【网络编程】高性能并发服务器源码剖析

 

hello ！大家好呀！ 欢迎大家来到我的网络编程系列之洪水网络攻击，在这篇文章中，你将会学习到在网络编程中如何搭建一个高性能的并发服务器，并且我会给出源码进行剖析，以及手绘UML图来帮助大家来理解，希望能让大家更能了解网络编程技术！！！

希望这篇文章能对你有所帮助，大家要是觉得我写的不错的话，那就点点免费的小爱心吧！

               

目录

一.网络服务器 

 1.1 普通循环网络服务器

2.2 简单并发网络服务器

2.2.1简单的并发服务器模型

2.2.2使用进程的并发服务器

2.2.3使用线程的并发服务器

2.2.4其他并发服务器模型

二.使用互斥锁实现单线程处理单个客户

2.1 具体步骤

2.2服务器代码模板

三.源码剖析

一.网络服务器 

 1.1 普通循环网络服务器

对于普通的循环网络服务器，其实就是服务器使用循环的方法逐个对客户的连接进行处理，处理完一个连接后再处理下一个连接，其过程如下：

最简单的代码模型我还是给大家：

#include<t_stdio.h>
#include<sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include<ctype.h>
#include<unistd.h>
int main(void){struct sockaddr_in serv,cli;socklen_t cli_len;char buf[128];char IP[32];//创建一个通讯端点，返回该端点的文件描述符//创建一个ipv4的tcp连接端口int s_fd=socket( AF_INET ,SOCK_STREAM ,0);//需要对server变量成员初始化serv.sin_family=AF_INET;serv.sin_port=htons(5556);serv.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);//将s_fd和本地地址，端口号绑定int b=bind(s_fd,(struct sockaddr *)&serv,sizeof(serv));if(b==-1)E_MSG("bind",-1);if(s_fd==-1)E_MSG("socket",-1);//将s_fd设置为被动连接，监听客户端连接的到来 //将客户端到来的连接放入未决连接队列中//指定未决连接队列的长度listen(s_fd,5);while(1){//从s_fd设备的未连接队列中提取一个进程进行处理//返回一个连接描述符，使用这个连接描述符与客户端进行通讯int c_fd=accept(s_fd,(struct sockaddr *)&cli,&cli_len);if(c_fd==-1)E_MSG("accept",-1);//binary--->textinet_ntop(AF_INET,&cli.sin_addr,IP,32); printf("client ip: %s\n",IP);//代码执行到这里，三次握手以及完成，可以进行数据传输了//从c_fd中读取客户端发送过来的请求信息int r = read(c_fd,buf,128);//处理客户端的请求信息int i;for(i=0;i<r;i++){buf[i]=toupper(buf[i]);}//将处理结果回送客户端write(c_fd,buf,r);//关闭本次连接close(c_fd);}return 0;
}

这是最简单的循环服务器代码，功能是将客户传过来的字符串全部转换为大写，这个最简单代码希望大家能全部弄懂，关于里面还有不懂的，可以去看我我前面的博客：[C++/Linux] socket套接字函数-CSDN博客

2.2 简单并发网络服务器

并发网络服务器是指能够同时处理多个客户端请求的网络服务器。这种服务器的设计允许它在任何时刻处理多个客户端的连接和请求，而不会因为某个请求的处理而阻塞其他请求。并发服务器可以提高资源的利用率，增强服务器的响应能力，是现代网络应用的基础。下面我将介绍几种常见的并发网络服务器模型：

2.2.1简单的并发服务器模型

  1. 迭代服务器（Iterative Server）： 这种服务器一次处理一个请求。它接收一个请求，处理完该请求，然后才接收下一个请求。这种模型简单，但效率低下，因为它在处理一个请求时不能处理其他请求。

  2. 并发服务器（Concurrent Server）： 并发服务器可以同时处理多个请求。这通常通过多进程或多线程来实现。服务器的主进程或线程监听端口，接受新的连接，然后为每个连接创建一个新的进程或线程来处理请求。

