C语言多线程服务器的实现实例

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

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;

									};<br>

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。

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);

									}