TCP网络编程模型从入门到实战中等篇,单服务器多个用户的简单并发版本, 从多进程 到多线程 到 线程池 版本服务器实现...直到最终解决面试经典C10k高并发服务器设计

数据库 2022-04-20 06:54:45 阅读次数: 0

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一. 继续解决上一篇留下的疑惑

二. 多进程模型实现服务器支持多用户连接

三. 多线程模型实现服务器支持多用户连接

四. 线程池实现服务器支持多用户连接

五. 总结本章

一. 继续解决上一篇留下的疑惑

  • 如果上一篇没看过的, 附上链接一份, 看完可以帮助后序学习https://blog.csdn.net/weixin_53695360/article/details/122754482?spm=1001.2014.3001.5502
  • 问题抛出 :     为何在一个时间段中, 不可以支持多个用户的同时访问服务器,  只能够支持一个用户访问服务器结束, 断开连接下一个用户才可以进行连接?
  • 原因 :  因为我们前文中的TCP socket  是最简单的, 基本的一对一的通信, 是同步阻塞的方式, 也就是说 当服务器 还没有处理完一个客户的网络 I/O的时候, 或者 读写操作发生阻塞时候 其他客户是没有办法与服务端进行连接操作的
  • 再官方解释一下这个同步阻塞原因 : 就是主线程, 建立连接的线程被阻塞处理 网络 IO 了(占用，不空, 处理完这个IO之前没法建立新的连接) 
  • 其实简单的解释一下 同步阻塞含义 :  其他客户端 需要和 正在被服务的客户端一起同步阻塞等待服务器服务结束 哪一个正在服务的客户端 才能够建立新的连接
  • 解决方法综述:    多进程     多线程      线程池       IO 多路复用技术   (本文介绍前三种)

二. 多进程模型实现服务器支持多用户连接

首先是理论支撑

  • 服务器端主进程 (父进程) 仅仅只是负责监听客户端的连接, 每一次accept接受一次连接之后, 我们就 fork 出来一个子进程来处理这个连接所需的服务....
  • 简单回顾fork() :  我不喜欢理解成创建一个子进程, 我喜欢理解成复制一个进程出来, 这个进程中和原来的进程相比, 需要处理的后序代码逻辑是一摸一样的, 内存地址空间, 程序计数器等等都是完成摹刻出来的. 仅有的区别, 就是 pid 不同, 还有 如何区分主进程逻辑还是子进程逻辑, 通过fork 返回值来看, 返回值 为 0 代表是子进程处理逻辑，返回值 > 0, 也就是返回子进程的pid 代表父进程处理逻辑
  • 父子分工 ：父进程直接关闭 自己所属的一份 connfd socket文件描述符, 然后只负责监听, 同时负责回收子进程资源, 防止僵尸, 此处为避免阻塞收尸, 可以采取轮询式, 或者我一般直接设置信号处理SIGCHLD 信号. 然后子进程来实现网络IO传输和服务操作....
  • signal(SIGCHLD, SIG_IGN);        //避免子进程僵尸, 设置SIGCHLD信号为SIG_IGN 自动收尸, 不会僵尸..... 丢给系统去处理..
  • 主题fork 多进程实现并发服务逻辑伪代码: 
        pid = fork();
	if (pid < 0) {
		ERR_EXIT("fork");
	}
	if (pid) {
		close(connfd);						//父进程只进行监听
	} else {
		close(listenfd);					//子进程不需要监听
        .....                               //服务逻辑代码
	}

还是上文连接所实现的过程, 服务端将客户端发来的字符转大写写回.

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <strings.h>
#include <signal.h>

#define SERVE_PORT 12345
#define ERR_EXIT(m) \
	do { perror(m); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)
typedef struct sockaddr SA;
int listenfd;								//设置全局监听套接字, 方便关闭
void handle(int signo) {
	fprintf(stdout, "ByeBye!\n");
	close(listenfd);
	exit(EXIT_SUCCESS);
}

