设置同一时刻链接服务器上限数 printf("Accepting client connect ...\n"); while (1) { cliaddr_len = sizeof(cliaddr); connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len); //阻塞监听客户端链接请求 ts[i].cliaddr = cliaddr; ts[i].connfd = connfd; /* 达到线程最大数时，pthread_create出错处理, 增加服务器稳定性 */ pthread_create(&tid, NULL, do_work, (void*)&ts[i]); pthread_detach(tid); //子线程分离,防止僵线程产生. i++; } return 0; }
客户端代码如下：
/* client.c */ #include <stdio.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include "wrap.h" #define MAXLINE 80 #define SERV_PORT 8000 int main(int argc, char *argv[]) { struct sockaddr_in servaddr; char buf[MAXLINE]; int sockfd, n; sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr.s_addr); servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT); Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) { Write(sockfd, buf, strlen(buf)); n = Read(sockfd, buf, MAXLINE); if (n == 0) printf("the other side has been closed.\n"); else Write(STDOUT_FILENO, buf, n); } Close(sockfd); return 0; }
三、select实现并发服务器
select和进程主要区别在于，进程是阻塞的，而select是交给内核自己来实现的，由于select比较复杂，参考我的另一篇博客：https://www.cnblogs.com/liudw-0215/p/9661583.html
总结：有不懂的，欢迎及时评论。