2.2.2使用进程的并发服务器

  1. 多进程服务器（Multiprocess Server）： 在这个模型中，服务器的主进程监听端口，接受新的连接。每当有一个新的连接时，主进程就fork一个子进程来处理这个连接。每个子进程都可以独立地与客户端通信，处理请求。这种模型的优点是代码简单，缺点是进程创建和销毁的开销较大。

  2. 预派生子进程服务器（Pre-forking Server）： 这种服务器在启动时就预先创建一定数量的子进程，每个子进程都阻塞在accept调用上等待新的连接。当一个连接到达时，其中一个子进程接受连接并处理请求。这种模型减少了进程创建的开销，但需要预先分配资源。

这里我手绘一个UML图来帮助大家理解如何利用进程池：

2.2.3使用线程的并发服务器

  1. 多线程服务器（Multithreaded Server）： 在这个模型中，服务器的主线程监听端口，接受新的连接。每当有一个新的连接时，主线程就创建一个新的线程来处理这个连接。由于线程共享内存空间，因此它们之间可以更容易地共享数据，但这也带来了同步问题。

  2. 线程池服务器（Thread Pool Server）： 线程池服务器预先创建一定数量的工作线程，这些线程都阻塞在等待任务队列上。当一个新的连接到达时，主线程将连接放入任务队列，工作线程从队列中取出连接并处理请求。这种模型可以限制线程的数量，减少线程创建和销毁的开销。

这里我手绘一个UML图来帮助大家理解如何利用线程池：

对于进程和线程大家有不了解的，可以看我前面博客：[C++/Linux] Linux线程详解-CSDN博客

2.2.4其他并发服务器模型

  1. 事件驱动服务器（Event-Driven Server）： 事件驱动服务器使用非阻塞IO和事件循环来处理多个客户端连接。服务器注册感兴趣的事件（如可读、可写事件），然后在一个循环中等待这些事件的发生。当事件发生时，服务器处理相应的事件。这种模型可以非常高效地处理大量连接。

  2. 异步IO服务器（Asynchronous I/O Server）： 异步IO服务器使用操作系统提供的异步IO接口来处理请求。服务器发起IO操作，然后继续处理其他任务。当IO操作完成时，操作系统通知服务器。这种模型可以充分利用CPU资源，因为它不需要为每个请求都创建一个线程或进程。

二.使用互斥锁实现单线程处理单个客户

这里我们使用互斥锁来对每个进行上锁，实现单客户单进程处理，

2.1 具体步骤

  1. 初始化互斥锁：在服务器启动时，初始化一个互斥锁。

  2. 接受连接：服务器的主线程循环接受客户端连接。

  3. 创建服务线程：每当接受一个新连接时，服务器创建一个新的服务线程来处理该连接。

  4. 加锁处理：在每个服务线程中，当开始处理客户请求之前，首先尝试获取互斥锁。如果互斥锁已被其他线程持有，线程将阻塞直到互斥锁被释放。

  5. 处理请求：线程获取互斥锁后，开始处理客户请求。

  6. 释放锁：处理完请求后，线程释放互斥锁，以便其他线程可以获取该锁并处理下一个请求。

  7. 线程退出：处理完成后，线程退出或返回到池中等待下一个请求

2.2服务器代码模板

#include <pthread.h>pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void *handle_client(void *client_socket) {int socket = *(int *)client_socket;// 加锁pthread_mutex_lock(&lock);// 处理客户请求// ...// 释放锁pthread_mutex_unlock(&lock);// 关闭客户端套接字close(socket);return NULL;
}int main() {// 创建监听套接字// ...while (1) {int client_socket = accept(listen_socket, NULL, NULL);// 创建线程来处理客户端pthread_t thread;pthread_create(&thread, NULL, handle_client, &client_socket);pthread_detach(thread); // 使线程独立运行}// 关闭监听套接字// ...return 0;
}

