網路編程TCP/IP協議（二）----- 多行程多執行緒服務器-有解無憂

1、前言

上一篇已經實作了服務器端與客戶端之間最基礎通信，但存在一些問題，最大的問題是上篇中一個服務器端只能連接一個客戶端，如何讓一個服務器端可以連接多個客戶端呢？利用多行程多執行緒實作，

2、優化說明

優化1：讓服務器程式可以系結在任何的IP地址上，
優化2 ：通程序式獲取剛建立的socket的客戶端的IP地址和埠號，
優化3 ：連接多個客戶端，
優化4：允許系結地址快速重用，

3、幾個函式

在這里插入圖片描述

1、IP地址轉換函式

1、 本地位元組序轉化為網路位元組序

 #include <arpa/inet.h>
 int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

af:地址協議族（IPV4:4:AF_INET或IPV6::AF_INET6)
src:是一個指標，填寫點分形式的IP地址
dest:轉換的結果給dst
在服務器端Bind()函式系結IP地址和埠號，客戶端connect()函式填充IP地址和埠號時，是將本地位元組序轉化為網路位元組序，

2、網路位元組序轉化為本地位元組序

 #include <arpa/inet.h>
 int inet_ntop(int af, const char *src, void *dst， socklen_t size);

af:引數同上
src：從結構體中讀取IP地址，該結構體中有IP地址和埠號等資訊，
dst:讀取到的IP地址保存的地址，如果是IPV4,結果為點分形式，
結構體大小
服務器端讀取客戶端IP地址和埠號時，需要將網路位元組序轉化為本地位元組序，

2、埠位元組序轉化

       #include <arpa/inet.h>

       uint32_t htonl(uint32_t hostlong);    //本地位元組序到網路位元組序 4位元組

       uint16_t htons(uint16_t hostshort);  //本地位元組序到網路位元組序 2位元組

       uint32_t ntohl(uint32_t netlong);   //網路位元組序到本地位元組序  4位元組

       uint16_t ntohs(uint16_t netshort); // 網路位元組序到本地位元組序 2位元組

3、行程創建函式

 #include <sys/types.h>
 #include <unistd.h>
  pid_t fork(void);

創建一個新的行程，新行程為當前行程的子行程，fork()通過回傳值來判斷行程是在子行程中，還是父行程中，
回傳值 = 0，在子行程中；回傳值 <0，創建子行程失敗；回傳值 >0,在父行程，
子行程繼承父行程的內容，子行程先結束時，父行程需要及時回收，

4、行程回收函式

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/wait.h>
 pid_t waitpid(pid_t pid, int *wstatus, int options);

pid=-1 等待任何子行程，此時的waitpid()函式就退化成了普通的wait()函式，
wstatus指定用于保存子行程回傳值和結束方式的地址，
options 指定回收方式，0或WNOHANG，WNOHANG為非阻塞方式，

5、執行緒創建函式

 #include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);

引數thread為指向執行緒識別符號的指標，
attr 為執行緒屬性，NULL表示默認，
start_routine 執行緒執行函式，
arg為傳遞給執行函式的引數，

多執行緒實作-服務器端

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <strings.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <errno.h>   /*與error相關的*/
#include <arpa/inet.h>
#define  SERV_PORT 5001
#define  SERV_IP_ADDR "192.168.192.143"
#define  BACKLOG  5
#define  QUIT_STR "quit"

void  cli_data_handle(void * arg);
int main()
{
        int fd =-1;
        struct sockaddr_in sin;
        /*第一步：創建socket fd*/
        if( (fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0){
                perror("socket");
                exit(1);
        }
                /*優化4：允許系結地址快速重用*/
        int b_reuse = 1;
        setsockopt(fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&b_reuse,sizeof(int));

