TCP/IP網絡編程 多線程服務器端的實現(xiàn)
作者：夜色魅影
前面我們講過多進程服務器，但我們知道它開銷很大，因此我們才引入線程，我們可以把它看成是一種輕量級進程。它相比進程有如下幾個優(yōu)點：線程的創(chuàng)建和上下文切換開銷更小且速度更快。線程間交換數(shù)據(jù)時無需特殊技術。進程：在操作系統(tǒng)構成單獨執(zhí)行流的單位。線程：在進程構成單獨執(zhí)行流的單位。
線程基本概念
前面我們講過多進程服務器，但我們知道它開銷很大，因此我們才引入線程，我們可以把它看成是一種輕量級進程。它相比進程有如下幾個優(yōu)點：
線程的創(chuàng)建和上下文切換開銷更小且速度更快。
線程間交換數(shù)據(jù)時無需特殊技術。
進程：在操作系統(tǒng)構成單獨執(zhí)行流的單位。
線程：在進程構成單獨執(zhí)行流的單位。
它們的包含關系是，操作系統(tǒng) > 進程 > 線程。進程與線程具體差異其實是這樣的，每個進程都有獨立的完整內存空間，它包括全局數(shù)據(jù)區(qū)，堆區(qū)，棧區(qū)，而多進程服務器之所以開銷大是因為只是為了區(qū)分棧區(qū)里的不同函數(shù)流執(zhí)行而把數(shù)據(jù)區(qū)，堆區(qū)，棧區(qū)內存全部復制了一份。而多線程就高效多了，它只把棧區(qū)分離出來，進程中的數(shù)據(jù)區(qū)，堆區(qū)則共享。具體內存結構示例圖如下：
線程創(chuàng)建及運行
線程具有單獨的執(zhí)行流，因此需要單獨定義線程的入口函數(shù)，而且還需要請求操作系統(tǒng)在單獨的執(zhí)行流中執(zhí)行該函數(shù)，完成這個功能的函數(shù)如下：
- #include
- int pthread_create(
- pthread_t * restrict thread,//保存線程ID
- const pthread_attr_t * restrict attr,//線程屬性，NULL默認屬性
- void * (* start_routine)(void *), //線程入口函數(shù)，函數(shù)指針
- void * restrict arg //傳遞給入口函數(shù)的參數(shù)
- );
實例代碼：
- #include
- #include
- #include
- void * thread_main(void *arg);
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- pthread_t t_id;
- int thread_param = 5;
- if (pthread_create(&t_id, NULL, thread_main, (void *)&thread_param) != 0)
- {
- puts("pthread_create() error");
- return -1;
- }
- sleep(10);
- puts("end of main");
- return 0;
- }
- void * thread_main(void *arg)
- {
- int i;
- int cnt =* ((int *)arg);
- for (i = 0; i < cnt; i++)
- {
- sleep(1);
- puts("running thread");
- }
- return NULL;
- }
上面實例是用sleep延遲來控制線程的執(zhí)行的，如果主線程不做延遲那么執(zhí)行到return 0;時，進程就結束了，相應的線程也會銷毀。而明顯用sleep這種方式控制線程執(zhí)行流是不合理的，下面我們來看看一個更好的延遲函數(shù)，調用該函數(shù)的進程(或線程)將進入等待狀態(tài)，直到***個參數(shù)為ID的線程終止為止。而且可以得到線程的入口函數(shù)返回值。
- #include
- int pthread_join(pthread_t thread, void **status);
- 參數(shù)1：線程ID
- 參數(shù)2：保存線程入口函數(shù)的返回值
實例代碼：
- #include
- #include
- #include
- #include
- void * thread_main(void *arg);
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- pthread_t t_id;
- int thread_param = 5;
- void * thr_ret;
- //創(chuàng)建線程
- if (pthread_create(&t_id, NULL, thread_main, (void *)&thread_param) != 0)
- {
- puts("pthread_create() error");
- return -1;
- }
- //等待線程返回
- if (pthread_join(t_id, &thr_ret) != 0)
- {
- puts("pthread_join() error");
- return -1;
- }
- printf("Thread return message: %s \n", (char *)thr_ret);
- free(thr_ret);
- return 0;
- }
- //線程入口函數(shù)
- void * thread_main(void *arg)
- {
- int i;
- int cnt =* ((int *)arg);
- char * msg = (char *)malloc(sizeof(char) * 50);
- strcpy(msg, "Hello, I am thread ~ \n");
- for (i = 0; i < cnt; i++)
- {
- puts("running thread");
- }
- return (void *)msg;
- }
#p#
線程存在的問題和臨界區(qū)
前面我們知道了怎么創(chuàng)建線程，但我們都是只創(chuàng)建了一個線程，下面我們再來看看這樣一個實例，創(chuàng)建100個線程，它們都訪問了同一變量，其中一半對這個變量進行加1操作，一半進行減1操作，按道理其結果會等于0.