int main() {
	signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
	signal(SIGINT, handle);
	int listenfd, connfd, pid;
	struct sockaddr_in serveAdd, clientAdd;
	socklen_t clientAdd_len;
	char ipbuff[256];
	//创建套接字
	if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
		ERR_EXIT("socket");	//协议家族 服务类型(套接字类型), 协议弃用(0)
	}
	//确定服务端地址簇
	bzero(&serveAdd, sizeof(serveAdd));					//清0
	serveAdd.sin_family = AF_INET;
	serveAdd.sin_port = htons(SERVE_PORT);
	serveAdd.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);		//注意转网络字节序
	//bind 端口 地址信息
	if (bind(listenfd, (SA*)&serveAdd, sizeof(serveAdd)) == -1) {
		ERR_EXIT("bind");
	}
	//开始监听..
	if (listen(listenfd, 3) == -1) {
		ERR_EXIT("listen");
	}
	printf("Accepting connections..\n");
	//循环不断的接收客户的连接请求进行服务
	while (1) {
		clientAdd_len = sizeof(clientAdd);
		if ((connfd = accept(listenfd, (SA*)&clientAdd, &clientAdd_len)) == -1) {
			ERR_EXIT("accept");
		}
		printf("recieve connection from ip is %s and port is %d\n",
			inet_ntop(AF_INET, &clientAdd.sin_addr, ipbuff, sizeof(ipbuff)), 
			ntohs(clientAdd.sin_port));
		pid = fork();
		if (pid < 0) {
			ERR_EXIT("fork");
		}
		if (pid) {
			close(connfd);							//父进程只进行监听
		} else {
			//服务
			close(listenfd);						//子进程不需要监听
			while (1) {
				char buff[1024] = {0};
				int i;
				int n = read(connfd, buff, sizeof(buff));	//读数据
				if (n == -1) {
					ERR_EXIT("read");
				} 
				if (n == 0) {						//说明客户端主动断开连接
					break;
				}
				//处理数据, 简单的小写字符转大写
				for (i = 0; i < n; ++i) {
					buff[i] = toupper(buff[i]);
				}
				//写回
				write(connfd, buff, n);
			}
    		fprintf(stdout, "ip %s and port is %d interrupt connfd\n",
        		ipbuff, ntohs(clientAdd.sin_port));
			close(connfd);
            exit(EXIT_SUCCESS);//子进程完成通信(服务)断开
		}													
	}						
	return 0;
}
  • 使用多进程来应付多客户端的弊端  : 进程的创建需要消耗大量的系统资源,   又特别是内存资源这些都是有限的, 所以使用多进程的方式, 处理 <= 100 这种 少量客户端还行, 当C10k问题来临是, 根本无能为力, 毕竟进程的产生, 进程间切换的包袱是很重的...... 

三. 多线程模型实现服务器支持多用户连接

  •    竟然 进程间切换, 以及进程创建 所耗系统资源太大了, 那我们就使用轻量级进程, 多个线程共用一个进程地址空间, 来减轻负重  -----  多线程模型

首先还是理论支撑      

  • 多线程共享所在进程数据 :  文件描述符列表，进程空间，代码，全局数据，堆，共享库
  • 线程是运行在进程中的一个 "执行流' 单个进程中可以运行多个线程, 同一进程里面多个线程共享进程的部分资源,          这样线程间切换的时候仅仅只是切换线程私有数据, 寄存器等不共享数据, 相比进程间切换开销大大减少....
  • 线程创建函数的图解分析 : 
  • 然后是线程回收资源的设置, 此处, 我们不设置主线程等待回收, 介绍一个pthread_detach函数
  •  过程描述  （线程功能分析） :   每建立一个新的  connect  自然我们就  获取到一个新的connfd， 此时, 我们   就创建一个子线程, 且传入connfd, 子线程的功能, 就是两台主机网络通信的整个服务器的处理逻辑流程 （简单总结, 产生新的客户连接就创建新的子进程服务）....
  • 主体线程部分代码逻辑: 
    	//线程逻辑代码:
    void* Routine(void* arg) {
        pthread_detach(pthread_self());
        int connfd = (int)arg;
        //网络通信服务端服务逻辑。。。
        return (void*)0;
    }
    //循环不断的接收客户的连接请求进行服务
	while (1) {
		clientAdd_len = sizeof(clientAdd);
		if ((connfd = accept(listenfd, (SA*)&clientAdd, &clientAdd_len)) == -1) {
			ERR_EXIT("accept");
		}
		printf("recieve connection from ip is %s and port is %d\n",
			inet_ntop(AF_INET, &clientAdd.sin_addr, ipbuff, sizeof(ipbuff)), 
		ntohs(clientAdd.sin_port));
		//创建一个子线程, 来一个新的连接就创建一个
		pthread_create(&tid, NULL, Routine, (void*)connfd);			
	}
           ​​​​​​
  • 整个服务端代码实现 
    [tangyujie@VM-4-9-centos Serve]$ cat server.c
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <strings.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>

