多线程服务器的实现
本文基于 C 标准库提供的网络通信 API，使用 TCP ，实现一个简单的多线程服务器 Demo 。
首先要看 API，这是一项十分无聊的工作，我看的头都晕了 🤒️ 。
API
字节序转换
函数原型：
#include <arpa/inet.h>
uint64_t htonll(uint64_t hostlonglong);
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint64_t ntohll(uint64_t netlonglong);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
h 表示 host, n 表示 network，这些函数的作用是把主机的字节序转换为网络的字节序（即小端到大端的转变）。
例如：
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
uint32_t host = 0x01020304; // high->low: 01 02 03 04
uint32_t network = htonl(host); // high->low: 04 03 02 01
printf("%p\n", network); // 0x4030201
}
socket
函数原型：
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
建立一个协议族为 domain, 协议类型为 type, 协议编号为 protocol 的套接字文件描述符。如果函数调用成功，会返回一个标识这个套接字的文件描述符，失败的时候返回-1。
domain 的取值：
Name Purpose Man page
AF_UNIX, AF_LOCAL Local communication unix(7)
AF_INET IPv4 Internet protocols ip(7)
AF_INET6 IPv6 Internet protocols ipv6(7)
AF_IPX IPX - Novell protocols
AF_NETLINK Kernel user interface device netlink(7)
AF_X25 ITU-T X.25 / ISO-8208 protocol x25(7)
AF_AX25 Amateur radio AX.25 protocol
AF_ATMPVC Access to raw ATM PVCs
AF_APPLETALK AppleTalk ddp(7)
AF_PACKET Low level packet interface packet(7)
AF_ALG Interface to kernel crypto API
AF 是 Address Family 的缩写，INET 是 Internet 的缩写。某些地方可能会使用 PF，即 Protocol Family，应该是同一个东西。
type 的取值：
SOCK_STREAM Provides sequenced, reliable, two-way, connection-based byte streams. An out-of-band data transmission mechanism may be supported.
SOCK_DGRAM Supports datagrams (connectionless, unreliable messages of a fixed maximum length).
SOCK_SEQPACKET Provides a sequenced, reliable, two-way connection-based data transmission path for datagrams of fixed maximum length; a consumer is required to read an entire packet with each input system call.
SOCK_RAW Provides raw network protocol access.
SOCK_RDM Provides a reliable datagram layer that does not guarantee ordering.
SOCK_PACKET Obsolete and should not be used in new programs; see packet(7).
type 常用的是 STREAM 和 DGRAM ，根据描述，可以确定前者对应 TCP，而后者对应 UDP ：
SOCK_STREAM套接字表示一个双向的字节流，与管道类似。流式的套接字在进行数据收发之前必须已经连接，连接使用connect()函数进行。一旦连接，可以使用read()或者write()函数进行数据的传输，流式通信方式保证数据不会丢失或者重复接收。SOCK_DGRAM和SOCK_RAW这个两种套接字可以使用函数sendto()来发送数据，使用recvfrom()函数接受数据，recvfrom()接受来自制定IP地址的发送方的数据。
对于第 3 个参数 protocal，用于指定某个协议的特定类型，即 type 类型中的某个类型。通常某协议中只有一种特定类型，这 样protocol 参数仅能设置为 0 ；但是有些协议有多种特定的类型，就需要设置这个参数来选择特定的类型。
bind
函数原型：
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
如果函数执行成功，返回值为 0，否则为 SOCKET_ERROR 。
参数：
sockfd是一个有效的 socket 描述符（函数socket()的有效返回值）。addrlen是第二个参数addr结构体的长度。addr是一个sockaddr结构体指针，包含 IP 和端口等信息。
sockaddr 的结构如下：
struct sockaddr {
sa_family_t sa_family;
char sa_data[14];
};
// sa_familt_t 是无符号整型，Ubuntu 下是 unsigned short int
sockaddr 的存在是为了统一地址结构的表示方法 ，统一接口函数，使得不同的地址结构可以被 bind(), connect(), recvfrom(), sendto() 等函数调用。但一般的编程中并不直接对此数据结构进行操作，而使用另一个与之等价的数据结构 sockaddr_in :
struct sockaddr_in {
short int sin_family; /* Address family */
unsigned short int sin_port; /* Port number */
struct in_addr sin_addr; /* Internet address */
unsigned char sin_zero[8]; /* Same size as struct sockaddr */
};
各字段解析：
sin_family：指代协议族，在 socket 编程中有 3 个取值AF_INET, AF_INET6, AF_UNSPEC.sin_port：存储端口号（使用网络字节顺序）sin_addr：存储IP地址，使用in_addr这个数据结构sin_zero：是为了让sockaddr与sockaddr_in两个数据结构保持大小相同而保留的空字节。
in_addr 的结构如下：
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr{
in_addr_t s_addr;
};
太阴间了。
listen
int listen(int sockfd, int backlog);
返回值：无错误，返回 0，否则 -1 。
作用：listen 函数使用主动连接套接字变为被连接套接口，使得一个进程可以接受其它进程的请求，从而成为一个服务器进程。在 TCP 服务器编程中 listen 函数把进程变为一个服务器，并指定相应的套接字变为被动连接。
listen 函数一般在调用 bind 之后，调用 accept 之前调用。
backlog 参数指定连接请求队列的最大个数。
accept
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
