深入解析：Linux 软件编程(十二)网络编程：TCP 并发服务器构建与 IO 多路复用

在网络编程中，服务器需要应对多个客户端的连接与请求，单循环服务器因同一时刻仅能处理一个客户端任务，无法满足高并发场景。而 TCP 并发服务器可实现多客户端同时处理 。

一、TCP 并发服务器

（一）单循环与并发服务器区别

• 单循环服务器：同一时刻仅能处理一个客户端任务，处理完当前客户端才能响应下一个，效率低。
• 并发服务器：可同时处理多个客户端任务，提升服务端资源利用率与响应能力。

（二）TCP 连接特性

TCP 基于 “三次握手” 建立 一对一连接 ，可靠传输数据，但需高效并发模型支撑多客户端交互。

二、TCP 服务端并发模型

（一）多进程模型

1. 原理：服务端通过 fork() 创建子进程，父进程负责监听新连接，子进程处理客户端交互。
2. 特点：
   • 资源开销大：进程有独立地址空间，创建、切换成本高。
   • 安全性高：进程间资源隔离，一个进程异常一般不影响其他进程。
3. 代码示例：

#include
#include           /* See NOTES */
#include
#include
#include
#include  /* superset of previous */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SER_PORT 50000
#define SER_IP "192.168.0.149"
struct sockaddr_in seraddr;
void hander(int handnum)
{
wait(NULL);
}
int init_tcp_recv()
{
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sockfd  0)
{
}
else if(pid == 0)
{
char buff[1024] = {0};
while(1)
{
memset(buff, 0, sizeof(buff));
int ret = recv(connfd, buff, sizeof(buff), 0);
if(ret ok");
int cnt = send(connfd, buff, strlen(buff), 0);
if(cnt < 0)
{
perror("send error");
close(connfd);
break;
}
}
}
}
close(sockfd);
return 0;
}

（二）多线程模型

1. 原理：借助 pthread_create() 创建线程，主线程负责 accept 新连接，子线程处理客户端数据收发。
2. 特点：
   • 资源开销小：线程共享进程地址空间，创建、切换成本低于进程，相同资源环境下并发量更高。
   • 需注意同步：线程共享资源，如需客户端地址信息等，需用锁机制（如互斥锁）避免竞争，否则易引发数据混乱，或者创建结构体将客户端信息和通信套接字放在里面，然后线程传参时第四个参数传入结构体的地址，然后进行访问内容。
3. 伪代码示例：

#include
#include           /* See NOTES */
#include
#include
#include
#include  /* superset of previous */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SER_PORT 50000
#define SER_IP "192.168.0.149"
struct sockaddr_in seraddr;
int init_tcp_recv()
{
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sockfd ok");
int cnt = send(connfd, buff, strlen(buff), 0);
if(cnt < 0)
{
perror("send error");
close(connfd);
break;
}
}
return NULL;
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
int sockfd = init_tcp_recv();
if(sockfd < 0)
{
return -1;
}
pthread_t tid;
while(1)
{
int connfd = accept(sockfd, NULL, NULL);
if(connfd < 0)
{
perror("accept error");
return -1;
}
pthread_create(&tid, NULL, recv_senf, &connfd);
pthread_detach(tid);
}
close(sockfd);
return 0;
}

（三）线程池模型

1. 背景：多线程 / 多进程模型中，频繁创建、销毁线程 / 进程会产生大量时间消耗。线程池基于 生产者 - 消费者模型 与 任务队列 ，预先创建一定数量线程，复用线程处理任务，减少资源开销。
2. 原理：
   • 生产者（主线程）：负责 accept 客户端连接，将任务（如处理客户端请求）放入任务队列。
   • 消费者（线程池中的次线程）：从任务队列取出任务并执行，执行完可继续获取新任务，无需频繁创建销毁。
3. 模型示意图：
   主线程作为生产者生产任务（如客户端连接处理任务），放入任务队列；多个次线程作为消费者，从队列取任务执行，实现任务高效复用与并发处理。

（四）IO 多路复用模型

1. 核心思想：让一个进程 / 线程 复用多个文件描述符（fd）的读写操作 ，不创建新进程 / 线程，通过一个进程监测、处理多个文件（如 socket 连接）的读写事件。
2. 应用场景：需同时监听多个 fd （如 stdin、connfd 等），避免阻塞 IO 导致程序 “卡主”，典型函数有 select、poll、epoll 。

（1）select 函数

• 函数与操作步骤：
  • 创建文件描述符集合：用 fd_set 类型，通过 FD_ZERO 清空集合，FD_SET 添加关注的 fd 。
  • 传递集合给内核监测：调用 select 函数，内核监测集合中 fd 的事件（读、写、异常等），监测期间进程阻塞。
  • 处理事件：内核监测到事件后，select 解除阻塞，通过 FD_ISSET 判断具体 fd 事件，执行对应读写操作。
• 关键函数与 select 原型：

• void FD_CLR(int fd, fd_set *set); 
  int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); 
  void FD_SET(int fd, fd_set *set); 
  void FD_ZERO(fd_set *set); 

  int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
             fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
  功能：传递文件描述符结合表给内核并等待获取事件结果
         参数：
                 nfds ： 关注的最大文件描述符+1
                 readfds：读事件的文件描述符集合
                writefds：写事件的文件描述符集合
                exceptfds：其他事件的文件描述符集合
                timeout：设置select监测时的超时时间
                                 NULL ： 不设置超时时间（select一直阻塞等待）

          返回值：
              成功：返回内核监测的到达事件的个数
              失败：-1
              0 ： 超时时间到达，但没有事件发生，则返回

• 伪代码示例（结合 TCP 服务端）：

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include           /* See NOTES */
#include
#include  /* superset of previous */
#include
#include
#include
#include
#define SER_PORT 50000
#define SER_IP "192.168.0.149"
struct sockaddr_in seraddr;
int init_tcp_recv()
{
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sockfd  connfd ? maxfd : connfd;
}
for(int i = sockfd + 1;i ok");
cnt = send(i, buff, strlen(buff), 0);
if(cnt < 0)
{
perror("send error");
FD_CLR(i, &rdfds);
close(i);
continue;
}
}
}
}
close(sockfd);
return 0;
}

• 特点：
  • 需维护 fd 集合，每次 select 后需重新添加 fd（因内核会修改集合）。
  • fd 数量受限（受系统默认限制，如 1024 ），高并发场景可能不够用。

（2）poll/epoll 

• poll：与 select 类似，通过 struct pollfd 数组传递监测的 fd 及事件，解决 select 中 fd 数量受限问题，但本质仍需遍历 fd 判断事件，高并发下效率一般。
• epoll：Linux 下高效的 IO 多路复用机制，通过 红黑树 维护监测的 fd，回调机制 通知事件，无需遍历所有 fd ，高并发场景（如大量客户端连接）效率远高于 select/poll 。

三、总结

TCP 并发服务器构建有多种模式：

• 多进程模型资源开销大但安全；
• 多线程模型轻量但需注意同步；
• 线程池模型优化线程资源管理，适配高频任务场景；
• IO 多路复用（select/poll/epoll ）让单进程实现多 fd 监测，高效处理并发连接。