网络编程：C语言实现TCP并发服务器（多进程、多线程）
TCP并发服务器是指能够同时处理多个客户端连接请求的服务器，它使用TCP协议来进行通信。在一个TCP并发服务器中，服务器进程通常会创建多个子进程或子线程来处理客户端连接请求，从而实现并发处理。
下面我们从多进程和多线程两个方向来分析TCP并发服务器：
- 多进程TCP服务器
在多进程TCP服务器中，服务器进程会创建多个子进程来处理客户端连接请求。对于每个客户端连接请求，服务器进程会创建一个新的子进程去处理，各个子进程之间相互独立，能够同时处理多个客户端连接请求。具体实现上可以使用fork()系统调用来创建子进程。
优点：
- 进程之间相互独立，不受其他进程影响；
- 可以利用多核CPU，提高系统性能。
缺点：
- 进程创建与销毁开销较大，会占用更多的系统资源；
- 处理IO密集型任务效率相对较低，需要频繁切换上下文；
- 子进程之间共享同样的代码和数据段，需要注意进程间同步问题
具体代码实现如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define ERR_MSG(msg) do{\
fprintf(stderr,"line:%d",__LINE__);\
perror(msg);\
}while(0)
#define PORT 5555
#define IP "192.168.10.133"
int send_recv_msg (int newfd, struct sockaddr_in cin);
void zombie_handler(int sig)
{
while(waitpid(-1,NULL,WNOHANG)>0);
}
int main(int argc, const char *argv[])
{
//捕获17号信号
if(signal(SIGCHLD,zombie_handler) == SIG_ERR)
{
ERR_MSG("signal");
return -1;
}
//创建流失套接字
int sfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sfd < 0)
{
ERR_MSG("socket");
return -1;
}
printf("socket create success sfd=%d\n",sfd);
//设置端口快速被重用
int resue = 1;
if(setsockopt(sfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&resue,sizeof(resue))< 0)
{
ERR_MSG("setsockopt");
return -1;
}
//填充服务器的地址信息结构体
//真实的地址信息结构体根据地址族执行，AF_INET ，man 7 ip
struct sockaddr_in sin;
sin.sin_family = AF_INET;
sin.sin_port = htons(PORT);
sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
//将IP地址和端口号绑定到制定的套接字文件描述符上
if(bind(sfd,(struct sockaddr*)&sin,sizeof(sin))< 0)
{
ERR_MSG("bind");
return -1;
}
printf("bind success\n");
//将套接字设置为监听状态
if(listen(sfd,128)< 0)
{
ERR_MSG("listen");
return -1;
}
printf("linsten success\n");
//功能:阻塞函数，阻塞等待客户端连接成功
//当客户端连接成功后，会从已完成连接的队列头中获取一个客户端信息
//同时生成一个新的文件描述符(与客户端通信)
struct sockaddr_in cin; //存储连接成功的客户端地址
socklen_t addrlen = sizeof(cin);
int newfd =-1;
pid_t cpid = 0;
while(1)
{
//父进程专门负责连接
newfd = accept(sfd,(struct sockaddr*)&cin,&addrlen);
if(newfd < 0)
{
ERR_MSG("accept");
return -1;
}
printf("[%s : %d] newfd=%d 客户端连接成功\n",\
inet_ntoa(cin.sin_addr),ntohs(cin.sin_port),newfd);
//运行到当前位置代表有客户端连接成功
//此时需要创建一个子进程，用于于客户端交互
cpid = fork();
if(0 == cpid) //子进程运行
{
//专门负责与客户端交互,客户端连接之后才能创建子进程
close(sfd);
send_recv_msg(newfd,cin);
exit(0); //退出子进程，子进程只进行交互
}
else if(cpid > 0)
{
close(newfd); //对父进程来说newfd无用
}
else
{
ERR_MSG("fork");
return -1;
}
}
//关闭套接字文件描述符
close(sfd);
return 0;
}
int send_recv_msg(int newfd, struct sockaddr_in cin)
{
char buf[128]="";
ssize_t res = 0;
while(1)
{
bzero(buf,sizeof(buf));//接收
res = recv(newfd, buf, sizeof(buf),0);
if(res < 0)
{
ERR_MSG("recv");
return -1;
}
else if(0 == res)
{
fprintf(stderr,"[%s : %d] newfd=%d 客户端下线\n",\
inet_ntoa(cin.sin_addr), ntohs(cin.sin_port), newfd);
break;
}
printf("[%s : %d] newfd=%d : %s\n",\
inet_ntoa(cin.sin_addr),ntohs(cin.sin_port),newfd,buf);
//发送
if(send(newfd,buf,sizeof(buf),0)< 0)
{
ERR_MSG("send");
return -1;
}
printf("发送成功\n");
}
return 0;
}
2.多线程TCP服务器
