多线程|多进程|高并发网络编程

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一.多进程并发服务器

多进程并发服务器是一种经典的服务器架构，它通过创建多个子进程来处理客户端连接，从而实现并发处理多个客户端请求的能力。

概念：

  1. 服务器启动时，创建主进程，并绑定监听端口。
  2. 当有客户端连接请求时，主进程接受连接，并创建一个子进程来处理该客户端连接。
  3. 子进程与客户端进行通信，处理请求和发送响应。
  4. 主进程继续监听新的连接请求。
  5. 子进程完成任务后，可以选择终止或继续处理其他连接，根据需求选择是否重复循环。

优点：

  1. 高并发处理能力：每个子进程都可以独立地处理一个客户端连接，利用多核处理器的优势，实现高并发处理能力，提高服务器的吞吐量。
  2. 稳定性：每个子进程都是独立的，一个进程出现问题不会影响其他进程，提高了服务器的稳定性和容错能力。
  3. 简单直观：采用多进程模型实现并发服务器相对简单，代码可读性高，易于理解和维护。
  4. 跨平台：多进程并发服务器概念适用于各种操作系统，不仅限于Linux平台。

缺点：

  1. 高资源消耗：每个子进程都需要独立的资源，包括内存、文件描述符等，当并发连接数较高时，会消耗大量的系统资源。
  2. 进程间通信：各个子进程之间的通信需要额外的机制，例如管道、共享内存等，增加了复杂性。
  3. 上下文切换开销：进程间切换的开销相对较大，会影响性能。
  4. 调试困难：由于每个子进程独立执行，调试和定位问题可能会变得复杂。

综上所述，多进程并发服务器能够满足高并发处理需求，并具有稳定性和简单性等优点。然而，它也存在资源消耗较高和调试困难等缺点，根据实际需求和应用场景选择合适的服务器架构是很重要的。

案例

利用多进程，在TCP通信的基础上，实现服务器可以同时连接多个客户端。实现大小写转换。

service.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>void handler(int sig)
{if (sig == SIGCHLD){while(waitpid(0,NULL,WNOHANG)>0);}
}
int main(int argc, char const *argv[])
{//1.建立socket套接字int socked = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (socked < 0){perror("socket is err");return -1;}//2.bind绑定服务器ip和端口号struct sockaddr_in saddr, caddr;saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");int len = sizeof(caddr);int rev = bind(socked, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));if (rev < 0){perror("bind is err");return 0;}//3.listen设置最大同时链接数量rev = listen(socked, 32);if (rev < 0){perror("rev is err");return 0;}//4.建立子进程负责服务器给客户端发送消息,并且主进程不结束,此进程不结束char buf[1024] = {0};int size=0;while (1){int acceptfd = accept(socked, (struct sockaddr *)(&caddr), &len);if (acceptfd < 0){perror("accept is err");return 0;}pid_t pid = fork();if (pid < 0){perror("pid is err");return 0;}else if (pid == 0){//子进程,每个子进程维护一个客户端//不许要监听,直接关掉close(socked);while (1){int flage = recv(acceptfd, buf, sizeof(buf), 0);if (flage < 0){perror("recv is err");}else if (flage == 0){printf("ip:%s is close\n", inet_ntoa(caddr.sin_addr));close(acceptfd);break;}else{size = strlen(buf);for (int i = 0; i < size; ++i){if (buf[i] >= 'a' && buf[i] <= 'z')buf[i] = buf[i] + ('A' - 'a');elsebuf[i] = buf[i] + ('a' - 'A');}printf("%d %s\n",getpid(),buf);send(acceptfd, buf, sizeof(buf), 0);}}}else{//主进程回收子线程资源close(acceptfd);//异步节约资源signal(SIGCHLD, handler);}}return 0;
}

client.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char const *argv[])
{//1.socket建立文件描述符int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (fd < 0){perror("socket is err");}//2.connect连接服务器struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);int flage = connect(fd, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));if (flage < 0){perror("connect is err");}//3.服务器端不断发送数据,接受服务器转化后的数据char buf[1024] = {0};while (1){//memset(buf,0,sizeof(buf));fgets(buf, sizeof(buf), stdin);if (strncmp(buf,"quit#",5)==0){break;}if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')buf[strlen(buf) - 1] = '\0';send(fd, buf, sizeof(buf), 0);flage = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);if (flage < 0){perror("recv is err");}else{fprintf(stdout, "%s\n", buf);}}close(fd);return 0;
}