        /*第二步：系結*/
        /*填充struct sockaddr_in結構體變數*/
        bzero(&sin,sizeof(sin)); //清空結構體
        sin.sin_family = AF_INET;//TCP/IP協議族
        sin.sin_port = htons(SERV_PORT); //轉化為網路位元組序埠號
        /*優化1:讓服務器程式可以系結在任何的IP地址上*/
#if 1
        sin.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
#else
        if(inet_pton(AF_INET,SERV_IP_ADDR,&sin.sin_addr) != 1){//ip地址轉化為網路位元組序
                perror("inet_pton");
                exit(1);
        }
#endif
        /*系結,強制轉化為struct sockaddr結構體*/
        if(bind(fd,(struct sockaddr *)&sin,sizeof(sin)) < 0){
                perror("bind error");
                exit(1);
        }
        /*第三步：呼叫listen()把主動套接字變成被動套接字*/
        if(listen(fd,BACKLOG) < 0){ //BACKLOG 通常為 5
                perror("listen");
                exit(1);
        }
        /*第四步：阻塞等待客戶端連接請求*/
        printf("Server starting......OK\n");
        int newfd = -1;
#if 0
        newfd = accept(fd,NULL,NULL);//和客戶端連接成功時，回傳一個新的newfd
        if(newfd < 0){
                perror("accept");
                exit(1);
        }
#else
        /*優化2：通程序式獲取剛建立的socket的客戶端的IP地址和埠號*/
        pthread_t  tid;
        struct sockaddr_in cin; //用于存放客戶端的資訊
        socklen_t addrlen = sizeof(cin);
        while(1){
        if((newfd = accept(fd,(struct sockaddr*)&cin,&addrlen)) < 0){
                perror("accept");
                exit(1);
        }
        char ipv4_addr[16];/*字串陣列，用于存放轉化后的IP地址*/
        if(! inet_ntop(AF_INET,(void *)&cin.sin_addr,ipv4_addr,sizeof(cin))){
                perror("inet_ntop");
                exit(1);
        }
        printf("Client(%s:%d) is connected!\n",ipv4_addr,ntohs(cin.sin_port));
        pthread_create(&tid,NULL,(void *)cli_data_handle,(void*)&newfd);//創建執行緒，傳入函式的引數為newfd
        }

        close(fd);
}
#endif
void  cli_data_handle(void * arg){

        int newfd = *(int*)arg;  //先強制轉換為int型指標，再取值
        printf("handler thread:newfd = %d\n",newfd);/**/

        int ret = -1;
        char buf[BUFSIZ];
        while(1){
                bzero(buf,BUFSIZ);
                do{
                ret  = read(newfd,buf,BUFSIZ-1);//讀取客戶端寫入到BUF中的資料
                }while(ret < 0 && EINTR == errno);
                if(ret < 0){  // 出錯
                        perror("read");
                        exit(1);
                }
                if(!ret){ //沒有讀到資料時，退出當前回圈
                        break;
                }
                printf("Receive data(client fd:%d):%s\n",newfd,buf);
                if(!strncasecmp(buf,QUIT_STR,strlen(QUIT_STR))){//相等時 回傳0
                     printf("Client(fd = %d) is exiting!\n",newfd);  //該比較函式忽略字母大小寫
                      break;
                }
     }
        close(newfd);/*退出回圈后，關閉*/

