UNIX网络编程：socket & pthread_create()多线程 实现clients/server通信
一、问题引入
UNIX网络编程：socket & fork()多进程 实现clients/server通信 随笔介绍了通过fork()多进程实现了服务器与多客户端通信。但除了多进程能实现之外，多线程也是一种实现方式。
重要的是，多进程和多线程是涉及操作系统层次。随笔不仅要利用pthread_create()实现多线程编程，也要理解线程和进程的区别。
二、解决过程
client 代码无需修改，请参考 Linux网络编程：socket & fork()多进程 实现clients/server通信
2-1 server 代码
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/syscall.h>
#define IP "10.8.198.227"
#define PORT 8887
#define gettid() syscall(__NR_gettid)
#define PTHREAD_MAX_SIZE 3 // 允许最大客户端连接数
typedef struct PTHREAD_DATA_ST
{
pthread_t pthread_id;
int connfd;
char socket[128];
struct sockaddr_in cliaddr;
}PTHREAD_DATA_ST;
//static int g_pthread_num = 3; // 允许最大客户端连接数
static struct PTHREAD_DATA_ST g_pthread_data[PTHREAD_MAX_SIZE];
static void pthread_data_index_init(void)
{
for (int i = 0; i < PTHREAD_MAX_SIZE; i++)
{
memset(&g_pthread_data[i], 0 , sizeof(struct PTHREAD_DATA_ST));
g_pthread_data[i].connfd = -1;
}
}
static int pthread_data_index_find(void)
{
int i;
for (i = 0; i < PTHREAD_MAX_SIZE; i++)
{
if (g_pthread_data[i].connfd == -1)
break;
}
return i;
}
static int string_toupper(const char *src, int str_len, char *dst)
{
int count = 0;
for (int i = 0; i < str_len; i++)
{
dst[i] = toupper(src[i]);
count++;
}
return count;
}
void *pthread_handle(void *arg)
{
struct PTHREAD_DATA_ST *pthread = (struct PTHREAD_DATA_ST *)arg;
int connfd = pthread->connfd;
int recv_len, send_len;
pid_t tid = gettid();
char read_buf[1024], write_buf[1024];
while (1)
{
memset(read_buf, 0, sizeof(read_buf));
memset(write_buf, 0, sizeof(write_buf));
recv_len = read(connfd, read_buf, sizeof(read_buf));
if (recv_len <= 0)
{
printf("%s close, child %d terminated\n", pthread->socket, tid);
close(connfd);
pthread->connfd = -1;
pthread_exit(NULL);
}
printf("%s:%s(%d Byte)\n", pthread->socket, read_buf, recv_len);
send_len = string_toupper(read_buf, strlen(read_buf), write_buf);
write(connfd, write_buf, send_len);
if (strcmp("exit", read_buf) == 0)
{
printf("%s exit, child %d terminated\n", pthread->socket, tid);
close(connfd);
pthread->connfd = -1;
pthread_exit(NULL);
}
}
}
int main(void)
{
int listenfd, connfd;
struct sockaddr_in server_sockaddr;
struct sockaddr_in client_addr;
char buf[1024];
char client_socket[128];
socklen_t length;
int idx;
int opt = 1;
server_sockaddr.sin_family = AF_INET;
server_sockaddr.sin_port = htons(PORT);
server_sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(IP);
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listenfd < 0)
{
perror("socket error");
exit(1);
}
// 设置端口复用
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&server_sockaddr, sizeof(struct sockaddr)) < 0)
{
perror("bind error");
exit(1);
}
if (listen(listenfd, 5) < 0)
{
perror("listen error");
exit(1);
}
pthread_data_index_init();
while (1)
{
// 接受来自客户端的信息
printf("accept start \n");
