<h1>前言</h1><img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-ccad3388c4a7e5fb.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/>Socket在實際系統(tǒng)程序開發(fā)張中，應用非常廣泛，也非常重要。實際應用中服務器經(jīng)常需要支持多個客戶端連接，實現(xiàn)高并發(fā)服務器模型顯得尤為重要。高并發(fā)服務器從簡單的循環(huán)服務器模型處理少量網(wǎng)絡并發(fā)請求，演進到解決C10K，C10M問題的高并發(fā)服務器模型。
C/S架構服務器-客戶機，即Client-Server(C/S)結構。C/S結構通常采取兩層結構。服務器負責數(shù)據(jù)的管理，客戶機負責完成與用戶的交互任務。在C/S結構中，應用程序分為兩部分:服務器部分和客戶機部分。服務器部分是多個用戶共享的信息與功能，執(zhí)行后臺服務，如控制共享數(shù)據(jù)庫的操作等;客戶機部分為用戶所專有，負責執(zhí)行前臺功能，在出錯提示、在線幫助等方面都有強大的功能，并且可以在子程序間自由切換。<img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-553f551c2c02a378.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/>如上圖所示：這是基于套接字實現(xiàn)客戶端和服務器相連的函數(shù)調(diào)用關系，socket API資料比較多，本文不再過多敘述。pthread線程庫:(POSIX)pthread線程庫是Linux下比較常用的一個線程庫，關于他的用法和特性大家可以自行搜索相關文章，下面只簡單介紹他的用法和編譯。線程標識線程有ID, 但不是系統(tǒng)唯一, 而是進程環(huán)境中唯一有效.
線程的句柄是pthread_t類型, 該類型不能作為整數(shù)處理, 而是一個結構.
下面介紹兩個函數(shù):<pre>頭文件:?<pthread.h>
原型:?int?pthread_equal(pthread_t?tid1,?pthread_t?tid2);
返回值:?相等返回非0,?不相等返回0.說明:?比較兩個線程ID是否相等.

頭文件:?<pthread.h>
原型:?pthread_t?pthread_self();
返回值:?返回調(diào)用線程的線程ID.</pre>線程創(chuàng)建在執(zhí)行中創(chuàng)建一個線程, 可以為該線程分配它需要做的工作(線程執(zhí)行函數(shù)), 該線程共享進程的資源. 創(chuàng)建線程的函數(shù)pthread_create()<pre>頭文件:?<pthread.h>
原型:?int?pthread_create(pthread_t?restrict?tidp,?const?pthread_attr_t?restrict?attr,?void?(start_rtn)(void),?void?restrict?arg);
返回值:?成功則返回0,?否則返回錯誤編號.
參數(shù):
tidp:?指向新創(chuàng)建線程ID的變量,?作為函數(shù)的輸出.
attr:?用于定制各種不同的線程屬性,?NULL為默認屬性（見下）.
