代码开源（6）——UNIX并发编程
之前在代码开源（3）——UNIX中CS简单实现 给出的代码，存在一个问题，那就是只支持单个连接。本文整理给出了三种方法：多进程、IO多路复用、多线程，主要参考《深入理解计算机系统》一书。对源码做了修改整理，加了些批注。下面一一给出，只修改服务器端的主程序，客户端代码不变。其中用到的rio在代码开源（2）——UNIX 健壮I/O函数 已给出。
首先给出原先的版本，即不支持多个连接。为了突出重点，做了些简化，比如去掉了一些异常的判断（accept调用失败，select调用失败等），实际编写中应该加上这些判断。
#include "server.h"
int main(int argc, char **argv)
{
int listenfd, connfd;
unsigned int clientlen; //地址长度
struct sockaddr_in clientaddr; //客户端地址
if(argc != 2) //参数必须是2个
{
fprintf(stderr, "usage: %s <port>\n",argv[0]);
return 0;
}
listenfd = open_listenfd(atoi(argv[1])); //进入监听状态
clientlen = sizeof(clientaddr);
while(1) //只支持单个连接
{
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientlen); //建立连接
exchange_data(connfd); //与客户端交换数据
close(connfd); //客户端断开连接
}
return 0;
}
下面给出多进程版本，主要利用了fork调用。注意一点：fork调用后，父进程需关闭连接描述符。这是因为fork调用后，父进程和子进程的连接描述符指向同一个文件表表项，当子进程终止时，由于父进程仍拥有该连接描述符，所以不会被释放，从而导致内存泄露，所以父进程应关闭连接描述符。另外，子进程最好关闭监听描述符。
多进程版本的主要缺点就是进程控制和IPC（进程间通信）开销很高，速度比较慢。
//支持多个连接，多进程版
#include "server.h"
#include <signal.h> //signal函数需包含头文件
#include <sys/wait.h> //waitpid函数需要包含头文件
//子进程暂停或终止时，会产生信号SIGCHLD
//从而调用下面这个函数，waitpid(-1, 0, WNOHANG)返回终止的子进程号
void sigchld_handler(int sig)
{
while(waitpid(-1, 0, WNOHANG) > 0) //-1表示等待集合为父进程所有子进程
;
return ;
}
int main(int argc, char **argv)
{
int listenfd, connfd;
unsigned int clientlen; //地址长度
struct sockaddr_in clientaddr; //客户端地址
if(argc != 2) //参数必须是2个
{
fprintf(stderr, "usage: %s <port>\n",argv[0]);
return 0;
}
signal(SIGCHLD, sigchld_handler); //注册信号处理程序
listenfd = open_listenfd(atoi(argv[1])); //进入监听状态
clientlen = sizeof(clientaddr);
while(1) //支持多个连接
{
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientlen); //建立连接
if(fork() == 0) //建立子进程
{
close(listenfd); //关闭监听描述符
exchange_data(connfd); //与客户端交换数据
close(connfd); //客户端断开连接
exit(0); //子进程终止
}
close(connfd); //关闭连接描述符，子进程中有
}
return 0;
}
下面给出多路IO复用版本。其中主要用到了select调用，另外定义了一个称为pool的数据结构，用来保存监听描述符和连接描述符，具体实现后面给出，完整摘自《深入理解计算机系统》一书，只修改了
pool结构中数组的容量。
相比多进程版本，IO复用的版本比较复杂，实现起来不易。
#include "server.h"
#include "pool.h"
int main(int argc, char **argv)
{
int listenfd, connfd;
unsigned int clientlen; //地址长度
struct sockaddr_in clientaddr; //客户端地址
pool client_pool;
if(argc != 2) //参数必须是2个
{
fprintf(stderr, "usage: %s <port>\n",argv[0]);
return 0;
}
listenfd = open_listenfd(atoi(argv[1])); //进入监听状态
clientlen = sizeof(clientaddr);
init_pool(listenfd, &client_pool); //初始化描述符池
while(1) //支持多个连接
{
client_pool.ready_set = client_pool.read_set;
client_pool.nready = select(client_pool.maxfd + 1, &client_pool.ready_set, NULL, NULL, NULL); //等待描述符就绪
if(FD_ISSET(listenfd, &client_pool.ready_set)) //监听描述符就绪，增加一个连接描述符
{
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientlen); //建立连接
add_client(connfd, &client_pool); //增加一个连接
}
check_clients(&client_pool); //检查所有的连接描述符，判断是否有数据从客户端发来