#define SERVE_PORT 12345
#define ERR_EXIT(m) \
	do { perror(m); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)
typedef struct sockaddr SA;
int listenfd;								//设置全局监听套接字, 方便关闭
void handle(int signo) {
	fprintf(stdout, "ByeBye!\n");
	close(listenfd);
	exit(EXIT_SUCCESS);
}

void* Routine(void* arg) {
	pthread_detach(pthread_self());		//线程结束自动回收资源
	int connfd = (int)arg;				//先将参数强转回去
	//服务
	while (1) {
		char buff[1024] = {0};
		int i;
		int n = read(connfd, buff, sizeof(buff));//读数据
		if (n == -1) {
			ERR_EXIT("read");
		} 
		if (n == 0) {					//说明客户端断开连接了
			break;
		}
		//处理数据, 简单的小写字符转大写
		for (i = 0; i < n; ++i) {
			buff[i] = toupper(buff[i]);
		}
		write(connfd, buff, n);		//写回
	}
  fprintf(stdout, "interrupt connfd end\n");
	close(connfd);					//服务结束断开连接	
	return (void*)0;
} 

int main() {
	signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
	signal(SIGINT, handle);
	int listenfd, connfd;
  pthread_t tid;
	struct sockaddr_in serveAdd, clientAdd;
	socklen_t clientAdd_len;
	char ipbuff[256];
	//创建套接字
	if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
		ERR_EXIT("socket");	//协议家族 服务类型(套接字类型), 协议弃用(0)
	}
	//确定服务端地址簇
	bzero(&serveAdd, sizeof(serveAdd));					//清0
	serveAdd.sin_family = AF_INET;
	serveAdd.sin_port = htons(SERVE_PORT);
	serveAdd.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);		//注意转网络字节序
	//bind 端口 地址信息
	if (bind(listenfd, (SA*)&serveAdd, sizeof(serveAdd)) == -1) {
		ERR_EXIT("bind");
	}
	//开始监听..
	if (listen(listenfd, 3) == -1) {
		ERR_EXIT("listen");
	}
	printf("Accepting connections..\n");
	//循环不断的接收客户的连接请求进行服务
	while (1) {
		clientAdd_len = sizeof(clientAdd);
		if ((connfd = accept(listenfd, (SA*)&clientAdd, &clientAdd_len)) == -1) {
			ERR_EXIT("accept");
		}
		printf("recieve connection from ip is %s and port is %d\n",
			inet_ntop(AF_INET, &clientAdd.sin_addr, ipbuff, sizeof(ipbuff)), 
		ntohs(clientAdd.sin_port));
		//创建一个子线程, 来一个新的连接就创建一个
		pthread_create(&tid, NULL, Routine, (void*)connfd);			
	}																	
	return 0;
}
        ​​​​​​
  • 多线程模型  ---  相较多进程模型 缺失 减少了资源消耗, 但是...
  • 每来一个连接就创建一个线程, 线程运行结束之后操作系统还要销毁线程, 这个平凡的创建销毁线程的系统资源销毁(开销)  也是压力相当大的  此时应该可以支持  《= 1000 Client。 所以可以使用     (   线程池避免线程的频繁创建销毁  )

四. 线程池实现服务器支持多用户连接

线程池理论支撑   ：附上连接一份, 学完应该足以支撑, 上一份代码是 C++的, 但是所用逻辑理论等是相通的.https://blog.csdn.net/weixin_53695360/article/details/122745816?spm=1001.2014.3001.5502

  • 过程描述, 在整个主线程最开始, 就可以开启,     (提前开启消费者工作线程等待任务来临)   我们的所有    工作线程 (饥饿的消费者, 等待客户端任务来临进行服务)    然后是线程逻辑,  我们在Routine 线程中 循环不断的接收 task_queue任务队列中的任务进行服务......   pop 任务  进行服务...   (因为线程池中是多线程, 任务队列中的任务就是临界资源)  所以为了整个过程的有序进行, 我们使用  锁 保护临界资源, 条件变量, 避免CPU的无端浪费....   
  • 上述语言看不明白, 说明线程池基础却有缺失, 可能需要阅读上文链接,或进一步查询资料

函数刨析

  • 然后废话不多说, 上代码, 还是服务端代码 
    [tangyujie@VM-4-9-centos Serve]$ cat server.c
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <strings.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>

#define SERVE_PORT 12345
#define ERR_EXIT(m) \
	do { perror(m); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)
typedef struct sockaddr SA;
int listenfd;								//设置全局监听套接字, 方便关闭