}

多行程實作服務器端

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <pthread.h>
  3 #include <string.h>
  4 #include <unistd.h>
  5 #include <stdlib.h>
  6 #include <string.h>
  7 #include <unistd.h>
  8 #include <stdlib.h>
  9 #include <sys/types.h>
 10 #include <sys/wait.h>
 11 #include <sys/socket.h>
 12 #include <strings.h>
 13 #include <netinet/in.h>
 14 #include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
 15 #include <signal.h>
 16 #include <errno.h>   /*與error相關的*/
 17 #include <arpa/inet.h>
 18 #define  SERV_PORT 5001
 19 #define  SERV_IP_ADDR "192.168.192.143"
 20 #define  BACKLOG  5
 21 #define  QUIT_STR "quit"
 22
 23 void  cli_data_handle(void * arg);
 24         /*回收子行程*/
 25 void sig_child_handle(int signo){
 26         if(SIGCHLD == signo){ //子行程暫停或終止時產生，父行程將收到
 27         waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
 28         }
 29
 30 }
 31 int main()
 32 {
 33         int fd =-1;
 34         struct sockaddr_in sin;
 35
 36         signal(SIGCHLD,sig_child_handle);
 37
 38         /*第一步：創建socket fd*/
 39         if( (fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0){
 40                 perror("socket");
 41                 exit(1);
 42         }
 43         /*優化4：允許系結地址快速重用*/
 44         int b_reuse = 1;
 45         setsockopt(fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&b_reuse,sizeof(int));
 46         /*第二步：系結*/
 47         /*填充struct sockaddr_in結構體變數*/
 48         bzero(&sin,sizeof(sin)); //清空結構體
 49         sin.sin_family = AF_INET;//TCP/IP協議族
 50         sin.sin_port = htons(SERV_PORT); //轉化為網路位元組序埠號
 51         /*優化1:讓服務器程式可以系結在任何的IP地址上*/
 52 #if 1
 53         sin.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
 54 #else
 55         if(inet_pton(AF_INET,SERV_IP_ADDR,&sin.sin_addr) != 1){//ip地址轉化為網路位元組序
 56                 perror("inet_pton");
 57                 exit(1);
 58         }
 59 #endif
 60         /*系結,強制轉化為struct sockaddr結構體*/
 61         if(bind(fd,(struct sockaddr *)&sin,sizeof(sin)) < 0){
 62                 perror("bind error");
 63                 exit(1);
 64         }
 65         /*第三步：呼叫listen()把主動套接字變成被動套接字*/
 66         if(listen(fd,BACKLOG) < 0){ //BACKLOG 通常為 5
 67                 perror("listen");
 68                 exit(1);
 69         }
 70         /*第四步：阻塞等待客戶端連接請求*/
 71         printf("Server starting......OK\n");
 72         int newfd = -1;
 73 #if 0
 74         newfd = accept(fd,NULL,NULL);//和客戶端連接成功時，回傳一個新的newfd
 75         if(newfd < 0){
 76                 perror("accept");
 77                 exit(1);
 78         }
 79 #else
 80         /*優化2：通程序式獲取剛建立的socket的客戶端的IP地址和埠號*/
 81
 82         //pthread_t  tid;
 83         struct sockaddr_in cin;
 84         socklen_t addrlen = sizeof(cin);
 85         while(1){
 86         pid_t pid = -1;
 87         if((newfd = accept(fd,(struct sockaddr*)&cin,&addrlen)) < 0){
 88                 perror("accept");
 89                 exit(1);
 90         }
 91
 92         if((pid = fork()) < 0){
 93                 perror("fork");
 94                 break;
 95         }
 96         if( 0 == pid)//子行程
 97         {
 98
 99         close(fd);//不用fd
100         char ipv4_addr[16];/*字串陣列，用于存放轉化后的IP地址*/
101         if(! inet_ntop(AF_INET,(void *)&cin.sin_addr,ipv4_addr,sizeof(cin))){
102                 perror("inet_ntop");//從網路位元組序轉化為本地位元組序
103                 exit(1);
104              }   
105         printf("Client(%s:%d) is connected!\n",ipv4_addr,ntohs(cin.sin_port));
106         cli_data_handle(&newfd);
107         return 0;
108         }
109         else{   //pid > 0,父行程
110           close(newfd);
111         }
112
113         }
114 }
115 #endif
116 void  cli_data_handle(void * arg){
117
118         int newfd = *(int*)arg;  //先強制轉換為int型指標，再取值
119         printf("child handling process:newfd = %d\n",newfd);/**/
120         int ret = -1;
121         char buf[BUFSIZ];
122         while(1){
123                 bzero(buf,BUFSIZ);
124                 do{
125                 ret  = read(newfd,buf,BUFSIZ-1);//讀取客戶端寫入到BUF中的資料
126                 }while(ret < 0 && EINTR == errno);
127                 if(ret < 0){  // 出錯
128                         perror("read");
129                         exit(1);
130                 }
131                 if(!ret){ //沒有讀到資料時，退出當前回圈
132                         break;
133                 }
134                 printf("Receive data(client fd:%d):%s\n",newfd,buf);
135                 if(!strncasecmp(buf,QUIT_STR,strlen(QUIT_STR))){//相等時 回傳0
136                      printf("Client(fd = %d) is exiting!\n",newfd);  //該比較函式忽略字母大小寫
137                       break;
138                 }
139      }
140      close(newfd);
141 }
142
143
~
~
~

