TCP服务器的演变过程：揭秘使用多线程实现一对多的TCP服务器

一、前言

手把手教你从0开始编写TCP服务器程序，体验开局一块砖，大厦全靠垒。

为了避免篇幅过长使读者感到乏味，对【TCP服务器的开发】进行分阶段实现，一步步进行优化升级。本节在上一章节的基础上，添加多线程，为每个新接入的客户端分配线程，实现一个服务器程序处理多个客户端连接。

二、新增使用的API

2.1、pthread_create() 函数

pthread_create函数原型：

#include <pthread.h>
int pthread_create(
                 pthread_t *restrict tidp,   			//新创建的线程ID指向的内存单元。
                 const pthread_attr_t *restrict attr,		//线程属性
                 void *(*start_rtn)(void *), 			//线程函数的地址
                 void *restrict arg 				//线程函数所需的参数
                  );

2.2、pthread_exit()函数

函数pthread_exit()终止调用线程，并通过retval返回一个值，该值（如果线程是可连接的）可用于调用pthread_join()的同一进程中的另一个线程。

pthread_cleanup_push()建立的任何尚未弹出的清理处理程序都会弹出（按与推送顺序相反的顺序）并执行。如果线程有任何特定于线程的数据，那么在执行清理处理程序之后，将以未指定的顺序调用相应的析构函数。

当线程终止时，进程共享资源（例如，互斥锁、条件变量、信号量和文件描述符）不会被释放，并且使用atexit()注册的函数也不会被调用。

在进程中的最后一个线程终止后，进程终止为调用atexit()，出口状态为零；因此，进程共享资源被释放，并且使用atexit()注册的函数被调用。

函数原型：

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void *retval);

三、实现步骤

使用多线程方案，来一个连接请求则创建一个线程。

（1）创建socket。

int listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(listenfd==-1){
    printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
    return SOCKET_CREATE_FAILED;
}

（2）绑定地址。

struct sockaddr_in server;
memset(&server,0,sizeof(server));

server.sin_family=AF_INET;
server.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
server.sin_port=htons(LISTEN_PORT);

if(-1==bind(listenfd,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))){
    printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
    close(listenfd);
    return SOCKET_BIND_FAILED;
}

（3）设置监听。

if(-1==listen(listenfd,BLOCK_SIZE)){
   printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
   close(listenfd);
   return SOCKET_LISTEN_FAILED;
}

（4）接收连接。

struct sockaddr_in client;
memset(&client,0,sizeof(client));
socklen_t len=sizeof(client);
    
int clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
if(clientfd==-1){
    printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
    close(listenfd);
    return SOCKET_ACCEPT_FAILED;
}

（5）为每个连接创建线程。

pthread_t thread;
if(0!=pthread_create(&thread,NULL,routine,&clientfd))
{
     printf("pthread_create failed");

}

（6）在线程函数里面接收数据。

char buf[BUFFER_LENGTH]={0};
ret=recv(clientfd,buf,BUFFER_LENGTH,0);
if(ret==0) {
     printf("connection dropped\n");

}
printf("recv --> %s\n",buf);

（7）在线程函数里面发送数据。

if(-1==send(clientfd,buf,ret,0))
{
    printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
}

（8）关闭文件描述符。

close(listenfd);

四、完整代码

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>

#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#define LISTEN_PORT     8888
#define BLOCK_SIZE      10
#define BUFFER_LENGTH   1024

enum ERROR_CODE{
    SOCKET_CREATE_FAILED=-1,
    SOCKET_BIND_FAILED=-2,
    SOCKET_LISTEN_FAILED=-3,
    SOCKET_ACCEPT_FAILED=-4
};

void *routine(void *arg)
{
    int clientfd=*((int*)arg);
    while(1)
    {
        // 5.
        char buf[BUFFER_LENGTH]={0};
        int ret=recv(clientfd,buf,BUFFER_LENGTH,0);
        if(ret==0) {
            printf("connection dropped\n");
            break;
        }
        
        printf("fd=%d recv --> %s\n",clientfd,buf);
        send(clientfd,buf,ret,0);
        
