使用多进程和多线程实现服务器并发【C语言实现】
在TCP通信过程中，服务器端启动之后可以同时和多个客户端建立连接，并进行网络通信，但是在一个单进程的服务器的时候，提供的服务器代码却不能完成这样的需求，先简单的看一下之前的服务器代码的处理思路，再来分析代码中的弊端：
// server.c
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
// 1. 创建监听的套接字
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 2. 将socket()返回值和本地的IP端口绑定到一起
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(10000); // 大端端口
// INADDR_ANY代表本机的所有IP, 假设有三个网卡就有三个IP地址
// 这个宏可以代表任意一个IP地址
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 这个宏的值为0 == 0.0.0.0
int ret = bind(lfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
// 3. 设置监听
ret = listen(lfd, 128);
// 4. 阻塞等待并接受客户端连接
struct sockaddr_in cliaddr;
int clilen = sizeof(cliaddr);
int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &clilen);
// 5. 和客户端通信
while(1)
{
// 接收数据
char buf[1024];
memset(buf, 0, sizeof(buf));
int len = read(cfd, buf, sizeof(buf));
if(len > 0)
{
printf("客户端say: %s\n", buf);
write(cfd, buf, len);
}
else if(len == 0)
{
printf("客户端断开了连接...\n");
break;
}
else
{
perror("read");
break;
}
}
close(cfd);
close(lfd);
return 0;
}
在上面的代码中用到了三个会引起程序阻塞的函数，分别是：
- accept()：如果服务器端没有新客户端连接，阻塞当前进程/线程，如果检测到新连接解除阻塞，建立连接
- read()：如果通信的套接字对应的读缓冲区没有数据，阻塞当前进程/线程，检测到数据解除阻塞，接收数据
- write()：如果通信的套接字写缓冲区被写满了，阻塞当前进程/线程（这种情况比较少见）
如果需要和发起新的连接请求的客户端建立连接，那么就必须在服务器端通过一个循环调accept()函数，另外已经和服务器建立连接的客户端需要和服务器通信，发送数据时的阻塞可以忽略，当接收不到数据时程序也会被阻塞，这时候就会非常矛盾，被accept()阻塞就无法通信，被read()阻塞就无法和客户端建立新连接。因此得出一个结论，基于上述处理方式，在单线程/单进程场景下，服务器是无法处理多连接的，解决方案也有很多，常用的有三种：
- 使用多线程实现
- 使用多进程实现
- 使用IO多路转接（复用）实现
- 使用IO多路转接 + 多线程实现
1.使用多进程实现并发服务器
如果要编写多进程版的并发服务器程序，首先要考虑，创建出的多个进程都是什么角色，这样就可以在程序中对号入座了。在Tcp服务器端一共有两个角色，分别是：监听和通信，监听是一个持续的动作，如果有新连接就建立连接，如果没有新连接就阻塞。关于通信是需要和多个客户端同时进行的，因此需要多个进程，这样才能达到互不影响的效果。进程也有两大类：父进程和子进程，通过分析我们可以这样分配进程：
- 父进程：
- 负责监听，处理客户端的连接请求，也就是在父进程中循环调用accept()函数
- 创建子进程：建立一个新的连接，就创建一个新的子进程，让这个子进程和对应的客户端通信
- 回收子进程资源：子进程退出回收其内核PCB资源，防止出现僵尸进程
- 子进程：负责通信，基于父进程建立新连接之后得到的文件描述符，和对应的客户端完成数据的接收和发送。
- 发送数据：send() / write()
- 接收数据：recv() / read()
在多进程版的服务器端程序中，多个进程是有血缘关系，对应有血缘关系的进程来说，还需要想明白他们有哪些资源是可以被继承的，哪些资源是独占的，以及一些其他细节：
- 子进程是父进程的拷贝，在子进程的内核区PCB中，文件描述符也是可以被拷贝的，因此在父进程可以使用的文件描述符在子进程中也有一份，并且可以使用它们做和父进程一样的事情。
- 父子进程有用各自的独立的虚拟地址空间，因此所有的资源都是独占的
- 为了节省系统资源，对于只有在父进程才能用到的资源，可以在子进程中将其释放掉，父进程亦如此。
- 由于需要在父进程中做accept()操作，并且要释放子进程资源，如果想要更高效一下可以使用信号的方式处理
具体实现
下面是一个使用多进程实现的并发 TCP 服务器的示例代码，包含详细注释。