}
return 0;
}
#ifndef POOL_H_
#define POOL_H_
#include "rio.h"
#define MAX_LINE 1024
#define SET_SIZE 8
typedef struct
{
int maxfd; //读集合的最大描述符
fd_set read_set; //读集合
fd_set ready_set; //读就绪集合
int nready; //准备好的集合数
int maxi; //当前使用的最高位置，即最大下标
int clientfd[SET_SIZE];
rio_t clientrio[SET_SIZE];
}pool;
void init_pool(int listenfd, pool *p); //初始化活动客户池
void add_client(int connfd, pool *p); //增加一个客户连接
void check_clients(pool *p); //为准备好的客户端连接服务
//初始化活动客户池
void init_pool(int listenfd, pool *p)
{
int i;
for(i = 0; i < SET_SIZE; i++) //初始化为-1表示未用
p->clientfd[i] = -1;
FD_ZERO(&p->read_set);
FD_SET(listenfd, &p->read_set);
p->maxfd = listenfd; //只有监听描述符
p->maxi = -1; //客户端连接数组未用
}
//增加一个客户连接
void add_client(int connfd, pool *p)
{
int i;
p->nready--; //准备就绪的连接符数减1，因为已处理完客户端的连接
for(i = 0; i < SET_SIZE; i++) //在客户端连接数组中，寻找可用的空位
{
if(p->clientfd[i] < 0) //找到一个空位
{
//设置相关信息
p->clientfd[i] = connfd;
rio_readinitb(&p->clientrio[i], connfd);
FD_SET(connfd, &p->read_set);
if(connfd > p->maxfd) //更新读集合的最大描述符
p->maxfd = connfd;
if(i > p->maxi) //更新当前使用的最高位置
p->maxi = i;
break;
}
}
}
//为准备好的客户端连接服务
void check_clients(pool *p)
{
int i, connfd, n;
char buf[MAX_LINE];
rio_t rio;
for(i = 0; (i <= p->maxi) && (p->nready > 0); i++) //遍历，寻找准备好的客户端连接
{
connfd = p->clientfd[i];
rio = p->clientrio[i];
if((connfd > 0) && (FD_ISSET(connfd, &p->ready_set))) //已建立连接，并且读就绪
{
p->nready--;
if((n = rio_readlineb(&rio, buf, MAX_LINE)) != 0)
{
printf("server received %d bytes\n", n); //收到的字节数
rio_writen(connfd, buf, n);
}
else
{
close(connfd);
FD_CLR(connfd, &p->read_set);
p->clientfd[i] = -1;
}
}
}
}
#endif /* POOL_H_ */
最后给出多线程版本。用到了几个线程函数，在gcc中编译需加-lpthread。本人实现时用的是Eclipse C++，需在Project->Properties->C/C++ Build->Setting->GCC Compile->Command中加 -lpthread，在
Project->Properties->C/C++ Build->Setting->GCC linker->Command中加 -lpthread。
这里需要注意的一点，每次连接，都需要动态申请空间，用来放连接描述符。这是因为线程例程的参数只能是一个指针，如果连接描述符的空间不是动态分配的，那么一种可能的情况是对等线程执行int connfd = *((int *)argv)前，主线程又收到了连接请求，这时对等线程中的连接描述符就被设置成新的连接描述符。这显然是不对的。
#include "server.h"
#include <pthread.h>
void* thread(void *argv)
{
int connfd = *((int *)argv); //获得已连接描述符
pthread_detach(pthread_self()); //线程分离，它的资源在终止时由系统自动释放
free(argv);
exchange_data(connfd);
close(connfd);
return NULL;
}
int main(int argc, char **argv)
{
int listenfd, *connfdp;
unsigned int clientlen; //地址长度
struct sockaddr_in clientaddr; //客户端地址
pthread_t tid;
if(argc != 2) //参数必须是2个
{
fprintf(stderr, "usage: %s <port>\n",argv[0]);
return 0;
}
listenfd = open_listenfd(atoi(argv[1])); //进入监听状态
clientlen = sizeof(clientaddr);
while(1) //支持多个连接
{
connfdp = malloc(sizeof(int)); //必须是动态生成，否则会有问题
*connfdp = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientlen); //建立连接
pthread_create(&tid, NULL, thread, connfdp); //创建线程
}
return 0;
}