start_rtn:?函數(shù)指針,?為線程開始執(zhí)行的函數(shù)名.該函數(shù)可以返回一個void?*類型的返回值，
而這個返回值也可以是其他類型，并由?pthread_join()獲取
arg:?函數(shù)的唯一無類型(void)指針參數(shù),?如要傳多個參數(shù),?可以用結構封裝.</pre>編譯<pre>因為pthread的庫不是linux系統(tǒng)的庫，所以在進行編譯的時候要加上?????-lpthread

?gcc?filename?-lpthread??//默認情況下gcc使用c庫，要使用額外的庫要這樣選擇使用的庫</pre><h1>常見的網(wǎng)絡服務器模型</h1>本文結合自己的理解，主要以TCP為例，總結了幾種常見的網(wǎng)絡服務器模型的實現(xiàn)方式，并最終實現(xiàn)一個簡單的命令行聊天室。單進程循環(huán)單線進程循環(huán)原理就是主進程沒和客戶端通信，客戶端都要先連接服務器，服務器接受一個客戶端連接后從客戶端讀取數(shù)據(jù)，然后處理并將處理的結果返還給客戶端，然后再接受下一個客戶端的連接請求。優(yōu)點單線程循環(huán)模型優(yōu)點是簡單、易于實現(xiàn)，沒有同步、加鎖這些麻煩事，也沒有這些開銷。缺點<ol><li>阻塞模型，網(wǎng)絡請求串行處理；</li><li>沒有利用多核cpu的優(yōu)勢，網(wǎng)絡請求串行處理；</li><li>無法支持同時多個客戶端連接；</li><li>程序串行操作，服務器無法實現(xiàn)同時收發(fā)數(shù)據(jù)。<img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-771dd2e04efd4c7a.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/></li></ol>
單線程IO復用linux高并發(fā)服務器中常用epoll作為IO復用機制。線程將需要處理的socket讀寫事件都注冊到epoll中，當有網(wǎng)絡IO發(fā)生時，epoll_wait返回，線程檢查并處理到來socket上的請求。優(yōu)點<ol><li>實現(xiàn)簡單，減少鎖開銷，減少線程切換開銷。</li></ol>缺點<ol><li>只能使用單核cpu，handle時間過長會導致整個服務掛死；</li><li>當有客戶端數(shù)量超過一定數(shù)量后，性能會顯著下降；</li><li>只適用高IO、低計算，handle處理時間短的場景。</li></ol><img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-760f433980378b9f.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/>?多線程/多進程多線程、多進程模型主要特點是每個網(wǎng)絡請求由一個進程/線程處理，線程內(nèi)部使用阻塞式系統(tǒng)調(diào)用，在線程的職能劃分上，可以由一個單獨的線程處理accept連接，其余線程處理具體的網(wǎng)絡請求（收包，處理，發(fā)包）；還可以多個進程單獨listen、accept網(wǎng)絡連接。優(yōu)點：1、實現(xiàn)相對簡單；?2、利用到CPU多核資源。缺點：1、線程內(nèi)部還是阻塞的，舉個極端的例子，如果一個線程在handle的業(yè)務邏輯中sleep了，這個線程也就掛住了。<img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-2680da6b297750b2.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/>
多線程/多進程IO復用多線程、多進程IO服用模型，每個子進程都監(jiān)聽服務，并且都使用epoll機制來處理進程的網(wǎng)絡請求，子進程 accept() 后將創(chuàng)建已連接描述符，然后通過已連接描述符來與客戶端通信。該機制適用于高并發(fā)的場景。優(yōu)點：<ol><li>支撐較高并發(fā)。
</li></ol>缺點：<ol><li>異步編程不直觀、容易出錯</li></ol><img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-f2553c800804f2f4.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/>
多線程劃分IO角色多線程劃分IO角色主要功能有：一個accept thread處理新連接建立；一個IO thread pool處理網(wǎng)絡IO；一個handle thread pool處理業(yè)務邏輯。使用場景如：電銷應用，thrift TThreadedSelectorServer。優(yōu)點：<ol><li>按不同功能劃分線程，各線程處理固定功能，效率更高</li><li>可以根據(jù)業(yè)務特點配置線程數(shù)量來性能調(diào)優(yōu)</li></ol>缺點：<ol><li>線程間通信需要引入鎖開銷</li><li>邏輯較復雜，實現(xiàn)難度大</li></ol><img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-d769c3ef1dc9553a.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/>

小結上面介紹了常見的網(wǎng)絡服務器模型，還有AIO、協(xié)程，甚至還有其他的變型，在這里不再討論。重要的是理解每種場景中所面臨的問題和每種模型的特點，設計出符合應用場景的方案才是好方案。<h1>多線程并發(fā)服務器模型</h1>下面我們主要討論多線程并發(fā)服務器模型。代碼結構并發(fā)服務器代碼結構如下：<pre>thread_func()

{??while(1)?{
????recv(...);
????process(...);
????send(...);
??}
??close(...);
}
main(
?socket(...);?
?bind(...);
?listen(...);?while(1)?{?