客戶端執行時輸入 ./client serv_ip serv_port

/*./client serv_ip serv_port*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <strings.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <errno.h>   /*與error相關的*/
#include <arpa/inet.h>
#define  SERV_PORT 5001
#define  SERV_IP_ADDR "192.168.192.143"
#define  BACKLOG  5
#define  QUIT_STR "quit"
void usage(char *s)
{
        printf("\n%s serv_ip serv_port",s);
        printf("\n\t serv_ip:server ip address");
        printf("\n\t serv_port:server port(>5000)\n\n");
}
int main(int argc,char *argv[])
{
        int fd = -1;
        int port = -1;
        if(argc != 3){
                usage(argv[0]);
                exit(1);
}
        struct sockaddr_in sin;
        /*第一步：創建socket fd*/
        if( (fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)) < 0){
                perror("socket");
                exit(1);
        }
        port  = atoi(argv[2]);  //輸入的第三個引數 埠號
        if(port < 5000){
                usage(argv[0]);
                exit(1);
        }
        /*第二步：連接*/
        /*填充struct sockaddr_in結構體變數*/
        bzero(&sin,sizeof(sin)); //清空結構體
        sin.sin_family = AF_INET;//TCP/IP協議族
        sin.sin_port = htons(port); //轉化為網路位元組序
        if(inet_pton(AF_INET,argv[1],(void*)&sin.sin_addr) != 1){//ip地址轉化為網路位元組序
                perror("inet_pton");
                exit(1);
        }
        if(connect(fd,(struct sockaddr *)&sin,sizeof(sin)) < 0){
                perror("connect ");
                exit(1);
        }
        /*寫入資料*/
        char buf[BUFSIZ];
        while(1){
        bzero(buf,BUFSIZ);
        if(fgets(buf,BUFSIZ-1,stdin) ==  NULL){  //鍵盤輸入資料到buf
                continue;
        }
        write(fd,buf,strlen(buf));
        if(!strncasecmp(buf,QUIT_STR,strlen(QUIT_STR))){//相等時 回傳0
                        printf("Client is exiting!\n");  //該比較函式忽略字母大小寫
                        break;
        }
 }

/*關閉*/
        close(fd);
}

4、編譯運行

/*多行程實作 服務器端*/
book@100ask:~/socket$ ./server3
Server starting......OK
Client(192.168.192.143:36066) is connected!    //行程1
child handling process:newfd = 4
Receive data(client fd:4):welcome
Receive data(client fd:4):147
Receive data(client fd:4):Next change client

Client(192.168.192.143:36068) is connected! //行程2
child handling process:newfd = 4
Receive data(client fd:4):hello
Receive data(client fd:4):2021
Receive data(client fd:4):456
Receive data(client fd:4):quit
Client(fd = 4) is exiting!

Client(192.168.192.143:36070) is connected!//行程3
child handling process:newfd = 4
Receive data(client fd:4):11111
Receive data(client fd:4):22222
Receive data(client fd:4):quit

 /*多行程實作 客戶端*/
book@100ask:~/socket$ ./client 192.168.192.143 5001  //輸入的三個引數，client 1
welcome
147
Next change client
book@100ask:~/socket$ ./client 192.168.192.143 5001 //client 2
hello
2021
456
quit
Client is exiting!
book@100ask:~/socket$ ./client 192.168.192.143 5001//client 3
11111
22222
quit
Client is exiting!

/*多執行緒實作-服務器端*/
Client(192.168.192.143:36076) is connected!    //執行緒1
handler thread:newfd = 4
Receive data(client fd:4):qwe
Receive data(client fd:4):789

Client(192.168.192.143:36078) is connected!  //執行緒2
handler thread:newfd = 5
Receive data(client fd:5):000
Receive data(client fd:5):999

Client(192.168.192.143:36080) is connected!  //執行緒3
handler thread:newfd = 6
Receive data(client fd:6):abc
Receive data(client fd:6):711
/*多執行緒實作-客戶端*/
book@100ask:~/socket$ ./client 192.168.192.143 5001 //client 1
qwe
789
book@100ask:~/socket$ ./client 192.168.192.143 5001//client 2
000
999
book@100ask:~/socket$ ./client 192.168.192.143 5001//client 3
abc
711

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