memset(&client_addr, 0, sizeof(client_addr));
length = sizeof(client_addr);
if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &length)) < 0)
{
if (errno == EINTR)
continue;
else
{
perror("accept error");
exit(1);
}
}
idx = pthread_data_index_find();
if (idx == PTHREAD_MAX_SIZE)
{
printf("client connected upper limit, refused connect\n");
close(connfd);
continue;
}
memset(&client_socket, 0, sizeof(client_socket));
printf("client addr:%s por:%d\n",
inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, buf, sizeof(buf)),
ntohs(client_addr.sin_port));
snprintf(client_socket, sizeof(client_socket), "client socket (%s:%d)",
inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, buf, sizeof(buf)),
ntohs(client_addr.sin_port));
g_pthread_data[idx].connfd = connfd;
g_pthread_data[idx].cliaddr = client_addr;
strcpy(g_pthread_data[idx].socket, client_socket);
pthread_create(&(g_pthread_data[idx].pthread_id), NULL, pthread_handle, &(g_pthread_data[idx]));
pthread_detach(g_pthread_data[idx].pthread_id);
}
close(listenfd);
return EXIT_SUCCESS;
}
2-2 编译运行
📌 编译server.c时，出现 对‘pthread_create’未定义的引用
原因：pthread.h库不是linux系统的默认库，添加编译参数：-lpthread 即可 (或 pthread 也行)
- 编译源文件
gcc server.c -g -std=gnu99 -lpthread -o server
- client 1 和client 2连接server
- client 1 断开连接
- client 2 断开连接
👉 在server未设置端口复用，server主动断开，重启报错： bind error: Adress already in use
解决方法：
int opt = 1;
// 设置端口复用
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
2-3 多线程处理
- 线程id
👉 同一进程下的进程号pid相同，各个线程的线程号tid不相同
在linux中无法直接使用gettid()获取线程id，正确解决办法在源文件中添加如下宏：
#include <sys/syscall.h>
#define gettid() syscall(__NR_gettid)
- 多线程
通过宏 PTHREAD_MAX_SIZE 定义线程最大数量，毕竟计算机资源是有限的。
accept()成功返回，此时某一个client已经完成TCP三次握手，接下来可以准备创建线程通信。但不能无脑创建线程，应检测当前已创建的线程数量，只有未超越线程最大数量才能创建线程。
1、父线程负责监听新的客户端连接，并创建新的线程
2、子线程负责和客户端进行通信
👉 注意：使用多线程要将子线程设置为分离属性, 让线程在退出之后自己回收资源
// pthread_create(), pthread_detach(), pthread_exit()原型声明在如下头文件中
#include <pthread.h>
/*
* @param *thread 新线程创建成功后的线程指针
* @param *attr 创建线程时，设置属性。默认可设置为NULL
* @param *(*start_routine) (void *) 线程运行函数指针
* @param *arg 线程运行函数指针的形参
* @return 若成功，返回值为0，否则失败
*/
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);
/* pthread_detact()在线程结束后，回收资源。
* @param thread 新线程创建成功后的线程指针
* @return 若成功，返回值为0，否则失败
*/
int pthread_detach(pthread_t thread);
//Compile and link with -pthread.
| 线程调用 | 描述 |
|---|---|
| pthread_create | 创建一个新线程 |
| pthread_exit | 结束调用的线程 |
| pthread_join | 等待一个特定的线程退出 |
| pthread_detach | 线程进入脱离状态 |
| pthread_self | 获取自身的线程ID |
| pthread_yield | 释放CPU来运行另外一个线程 |
| pthread_attr_init | 创建并初始化一个线程的属性结构 |
| pthread_attr_destroy | 删除(销毁)一个线程的属性结构 |
三、反思总结
3-1 进程
在进程模型中，计算机上所有可运行的软件，通常也包括操作系统，被组织成若干顺序进程，简称进程（process）。
进程是资源（CPU、内存等）分配的基本单位，它是程序执行时的一个实例。
3-2 线程
线程是程序执行时的最小单位，它是进程的一个执行流，是CPU调度和分派的基本单位，一个进程可以由一个或多个线程组成（一般有且只有一个主线程），线程间共享进程的所有资源，每个线程有自己的堆栈和局部变量。
四、参考引用
UNIX网络编程 卷1：套接字联网API 第3版
现代操作系统(第四版)