//设置任务结构体.....
typedef struct Task {
	int connfd;								//任务需要晓得哈是哪个做
	struct Task* next;
} Task;

typedef struct TaskQueue {
	Task* front;
	Task* tail;
	pthread_mutex_t lock;
	pthread_cond_t cond;
} TaskQueue;

TaskQueue* tp;

void ClearTask(Task* head) {
	Task* p = head, *q;
	while (p) {
		q = p->next;
		free(p);
		p = q;
	}
}

void DestroyTaskQueue(TaskQueue* tp) {
	ClearTask(tp->front);
	pthread_mutex_destroy(&tp->lock);
	pthread_cond_destroy(&tp->cond);
}
void handle(int signo) {
	fprintf(stdout, "ByeBye!\n");
  DestroyTaskQueue(tp);
	close(listenfd);
	exit(EXIT_SUCCESS);
}

TaskQueue* InitTaskQueue() {
	TaskQueue* tp = (TaskQueue*)malloc(sizeof(TaskQueue));
	tp->front = tp->tail = NULL;
	pthread_mutex_init(&tp->lock, NULL);
	pthread_cond_init(&tp->cond, NULL);
	return tp;
}

void Lock(TaskQueue* tp) {
	pthread_mutex_lock(&tp->lock);
}

void Unlock(TaskQueue* tp) {
	pthread_mutex_unlock(&tp->lock);
}

void WakeUp(TaskQueue* tp) {
	pthread_cond_signal(&tp->cond);
}

void Wait(TaskQueue* tp) {
	pthread_cond_wait(&tp->cond, &tp->lock);
}

Task* GetNewTask(int connfd) {
	Task* newTask = (Task*)malloc(sizeof(Task));
	newTask->connfd = connfd;
	newTask->next = NULL;
	return newTask;
}

int IsEmpty(TaskQueue* tp) {
	return tp->front == NULL;
}

void Push(TaskQueue* tp, Task* task) {
	Lock(tp);				//临界资源操作需要原子操作, 锁之间
	if (IsEmpty(tp)) {
		tp->front = task;
		tp->tail = task;
    WakeUp(tp);     //唤醒通知有任务了      
		Unlock(tp);		
		return ;
	} 
	tp->tail->next = task;
	tp->tail = task;
  WakeUp(tp);     //唤醒通知有任务了      
	Unlock(tp);
}

Task* Pop(TaskQueue* tp) {
	Lock(tp);
	Task* poptask;
	while (IsEmpty(tp)) {	//没有任务, 就一直等待生产
		Wait(tp);			//循环是为了避免伪唤醒. 唤醒多个线程
	}						    //但是有些线程 还要继续Wait, 所以循环
	poptask = tp->front;
	tp->front = tp->front->next;
	if (tp->front == NULL) tp->tail = NULL;
	Unlock(tp);   
	return poptask;
}


void* Routine(void* arg) {
	TaskQueue* tp = (TaskQueue*)arg;
  while (1) {                       //不断的尝试Pop获取任务进行处理
	  int connfd = Pop(tp)->connfd;		//Pop任务后获取connfd
	  //服务
	  while (1) {
		  char buff[1024] = {0};
		  int i;
		  int n = read(connfd, buff, sizeof(buff));//读数据
		  if (n == -1) {
			  ERR_EXIT("read");
		  } 
		  if (n == 0) {					//说明客户端断开连接了
			  break;
		  }
		  //处理数据, 简单的小写字符转大写
		  for (i = 0; i < n; ++i) {
			  buff[i] = toupper(buff[i]);
		  }
		  write(connfd, buff, n);		//写回
	  }
    fprintf(stdout, "interrupt connfd end\n");
	  close(connfd);					//服务结束断开连接	
  }
	return (void*)0;
}

void InitPool(TaskQueue* tp, int n) {
	pthread_t tid;
	int i;
	for (i = 0; i < n; ++i) {
		pthread_create(&tid, NULL, Routine, (void*)tp);	//此处传入tp 需要拿取任务
		pthread_detach(tid);							//线程结束自动回收线程资源
	}
}