??accept(...);
??pthread_create();
?}
}</pre>由上可以看出，服務器分為兩部分：主線程、子線程。主線程main函數(shù)即主線程，它的主要任務如下：<ol><li>socket()創(chuàng)建監(jiān)聽套字；</li><li>bind（）綁定端口號和地址；</li><li>listen（）開啟監(jiān)聽；</li><li>accept（）等待客戶端的連接，</li><li>當有客戶端連接時，accept（）會創(chuàng)建一個新的套接字new_fd；</li><li>主線程會創(chuàng)建子線程，并將new_fd傳遞給子線程。</li></ol>子線程<ol><li>子線程函數(shù)為thread_func（），他通過new_fd處理和客戶端所有的通信任務。</li></ol>客戶端連接服務器詳細步驟下面我們分步驟來看客戶端連接服務器的分步說明。1. 客戶端連接服務器<ol><li>服務器建立起監(jiān)聽套接字listen_fd，并初始化；</li><li>客戶端創(chuàng)建套接字fd1；</li><li>客戶端client1通過套接字fd1連接服務器的listen_fd；</li></ol><img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-1d21ca8683bdc985.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/>2. 主線程創(chuàng)建子線程thread1<ol><li>server收到client1的連接請求后，accpet函數(shù)會返回一個新的套接字newfd1;</li><li>后面server與client1的通信就依賴newfd1，監(jiān)聽套接字listen_fd會繼續(xù)監(jiān)聽其他客戶端的連接；</li><li>主線程通過pthead_create()創(chuàng)建一個子線程thread1，并把newfd1傳遞給thread1；</li><li>server與client1的通信就分別依賴newfd1、fd1。</li><li>client1為了能夠實時收到server發(fā)送的信息，同時還要能夠從鍵盤上讀取數(shù)據(jù)，這兩個操作都是阻塞的，沒有數(shù)據(jù)的時候進程會休眠，所以必須創(chuàng)建子線程read_thread;</li><li>client1的主線負責從鍵盤上讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送給，子線程read_thread負責從server接受信息。</li></ol><img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-5fa94fc0c45eaf71.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/>3. client2連接服務器<ol><li>客戶端client2創(chuàng)建套接字fd2;</li><li>通過connect函數(shù)連接server的listen_fd；<img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-35f30e13f359f8de.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/></li></ol>4. 主線程創(chuàng)建子線程thread2<ol><li>server收到client2的連接請求后，accpet函數(shù)會返回一個新的套接字newfd2;</li><li>后面server與client2的通信就依賴newfd2，監(jiān)聽套接字listen_fd會繼續(xù)監(jiān)聽其他客戶端的連接；</li><li>主線程通過pthead_create()創(chuàng)建一個子線程thread2，并把newfd2傳遞給thread2；</li><li>server與client1的通信就分別依賴newfd2、fd2。</li><li>同樣client2為了能夠實時收到server發(fā)送的信息，同時還要能夠從鍵盤上讀取數(shù)據(jù)必須創(chuàng)建子線程read_thread;</li><li>client1的主線負責從鍵盤上讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送給，子線程read_thread負責從server接受信息。</li></ol><img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-f49eacd8f5b8097b.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/>在這里插入圖片描述由上圖可見，每一個客戶端連接server后，server都要創(chuàng)建一個專門的thread負責和該客戶端的通信；每一個客戶端和server都有一對固定的fd組合用于連接。<h1>實例</h1>好了，理論講完了，根據(jù)一口君的慣例，也繼承祖師爺?shù)慕陶d：talk is cheap，show you my code.不上代碼，只寫理論的文章都是在耍流氓。本例的主要功能描述如下：<ol><li>實現(xiàn)多個客戶端可以同時連接服務器；</li><li>客戶端可以實現(xiàn)獨立的收發(fā)數(shù)據(jù)；</li><li>客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)給服務器后，服務器會將數(shù)據(jù)原封不動返回給客戶端。</li></ol>服務器端<pre>/*********************************************
???????????服務器程序??TCPServer.c??
???????????公眾號:一口Linux
*********************************************/#include?<stdio.h>#include?<sys/types.h>#include?<sys/socket.h>#include?<arpa/inet.h>#include?<errno.h>#include?<string.h>#include?<pthread.h>#include?<stdlib.h>#define?RECVBUFSIZE?2048void?rec_func(void?arg){?int?sockfd,new_fd,nbytes;?char?buffer[RECVBUFSIZE];?int?i;
?new_fd?=?((int?)?arg);?free(arg);?