在多线程TCP服务器中，服务器进程会创建多个线程来处理客户端连接请求。对于每个客户端连接请求，服务器进程会创建一个新的线程去处理，各个线程之间相互独立，能够同时处理多个客户端连接请求。具体实现上可以使用pthread库或Windows API等多线程编程接口。
优点：
- 线程创建与销毁较轻量级，相对于多进程来说资源开销小；
- 处理IO密集型任务效率高，不需要频繁切换上下文。
缺点：
- 竞争条件和死锁问题，需要加锁操作，增加了复杂度；
- 容易造成线程过多，导致资源竞争，影响系统性能。
具体代码实现如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define ERR_MSG(msg) do{\
fprintf(stderr,"line:%d",__LINE__);\
perror(msg);\
}while(0)
#define PORT 5555
#define IP "192.168.10.133"
//需要传入到线程执行体类型中
struct cli_msg
{
int newfd;
struct sockaddr_in cin;
};
void* CallBack(void* arg);
int main(int argc, const char *argv[])
{
//创建流式套接字
int sfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(sfd < 0)
{
ERR_MSG("socket");
return -1;
}
printf("socket create success sfd=%d\n",sfd);
//允许端口快速被重用
int resue = 1;
if(setsockopt(sfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&resue,sizeof(resue))< 0)
{
ERR_MSG("setsockopt");
return -1;
}
//填充服务器的地址信息结构体
//真实的地址信息结构体根据地址族执行，AF_INET ，man 7 ip
struct sockaddr_in sin;
sin.sin_family = AF_INET;
sin.sin_port = htons(PORT);
sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
//将IP地址和端口号绑定到指定的套接字文件描述符上
if(bind(sfd,(struct sockaddr*)&sin,sizeof(sin))< 0)
{
ERR_MSG("bind");
return -1;
}
printf("bind success\n");
//将通讯套接字设置为被动监听状态：监听是否有客户端连接
//listen函数维护两个队列:未完成连接的队列和已完成连接的队列
if(listen(sfd,128)< 0)
{
ERR_MSG("listen");
return -1;
}
printf("linsten success\n");
//功能:阻塞函数，阻塞等待客户端连接成功
//当客户端连接成功后，会从已完成连接的队列头中获取一个客户端信息
//同时生成一个新的文件描述符(与客户端通信)
struct sockaddr_in cin; //存储连接成功的客户端信息
socklen_t addrlen = sizeof(cin);
int newfd =-1;
pthread_t tid;
struct cli_msg info;
while(1)
{
//主程序负责连接
//accept函数阻塞前，预选 一个没有被使用的文件描述符
//解除阻塞后，会判断预选的文件描述符是否被使用
//若被使用则重新遍历一个新的文件描述符
//如果没被使用，则返回预先的文件描述符
newfd = accept(sfd,(struct sockaddr*)&cin,&addrlen);
if(newfd < 0)
{
ERR_MSG("accept");
return -1;
}
printf("newfd=%d, 客户端已连接\n",newfd);
info.newfd =newfd;
info.cin = cin;
//运行到当前位置代表客户端连接成功
//需要创建一个分支线程用来与客户端交互
if(pthread_create(&tid,NULL,CallBack,&info) != 0)
{
fprintf(stderr,"pthread_create failed __%d__",__LINE__);
return -1;
}
pthread_detach(tid); //分离线程
}
//关闭套接字文件描述符
close(sfd);
return 0;
}
//线程执行体
void* CallBack(void* arg)
{
//必须要另存，因为同一个进程下的线程共享其附属进程的所有资源
//如果使用全局，则会导致每次连接客户端后，newfd和cin会被覆盖
//如果使用指针间接访问外部成员变量，也会导致，成员变量被覆盖。
int newfd = ((struct cli_msg*)arg)->newfd;
struct sockaddr_in cin = ((struct cli_msg*)arg)->cin;
char buf[128]="";
ssize_t res = -1;
while(1)
{
bzero(buf,sizeof(buf));
//接收
res = recv(newfd,buf,sizeof(buf),0);
if(res < 0)
{
ERR_MSG("recv");
break;
}
else if(0 == res)
{
fprintf(stderr,"[%s : %d] newfd=%d 客户端下线\n",\
inet_ntoa(cin.sin_addr),ntohs(cin.sin_port),newfd);
break;
}
printf("[%s : %d] newfd=%d : %s\n",\
inet_ntoa(cin.sin_addr),ntohs(cin.sin_port),newfd,buf);
if(send(newfd,buf,sizeof(buf),0)<0)
{
ERR_MSG("send");
break;
}
printf("发送成功\n");
}
close(newfd);
pthread_exit(NULL);
}
综上所述，多线程TCP服务器适合处理并发量不是很大的情况，而多进程TCP服务器适合处理并发量比较大的情况。当然，多线程和多进程在设计和实现时都需要注意并发安全问题，避免死锁、竞争条件等问题的发生，以保证服务器的稳定运行。