【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！

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--->text
        inet_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buf
            send(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buf
            send(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！