?
?while(1)
?{??if((nbytes=recv(new_fd,buffer,?RECVBUFSIZE,0))==-1)
??{???fprintf(stderr,"Read?Error:%s\n",strerror(errno));???exit(1);
??}??if(nbytes?==?-1)
??{//客戶端出錯了?返回值-1
???close(new_fd);???break;???
??}??if(nbytes?==?0)
??{//客戶端主動斷開連接，返回值是0
???close(new_fd);???break;
??}
??buffer[nbytes]='\0';?
??printf("I?have?received:%s\n",buffer);?
??
??
??if(send(new_fd,buffer,strlen(buffer),0)==-1)
??{???fprintf(stderr,"Write?Error:%s\n",strerror(errno));???exit(1);
??}
???
?}

}int?main(int?argc,?char?argv[]){?char?buffer[RECVBUFSIZE];?int?sockfd,new_fd,nbytes;?struct?sockaddr_in?server_addr;
?struct?sockaddr_in?client_addr;
?int?sin_size,portnumber;?char?hello[]="Hello!?Socket?communication?world!\n";?pthread_t?tid;?int?pconnsocke?=?NULL;?int?ret,i;?
?if(argc!=2)
?{??fprintf(stderr,"Usage:%s?portnumber\a\n",argv[0]);??exit(1);
?}?/端口號不對，退出/
?if((portnumber=atoi(argv[1]))<0)
?{??fprintf(stderr,"Usage:%s?portnumber\a\n",argv[0]);??exit(1);
?}?/服務器端開始建立socket描述符??sockfd用于監(jiān)聽/
?if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)??
?{??fprintf(stderr,"Socket?error:%s\n\a",strerror(errno));??exit(1);
?}?
?/服務器端填充?sockaddr結構/?
?bzero(&server_addr,sizeof(struct?sockaddr_in));
?server_addr.sin_family?????=AF_INET;?/自動填充主機IP/
?server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);//自動獲取網(wǎng)卡地址
?server_addr.sin_port???????=htons(portnumber);?
?/捆綁sockfd描述符/?
?if(bind(sockfd,(struct?sockaddr?)(&server_addr),sizeof(struct?sockaddr))==-1)
?{??fprintf(stderr,"Bind?error:%s\n\a",strerror(errno));??exit(1);
?}?
?/監(jiān)聽sockfd描述符/
?if(listen(sockfd,?10)==-1)
?{??fprintf(stderr,"Listen?error:%s\n\a",strerror(errno));??exit(1);
?}?while(1)
?{??/服務器阻塞，直到客戶程序建立連接/
??sin_size=sizeof(struct?sockaddr_in);??if((new_fd?=?accept(sockfd,(struct?sockaddr?)&client_addr,&sin_size))==-1)
??{???fprintf(stderr,"Accept?error:%s\n\a",strerror(errno));???exit(1);
??}
??
??pconnsocke?=?(int?)?malloc(sizeof(int));
??pconnsocke?=?new_fd;
??
??ret?=?pthread_create(&tid,?NULL,?rec_func,?(void?)?pconnsocke);??if?(ret?<?0)?
??{
???perror("pthread_create?err");???return?-1;
??}?
?}?//close(sockfd);
?exit(0);
}</pre>客戶端<pre>/*********************************************
???????????服務器程序??TCPServer.c??
???????????公眾號:一口Linux
*********************************************/#include?<stdio.h>#include?<sys/types.h>#include?<sys/socket.h>#include?<arpa/inet.h>#include?<errno.h>#include?<string.h>#include?<pthread.h>#include?<stdlib.h>#define?RECVBUFSIZE?1024void?func(void?arg){?int?sockfd,new_fd,nbytes;?char?buffer[RECVBUFSIZE];
?
?new_fd?=?((int?*)?arg);?free(arg);?
