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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

news 2025/8/28 8:56:27

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 <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>#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){perror("sockfd error");return -1;}seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(SER_PORT);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SER_IP);int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));if(ret < 0){perror("bind error");return -1;}ret =listen(sockfd, 10);if(ret < 0){perror("listen error");return -1;}return sockfd;
}int main(int argc, char const *argv[])
{signal(SIGCHLD, hander);int sockfd = init_tcp_recv();struct sockaddr_in cliaddr;socklen_t lenaddr = sizeof(cliaddr);while(1){int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &lenaddr);if(connfd < 0){perror("accept error");return -1;}pid_t pid = fork();if(pid > 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 < 0){perror("error recv");break;}else if(0 == ret){printf("[%s:%d]: client off\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port));close(connfd);break;}printf("[%s:%d]:%s\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr), ntohs(cliaddr.sin_port), buff);strcat(buff, "---->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 <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include<pthread.h>#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 < 0){perror("sockfd error");return -1;} //允许绑定处于TIME_WAIT状态的地址，避免端口占用问题：int optval = 1;setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(SER_PORT);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SER_IP);int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));if(ret < 0){perror("bind error");return -1;}ret =listen(sockfd, 10);if(ret < 0){perror("listen error");return -1;}return sockfd;
}// struct sockaddr_in cliaddr;
// socklen_t lenaddr = sizeof(cliaddr);void *recv_senf(void *arg)
{int connfd = *((int *)arg);char buff[1024] = {0};while(1){memset(buff, 0, sizeof(buff));int ret = recv(connfd, buff, sizeof(buff), 0);if(ret < 0){perror("error recv");break;}else if(0 == ret){printf("client off\n");close(connfd);break;}printf("%s\n", buff);strcat(buff, "---->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 <sys/select.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/time.h>
#include<string.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include<pthread.h>#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 < 0){perror("sockfd error");return -1;} //允许绑定处于TIME_WAIT状态的地址，避免端口占用问题：int optval = 1;setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(SER_PORT);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SER_IP);int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&seraddr, sizeof(seraddr));if(ret < 0){perror("bind error");return -1;}ret =listen(sockfd, 10);if(ret < 0){perror("listen error");return -1;}return sockfd;
}int main(int argc, char const *argv[])
{int sockfd = init_tcp_recv();if(sockfd < 0){return -1;}fd_set rdfds;fd_set rdfdstem;FD_ZERO(&rdfds);FD_ZERO(&rdfdstem);FD_SET(sockfd, &rdfds);int maxfd = sockfd; char buff[1024] = {0};while(1){rdfdstem = rdfds;int ret = select(maxfd + 1, &rdfds, NULL, NULL, NULL);if(ret < 0){perror("select error");return -1;}if(FD_ISSET(sockfd, &rdfdstem)){int connfd = accept(sockfd, NULL, NULL);if(connfd < 0){perror("accept error");return -1;}FD_SET(connfd, &rdfds);maxfd = maxfd > connfd ? maxfd : connfd;}for(int i = sockfd + 1;i < maxfd + 1;++i){if(FD_ISSET(i, &rdfdstem)){memset(buff, 0, sizeof(buff));ssize_t cnt  = recv(i, buff, sizeof(buff), 0);if(cnt < 0){perror("recv error");FD_CLR(i, &rdfds);close(i);continue;}else if(cnt == 0){FD_CLR(i, &rdfds);close(i);continue;}printf("%s\n", buff);strcat(buff, "---->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。
http://www.xdnf.cn/news/1375345.html

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