int main() {
	signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
	signal(SIGINT, handle);
	tp = InitTaskQueue();//初始化任务队列
	InitPool(tp, 3);					//一开始就开启消费者多线程
	int listenfd, connfd;
  	pthread_t tid;
	struct sockaddr_in serveAdd, clientAdd;
	socklen_t clientAdd_len;
	char ipbuff[256];
	//创建套接字
	if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
		ERR_EXIT("socket");	//协议家族 服务类型(套接字类型), 协议弃用(0)
	}
	//确定服务端地址簇
	bzero(&serveAdd, sizeof(serveAdd));					//清0
	serveAdd.sin_family = AF_INET;
	serveAdd.sin_port = htons(SERVE_PORT);
	serveAdd.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);		//注意转网络字节序
	//bind 端口 地址信息
	if (bind(listenfd, (SA*)&serveAdd, sizeof(serveAdd)) == -1) {
		ERR_EXIT("bind");
	}
	//开始监听..
	if (listen(listenfd, 3) == -1) {
		ERR_EXIT("listen");
	}
	printf("Accepting connections..\n");
	//循环不断的接收客户的连接请求进行服务
	while (1) {
		clientAdd_len = sizeof(clientAdd);
		if ((connfd = accept(listenfd, (SA*)&clientAdd, &clientAdd_len)) == -1) {
			ERR_EXIT("accept");
		}
		printf("recieve connection from ip is %s and port is %d\n",
			inet_ntop(AF_INET, &clientAdd.sin_addr, ipbuff, sizeof(ipbuff)), 
		ntohs(clientAdd.sin_port)); 
		Task* newtask = GetNewTask(connfd);
		Push(tp, newtask);
	}																	
	return 0;
}

然后是上述所有服务端均可通用的客户端代码:

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>

#define SERVE_PORT 12345								//端口号
#define ERR_EXIT(m)\
	do { perror(m); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)     //错误处理
typedef struct sockaddr SA;								
int sockfd;												//设置全局, 方便关闭
void handle(int signo) {
	fprintf(stdout, "ByeBye!\n");
	close(sockfd);
	exit(EXIT_SUCCESS);
}
int main(int argc, char* argv[]) {
	if (argc != 2) {
		fprintf(stderr, "%s <ip>", argv[0]);
		close(EXIT_FAILURE);
	}
	signal(SIGINT, handle);
	struct sockaddr_in serveAdd;
	//创建套接字
	if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
		ERR_EXIT("socket");	//协议家族 服务类型(套接字类型), 协议弃用(0)
	}
		//确定服务端地址簇
	bzero(&serveAdd, sizeof(serveAdd));					//清0
	serveAdd.sin_family = AF_INET;
	serveAdd.sin_port = htons(SERVE_PORT);
	//将传入的ip字符串转换为 sin_addr
	if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &serveAdd.sin_addr) == -1) {
		ERR_EXIT("inet_ntop");
	} 
	//不需要绑定端口号 系统随机分配一个临时端口号, 直接连接
	if (connect(sockfd, (SA*)&serveAdd, sizeof(serveAdd)) == -1) {
		ERR_EXIT("connect");
	}
	while (1) {										//死循环, 使用ctrl c信号关闭连接
		char buff[1024];
		printf("请说>>");
		scanf("%s", buff);
		write(sockfd, buff, strlen(buff));
		int n = read(sockfd, buff, sizeof(buff));
		if (n == -1) {
			ERR_EXIT("read");
		}
		buff[n] = 0;
		fprintf(stdout, ">>%s\n", buff);
	}
}

五. 总结本章

  • 本文首先通过 同步阻塞的原因 引出来 主线程被阻塞处理 网络 IO 服务了, 这样当他服务一个客户的时候, 其他客户都无法与服务器建立连接. 
  • 然后为了解决这个问题  提出来了  多进程 多线程模型 线程池模型 多路IO复用（遗留）
  • 目的最终是为了解决 C10k 问题, 多进程 弊端分析(进程创建销毁, 切换) 系统资源耗费巨大, 最多支持 100 左右用户
  • 为了减少系统资源消耗  + 减少切换压力, ----  引出来 多线程模型, 多个线程共享所在进程中的进程资源,  线程间切换  仅仅只是线程私有数据和寄存器的切换(切换压力小)但是不停的创建销毁线程压力大
  • 于是又引出来 线程池来实现线程的复用， 减去线程不停创建和销毁的压力
  • C10ｋ　问题就成为本章留疑了，　大家可以先自行讨论，　评论区给与简易，以及多路复用的含义解释呀等。。。。　总结时候如果存在不清晰读者可回溯 

本文仅为自主学习复习使用，　借鉴了部分网络资源，　如果有不同意见，都可留言讨论，共同学习进步

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转载自blog.csdn.net/weixin_53695360/article/details/122790450
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