?while(1)
?{??if((nbytes=recv(new_fd,buffer,?RECVBUFSIZE,0))==-1)
??{???fprintf(stderr,"Read?Error:%s\n",strerror(errno));???exit(1);
??}
??buffer[nbytes]='\0';??printf("I?have?received:%s\n",buffer);?
?}

}int?main(int?argc,?char?argv[]){?int?sockfd;?char?buffer[RECVBUFSIZE];?struct?sockaddr_in?server_addr;
?struct?hostent?host;
?int?portnumber,nbytes;?
?pthread_t?tid;?int?*pconnsocke?=?NULL;?int?ret;?
?//檢測參數(shù)個數(shù)
?if(argc!=3)
?{??fprintf(stderr,"Usage:%s?hostname?portnumber\a\n",argv[0]);??exit(1);
?}?//argv2?存放的是端口號?，讀取該端口，轉換成整型變量
?if((portnumber=atoi(argv[2]))<0)
?{??fprintf(stderr,"Usage:%s?hostname?portnumber\a\n",argv[0]);??exit(1);
?}?//創(chuàng)建一個?套接子
?if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
?{??fprintf(stderr,"Socket?Error:%s\a\n",strerror(errno));??exit(1);
?}?//填充結構體，ip和port必須是服務器的
?bzero(&server_addr,sizeof(server_addr));
?server_addr.sin_family=AF_INET;
?server_addr.sin_port=htons(portnumber);
?server_addr.sin_addr.s_addr?=?inet_addr(argv[1]);//argv【1】?是server?ip地址

?/?í?§3ìDò·￠?eá??ó???ó/?
?if(connect(sockfd,(struct?sockaddr?)(&server_addr),sizeof(struct?sockaddr))==-1)
?{??fprintf(stderr,"Connect?Error:%s\a\n",strerror(errno));??exit(1);
?}?
?//創(chuàng)建線程
?pconnsocke?=?(int?)?malloc(sizeof(int));
?pconnsocke?=?sockfd;
?
?ret?=?pthread_create(&tid,?NULL,?func,?(void?)?pconnsocke);?if?(ret?<?0)?
?{
??perror("pthread_create?err");??return?-1;
?}?
?while(1)
?{?#if?1
??printf("input?msg:");??scanf("%s",buffer);??if(send(sockfd,buffer,strlen(buffer),0)==-1)
??{???fprintf(stderr,"Write?Error:%s\n",strerror(errno));???exit(1);
??}??#endif
?}
?close(sockfd);?exit(0);
}</pre>編譯編譯線程，需要用到pthread庫，編譯命令如下：<ol><li>gcc s.c -o s -lpthread</li><li>gcc cli.c -o c -lpthread
先本機測試</li><li>開啟一個終端 ./s 8888</li><li>再開一個終端 ./cl 127.0.0.1 8888,輸入一個字符串"qqqqqqq"</li><li>再開一個終端 ./cl 127.0.0.1 8888,輸入一個字符串"yikoulinux"<img class="uploaded-img" src="https://upload-images.jianshu.io/upload_images/23850874-b2a7183741d33af5.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240" width="auto" height="auto"/></li></ol>有讀者可能會注意到，server創(chuàng)建子線程的時候用的是以下代碼：<pre>?pconnsocke?=?(int?)?malloc(sizeof(int));
??pconnsocke?=?new_fd;
??
??ret?=?pthread_create(&tid,?NULL,?rec_func,?(void?*)?pconnsocke);??if?(ret?<?0)?
??{
???perror("pthread_create?err");???return?-1;
??}</pre>為什么必須要malloc一塊內(nèi)存專門存放這個新的套接字呢？
這個是一個很隱蔽，很多新手都容易犯的錯誤。下一章，我會專門給大家講解。本系列文章預計會更新4-5篇。最終目的是寫出一個帶登錄注冊公聊私聊等功能的聊天室。喜歡的話請收藏關注。圖片參考網(wǎng)絡文章：https://cloud.tencent.com/developer/article/1376352獲取更多關于Linux的資料，請關注公眾號「一口Linux」，回復"進群"，帶你加入大咖云集的技術討論群。

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