二.多线程并发服务器

多线程并发服务器是一种服务器架构，通过创建多个线程来处理客户端连接，实现并发处理多个客户端请求的能力。下面是多线程并发服务器的概念和一些优点：

概念：

  1. 服务器启动时，创建主线程，并绑定监听端口。
  2. 当有客户端连接请求时，主线程接受连接，并创建一个或多个线程来处理该客户端连接。
  3. 线程与客户端进行通信，处理请求和发送响应。
  4. 主线程继续监听新的连接请求。
  5. 线程完成任务后，选择终止或继续处理其他连接，根据需求选择是否重复循环。

优点：

  1. 资源效率：线程相比进程，创建和销毁的开销较小，占用的资源较少，特别是共享的资源，如文件描述符，可以在多个连接之间共享，提高了资源的利用效率。
  2. 响应速度：线程之间的切换开销较小，内存空间共享，可以快速响应客户端请求，减少了连接等待时间。
  3. 简单直观：与多进程相比，多线程实现并发服务器更简单直观，代码可读性高，易于理解和维护。
  4. 可扩展性：线程可轻松地添加和删除，适应不断变化的连接数需求，提供更好的可扩展性。
  5. 共享数据简便：线程之间共享的数据结构可以直接访问，不需要像进程间通信一样使用额外的机制。

缺点：

  1. 数据同步问题：多线程共享数据可能导致竞态条件和数据一致性问题，需要使用锁或其他同步机制来保证线程安全。
  2. 调试困难：由于线程之间共享同一进程的内存空间，调试和定位问题可能会变得复杂。
  3. 并行性限制：在某些情况下，多线程服务器的并行性可能受限于系统中可用的CPU核心数量。
  4. 需要考虑线程安全：编写线程安全的代码可能需要更多的开发工作和考虑，避免数据竞争和死锁等问题。

综上所述，多线程并发服务器能够满足高并发处理需求，并具有资源效率、响应速度、简单性和可扩展性等优点。然而，它也存在数据同步问题和调试困难等缺点，根据实际需求和应用场景选择合适的服务器架构是很重要的。

案例

利用多线程，在TCP通信的基础上，实现服务器可以同时连接多个客户端。实现大小写转换。

service.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <pthread.h>struct client
{int acceptfd;struct sockaddr_in caddr;
};void *my_pthread(void *p)
{char buf[1024] = {0};int size = 0;struct client *cl = (struct client *)p;int acceptfd = cl->acceptfd;struct sockaddr_in caddr = cl->caddr;while (1){int flage = recv(acceptfd, buf, sizeof(buf), 0);if (flage < 0){perror("recv is err");}else if (flage == 0){printf("ip:%s is close\n", inet_ntoa(caddr.sin_addr));close(acceptfd);break;}else{size = strlen(buf);for (int i = 0; i < size; ++i){if (buf[i] >= 'a' && buf[i] <= 'z')buf[i] = buf[i] + ('A' - 'a');elsebuf[i] = buf[i] + ('a' - 'A');}send(acceptfd, buf, sizeof(buf), 0);}}close(acceptfd);return 0;
}int main(int argc, char const *argv[])
{//1.建立socket套接字int socked = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (socked < 0){perror("socket is err");return -1;}//2.bind绑定服务器ip和端口号struct sockaddr_in saddr, caddr;saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");int len = sizeof(caddr);int rev = bind(socked, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));if (rev < 0){perror("bind is err");return 0;}//3.listen设置最大同时链接数量rev = listen(socked, 32);if (rev < 0){perror("rev is err");return 0;}//4.建立子进程负责服务器给客户端发送消息,并且主进程不结束,此进程不结束int i = 0;pthread_t tid;struct client ti[1024] = {0};while (1){int acceptfd = accept(socked, (struct sockaddr *)(&caddr), &len);if (acceptfd < 0){perror("accept is err");return 0;}ti[i].acceptfd = acceptfd;ti[i].caddr = caddr;pthread_create(&tid, NULL, my_pthread, (void *)&ti[i]);pthread_detach(tid);++i;}return 0;
}

client.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char const *argv[])
{//1.socket建立文件描述符int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (fd < 0){perror("socket is err");}//2.connect连接服务器struct sockaddr_in saddr;saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);int flage = connect(fd, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));if (flage < 0){perror("connect is err");}//3.服务器端不断发送数据,接受服务器转化后的数据char buf[1024] = {0};while (1){//memset(buf,0,sizeof(buf));fgets(buf, sizeof(buf), stdin);if (strncmp(buf,"quit#",5)==0){break;}if (buf[strlen(buf) - 1] == '\n')buf[strlen(buf) - 1] = '\0';send(fd, buf, sizeof(buf), 0);flage = recv(fd, buf, sizeof(buf), 0);if (flage < 0){perror("recv is err");}else{fprintf(stdout, "%s\n", buf);}}close(fd);return 0;
}

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