#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include // 处理SIGCHLD信号，避免僵尸进程 void sigchld_handler(int signo) { while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0); //表示非阻塞地等待任意子进程终止。-1 表示等待任何子进程，NULL 表示不需要子进程的退出状态，WNOHANG 表示非阻塞。 } // 处理客户端通信 void handle_client(int cfd) { char buf[1024]; int n; while ((n = read(cfd, buf, sizeof(buf))) > 0) { for (int i = 0; i 0) { // 父进程 close(cfd); // 父进程关闭与客户端通信的套接字 } else { perror("fork error"); close(cfd); } } close(lfd); return 0; }在上面的示例代码中，父子进程中分别关掉了用不到的文件描述符（父进程不需要通信，子进程也不需要监听）。如果客户端主动断开连接，那么服务器端负责和客户端通信的子进程也就退出了，子进程退出之后会给父进程发送一个叫做SIGCHLD的信号，在父进程中通过sigaction()函数捕捉了该信号，通过回调函数callback()中的waitpid()对退出的子进程进行了资源回收。
如果父进程调用accept() 函数没有检测到新的客户端连接，父进程就阻塞在这儿了，这时候有子进程退出了，发送信号给父进程，父进程就捕捉到了这个信号SIGCHLD， 由于信号的优先级很高，会打断代码正常的执行流程，因此父进程的阻塞被中断，转而去处理这个信号对应的函数callback()，处理完毕，再次回到accept()位置，但是这是已经无法阻塞了，函数直接返回-1，此时函数调用失败，错误描述为accept: Interrupted system call，对应的错误号为EINTR，由于代码是被信号中断导致的错误，所以可以在程序中对这个错误号进行判断，让父进程重新调用accept()，继续阻塞或者接受客户端的新连接。
2.使用多线程实现并发服务器
编写多线程版的并发服务器程序和多进程思路差不多，考虑明白了对号入座即可。多线程中的线程有两大类：主线程（父线程）和子线程，他们分别要在服务器端处理监听和通信流程。根据多进程的处理思路，就可以这样设计了：
- 主线程：
- 负责监听，处理客户端的连接请求，也就是在父进程中循环调用accept()函数
- 创建子线程：建立一个新的连接，就创建一个新的子进程，让这个子进程和对应的客户端通信
- 回收子线程资源：由于回收需要调用阻塞函数，这样就会影响accept()，直接做线程分离即可。
- 子线程：负责通信，基于主线程建立新连接之后得到的文件描述符，和对应的客户端完成数据的接收和发送。
- 发送数据：send() / write()
- 接收数据：recv() / read()
在多线程版的服务器端程序中，多个线程共用同一个地址空间，有些数据是共享的，有些数据的独占的，下面来分析一些其中的一些细节：
- 同一地址空间中的多个线程的栈空间是独占的
- 多个线程共享全局数据区，堆区，以及内核区的文件描述符等资源，因此需要注意数据覆盖问题，并且在多个线程访问共享资源的时候，还需要进行线程同步。
示例代码：
#include #include #include #include #include #include #include #include // 处理客户端通信的函数 void *handle_client(void *arg) { int cfd = *(int *)arg; free(arg); struct sockaddr_in client_addr; socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr); //getpeername 函数获取与套接字 cfd 关联的远程（客户端）地址信息，并将其存储在 client_addr 结构体中。 getpeername(cfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len); char client_ip[INET_ADDRSTRLEN]; inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, client_ip, sizeof(client_ip)); int client_port = ntohs(client_addr.sin_port); printf("Client connected: IP [%s], PORT [%d], FD [%d]\n", client_ip, client_port, cfd); char buf[1024]; int n; while ((n = read(cfd, buf, sizeof(buf))) > 0) { for (int i = 0; i客户端：
#include #include #include #include #include #include #define PORT 8888 #define BUFFER_SIZE 1024 #define SERVER_IP "127.0.0.1" int main() { int sock = 0, valread; struct sockaddr_in serv_addr; char buffer[BUFFER_SIZE] = {0}; char input_buffer[BUFFER_SIZE] = {0}; char *hello = "Hello from client"; int opt = 1; // 创建 TCP 套接字 if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))