接受连接请求，成功返回一个新的套接字描述符 newfd ，失败返回-1。返回值 newfd 与参数 sockfd 是不同的，newfd 专门用于与客户端的通信，而 sockfd 是专门用于 listen 的 socket 。
addr 和 addrlen 都是指针，用于接收来自客户端的 addr 的信息。
inet_addr
函数原型：
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
将一个点分十进制的 IP 字符串转换为网络字节序的 uint32_t 。
例子
int main()
{
const char *ip = "127.0.0.1"; // 7f.00.00.01
printf("%p\n", inet_addr(ip)); // 0x0100007f
}
send
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
其中 send(fd, buf, len, flags) 与 sendto(fd, buf, len, flags, NULL, 0) 等价。
recv
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
其中 recv(fd, buf, len, flags) 与 recvfrom(fd, buf, len, flags, NULL, 0) 等价。
connect
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
成功返回 0 ，失败返回 -1 。
sockfd 是客户端进程创建的，用于与服务端通信的 socket ; addr 是目标服务器的 IP 地址和端口。
多线程服务器
本次实现的场景如下：
- 客户端可以具有多个，客户端主动连接服务器，允许每个客户端发送
msg到服务器，并接受来自服务器的信息。 - 服务端对于每个申请连接到客户端，创建一个线程处理请求。对于客户端发送过来的
msg，然后服务器把msg加上一些其他字符串，发送回客户端。
上面讲了这么多的 API，但其实基于 TCP 协议的网络编程的主要流程都是固定的:
[Server] [Client]
socket socket
| |
bind |
| |
listen |
| |
accept <------ connect
| |
read <------ write
| |
(handle req) |
| |
write ------> read
| |
close close
server
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#define PORT 8887
#define QUEUE 10
const char *pattern = "Hello, I am the server. Your msg is received, which is: %s";
typedef struct
{
struct sockaddr_in addr;
socklen_t addr_len;
int connectfd;
} thread_args;
void *handle_thread(void *arg)
{
thread_args *targs = (thread_args *)arg;
pthread_t tid = pthread_self();
printf("tid = %u and socket = %d\n", tid, targs->connectfd);
char send_buf[BUFSIZ] = {0}, recv_buf[BUFSIZ] = {0};
while (1)
{
int len = recv(targs->connectfd, recv_buf, BUFSIZ, 0);
printf("[Client %d] %s", targs->connectfd, recv_buf);
if (strcmp("q\n", recv_buf) == 0)
break;
sprintf(send_buf, pattern, recv_buf);
send(targs->connectfd, send_buf, strlen(send_buf), 0);
memset(send_buf, 0, BUFSIZ), memset(recv_buf, 0, BUFSIZ);
}
close(targs->connectfd);
free(targs);
pthread_exit(NULL);
}
int main()
{
int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
printf("server is listening at socket fd = %d\n", listenfd);
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(PORT);
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1)
{
perror("bind error\n");
exit(-1);
}
if (listen(listenfd, QUEUE) == -1)
{
perror("listen error\n");
exit(-1);
}
while (1)
{
thread_args *targs = malloc(sizeof(thread_args));
targs->connectfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&targs->addr, &targs->addr_len);
// int newfd = accept(sockfd, NULL, NULL);
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, handle_thread, (void *)targs);
pthread_detach(tid);
}
close(listenfd);
}
client
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#define PORT 8887
const char *target_ip = "127.0.0.1";
int main()
{
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
printf("client socket = %d\n", sockfd);
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(PORT);
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(target_ip);
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(struct sockaddr_in)) < 0)
{
perror("connect error\n");
exit(-1);
}
char send_buf[BUFSIZ], recv_buf[BUFSIZ];
while (fgets(send_buf, BUFSIZ, stdin) != NULL)
{
if (strcmp(send_buf, "q\n") == 0)
break;
send(sockfd, send_buf, strlen(send_buf), 0);
printf("[Client] %s\n", send_buf);
recv(sockfd, recv_buf, BUFSIZ, 0);
printf("[Server] %s\n", recv_buf);
memset(send_buf, 0, BUFSIZ), memset(recv_buf, 0, BUFSIZ);
}
close(sockfd);
exit(0);
}
运行结果
编译：
gcc server.c -o server -lpthread
gcc client.c -o client
先运行 server，后运行多个 client .
需要注意的是，这里的服务器，客户端都是运行在同一机器上的，所以客户端使用的目标 IP 是 127.0.0.1 ，如果想进一步更全面地测试，应该把服务端运行在一个云服务器上，然后开放 8887 端口，再进行测试。