    }
    

    close(clientfd);
}

int main(int argc,char **argv)
{
    // 1.
    int listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(listenfd==-1){
        printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
        return SOCKET_CREATE_FAILED;
    }

    // 2.
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server,0,sizeof(server));

    server.sin_family=AF_INET;
    server.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    server.sin_port=htons(LISTEN_PORT);

    if(-1==bind(listenfd,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))){
        printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
        close(listenfd);
        return SOCKET_BIND_FAILED;
    }

    // 3.
    if(-1==listen(listenfd,BLOCK_SIZE)){
        printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
        close(listenfd);
        return SOCKET_LISTEN_FAILED;
    }

    printf("listen port: %d\n",LISTEN_PORT);
    struct sockaddr_in client;
    socklen_t len=sizeof(client);
    int clientfd=-1;
    
    while(1)
    {
        // 4.
        memset(&client,0,sizeof(client));
        clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
        if(clientfd==-1){
            printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
            continue;
        }

        printf("accept successdul, fd = %d\n",clientfd);
        pthread_t thread;
        if(0!=pthread_create(&thread,NULL,routine,&clientfd))
        {
            printf("pthread_create failed");
            break;
        }
    }

    
    close(listenfd);

    return 0;
}

编译：

gcc -o server server.c -lpthread

注意，由于使用了多线程，在编译时要加上 -lpthread 连接多线程库。

五、TCP客户端

5.1、自己实现一个TCP客户端

自己实现一个TCP客户端连接TCP服务器的代码，主要是连接服务器，发送数据、接收数据功能：

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <errno.h>
#include <string.h>

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

#define BUFFER_LENGTH   1024

enum ERROR_CODE{
    SOCKET_CREATE_FAILED=-1,
    SOCKET_CONN_FAILED=-2,
    SOCKET_LISTEN_FAILED=-3,
    SOCKET_ACCEPT_FAILED=-4
};

int main(int argc,char** argv)
{
    if(argc<3)
    {
        printf("Please enter the server IP and port.");
        return 0;
    }
    printf("connect to %s, port=%s\n",argv[1],argv[2]);

    int connfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(connfd==-1)
    {
        printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
        return SOCKET_CREATE_FAILED;

    }
    struct sockaddr_in serv;
    serv.sin_family=AF_INET;
    serv.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
    serv.sin_port=htons(atoi(argv[2]));
    socklen_t len=sizeof(serv);
    int rwfd=connect(connfd,(struct sockaddr*)&serv,len);
    if(rwfd==-1)
    {
        printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
        close(rwfd);
        return SOCKET_CONN_FAILED;
    }
    int ret=1;
    while(ret>0)
    {
        char buf[BUFFER_LENGTH]={0};
        printf("Please enter the string to send:\n");
        scanf("%s",buf);
        send(connfd,buf,strlen(buf),0);

        memset(buf,0,BUFFER_LENGTH);
        printf("recv:\n");
        ret=recv(connfd,buf,BUFFER_LENGTH,0);
        printf("%s\n",buf);
        
    }
    close(rwfd);
    return 0;
}

编译：

gcc -o client client.c

5.2、Windows下可以使用NetAssist的网络助手工具

下载地址：http://old.tpyboard.com/downloads/NetAssist.exe

小结

这里基于上一个章节的内容进行了升级，由原来的一对一连接通信升级为一对多连接通信，可以接受多个客户端同时连接，并为每个连接分配一个线程。

但是，使用多线程会有一个瓶颈，受CPU的核心数和内存大小线程，一台机器可以并发的线程数量是有限的，内存大小也是有限的；这个模式下1024个线程基本就是一台服务器机器的极限。

除了可以使用多线程实现一对多发服务外，还可以使用多进程来实现这个功能。这个我们将在下一个章节进行实现。