三.源码剖析

#include<t_stdio.h>
#include<t_file.h>
#include<stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<time.h>
#include<pthread.h>
#include <string.h>#define bufferlen 1024 //发送/接收数据缓冲区大小
#define server_port 8888 //端口
#define backlog 5 //监听队列
#define max_pthread 3 //最大线程数//线程处理业务函数
pthread_mutex_t ALOCK = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER ;//创建互斥量static void * handle_request(void * argv){int s_s = *((int *) argv);int s_c;struct sockaddr_in from ;socklen_t len = sizeof(from);for(;;){time_t now;char buf [bufferlen];int n=0;pthread_mutex_lock(&ALOCK); //进入互斥区s_c = accept(s_s , (struct sockaddr *)&from , &len);//接收请求pthread_mutex_unlock(&ALOCK); //离开互斥区memset(buf , 0 ,bufferlen);n = recv(s_c , buf , bufferlen , 0);//接收数据if(n > 0 && !strncmp(buf , "TIME" , 4))//判断是否为合法接收数据{memset(buf ,0 ,bufferlen);now = time(NULL);sprintf(buf , "%24s\r\n",ctime(&now));//时间写入bufsend(s_c , buf , strlen(buf) , 0);//发送给客户端}close(s_c);}return ;}//线程创建函数
static void handle_connect(int s){int s_s =s;pthread_t thread_do[max_pthread];//创建线程数组int i=0;//创建线程，每一次创建调用线程处理函数for(i = 0; i<max_pthread;i++){pthread_create(&thread_do[i] , NULL, handle_request , (void *)&s_s);}//等待线程结束for(i = 0; i<max_pthread;i++){pthread_join(thread_do[i] , NULL);}}int main(int argc ,char * argvp[]){int s_s;struct sockaddr_in local ;//本地地址s_s = socket(AF_INET , SOCK_STREAM , 0);memset(&local , 0 , sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);local.sin_port = htons(server_port);bind(s_s , (struct sockaddr *)&local ,sizeof(local));//连接本地地址listen(s_s , backlog);//创建监听队列handle_connect(s_s);close(s_s);return 0;
}

这段代码是一个简单的网络服务器示例，它使用了 POSIX 线程（pthread）来处理客户端请求。下面我将逐行解释代码的功能：

#include <t_stdio.h>
#include <t_file.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>

这里包含了必要的头文件，包括标准输入输出、文件操作、网络编程、字符串操作、IP地址转换、非阻塞I/O等。

#define bufferlen 1024 //发送/接收数据缓冲区大小
#define server_port 8888 //端口
#define backlog 5 //监听队列
#define max_pthread 3 //最大线程数

定义了一些宏，用于设置缓冲区大小、服务器端口、监听队列大小和最大线程数。

//线程处理业务函数
pthread_mutex_t ALOCK = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER ;//创建互斥量

定义了一个互斥量 ALOCK，用于线程间的同步。

static void * handle_request(void * argv){int s_s = *((int *) argv);int s_c;struct sockaddr_in from ;socklen_t len = sizeof(from);for(;;){time_t now;char buf [bufferlen];int n=0;pthread_mutex_lock(&ALOCK); //进入互斥区s_c = accept(s_s , (struct sockaddr *)&from , &len);//接收请求pthread_mutex_unlock(&ALOCK); //离开互斥区memset(buf , 0 ,bufferlen);n = recv(s_c , buf , bufferlen , 0);//接收数据if(n > 0 && !strncmp(buf , "TIME" , 4))//判断是否为合法接收数据{memset(buf ,0 ,bufferlen);now = time(NULL);sprintf(buf , "%24s\r\n",ctime(&now));//时间写入bufsend(s_c , buf , strlen(buf) , 0);//发送给客户端}close(s_c);}return ;
}

handle_request 函数是线程处理业务的核心。它接受一个整数参数 s_s，这是服务器套接字。函数进入一个无限循环，接收客户端的连接（accept 调用），接收数据（recv 调用），处理数据（如果数据是以 “TIME” 开头的，则返回当前时间），然后关闭客户端套接字。

  好啦！到这里这篇文章就结束啦，关于实例代码中我写了很多注释，如果大家还有不懂得，可以评论区或者私信我都可以哦！！ 感谢大家的阅读，我还会持续创造网络编程相关内容的，记得点点小爱心和关注哟！ 

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