- #include
- #include
- #include
- #include
- #define NUM_THREAD 100
- void * thread_inc(void * arg);
- void * thread_des(void * arg);
- long long num = 0; //long long類型是64位整數(shù)型，多線程共同訪問
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- pthread_t thread_id[NUM_THREAD];
- int i;
- //創(chuàng)建100個線程，一半執(zhí)行thread_inc,一半執(zhí)行thread_des
- for(i = 0; i < NUM_THREAD; i++)
- {
- if(i %2)
- pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_inc, NULL);
- else
- pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_des, NULL);
- }
- //等待線程返回
- for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++)
- pthread_join(thread_id[i], NULL);
- printf("result: %lld \n", num); //+1，-1按道理結果是0
- return 0;
- }
- //線程入口函數(shù)1
- void * thread_inc(void * arg)
- {
- for (int i = 0; i < 50000000; i++)
- num += 1;//臨界區(qū)(引起問題的語句就是臨界區(qū)位置)
- return NULL;
- }
- //線程入口函數(shù)2
- void * thread_des(void * arg)
- {
- for (int i = 0; i < 50000000; i++)
- num -= 1;//臨界區(qū)
- return NULL;
- }
從運行結果看并不是0，而且每次運行的結果都不同。那這是什么原因引起的呢? 是因為每個線程訪問一個變量是這樣一個過程：先從內存取出這個變量值到CPU，然后CPU計算得到改變后的值，***再將這個改變后的值寫回內存。因此，我們可以很容易看出，多個線程訪問同一變量，如果某個線程還只剛從內存取出數(shù)據(jù)，還沒來得及寫回內存，這時其它線程又訪問了這個變量，所以這個值就會不正確了。
接下來我們再來講講怎么解決這個問題：線程同步
線程同步
線程同步用于解決線程訪問順序引發(fā)的問題，一般是如下兩種情況：
同時訪問同一內存空間時發(fā)生的情況
需要指定訪問同一內存空間的線程執(zhí)行順序的情況
針對這兩種可能引發(fā)的情況，我們分別使用的同步技術是：互斥量和信號量。
互斥量
互斥量技術從字面也可以理解，就是臨界區(qū)有線程訪問，其它線程就得排隊等待，它們的訪問是互斥的，實現(xiàn)方式就是給臨界區(qū)加鎖與釋放鎖。
- #include
- int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr); //創(chuàng)建互斥量
- int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);//銷毀互斥量
- int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);//加鎖
- int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);//釋放鎖
簡言之，就是利用lock和unlock函數(shù)圍住臨界區(qū)的兩端。當某個線程調用pthread_mutex_lock進入臨界區(qū)后，如果沒有調用pthread_mutex_unlock釋放鎖退出，那么其它線程就會一直阻塞在臨界區(qū)之外，我們把這種情況稱之為死鎖。所以臨界區(qū)圍住一定要lock和unlock一一對應。
實例代碼：
- #include
- #include
- #include
- #include
- #define NUM_THREAD 100
- void * thread_inc(void * arg);
- void * thread_des(void * arg);
- long long num = 0;
- pthread_mutex_t mutex;
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- pthread_t thread_id[NUM_THREAD];
- int i;
- //互斥量的創(chuàng)建
- pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
- for(i = 0; i < NUM_THREAD; i++)
- {
- if(i %2)
- pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_inc, NULL);
- else
- pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_des, NULL);
- }
- for (i = 0; i < NUM_THREAD; i++)
- pthread_join(thread_id[i], NULL);
- printf("result: %lld \n", num);
- pthread_mutex_destroy(&mutex); //互斥量的銷毀
- return 0;
- }
- /*擴展臨界區(qū)，減少加鎖，釋放鎖調用次數(shù)，但這樣變量必須加滿到50000000次后其它線程才能訪問.
- 這樣是延長了線程的等待時間，但縮短了加鎖，釋放鎖函數(shù)調用的時間，這里沒有定論，自己酌情考慮*/
- void * thread_inc(void * arg)
- {
- pthread_mutex_lock(&mutex); //互斥量鎖住
- for (int i = 0; i < 1000000; i++)
- num += 1;
- pthread_mutex_unlock(&mutex); //互斥量釋放鎖
- return NULL;
- }
- /*縮短了線程等待時間，但循環(huán)創(chuàng)建，釋放鎖函數(shù)調用時間增加*/
- void * thread_des(void * arg)
- {
- for (int i = 0; i < 1000000; i++)
- {
- pthread_mutex_lock(&mutex);
- num -= 1;
- pthread_mutex_unlock(&mutex);
- }
- return NULL;
- }
#p#
信號量
信號量與互斥量類似，只是互斥量是用鎖來控制線程訪問而信號量是用二進制0，1來完成控制線程順序。sem_post信號量加1，sem_wait信號量減1，當信號量為0時，sem_wait就會阻斷，因此通過這樣讓信號量加1減1就能控制線程的執(zhí)行順序了。
注釋：mac上測試信號量函數(shù)返回-1失敗，以后還是Linux上整吧，也許這些接口已經過時了…
- #include
- int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);//創(chuàng)建信號量
- int sem_destroy(sem_t *sem);//銷毀信號量
- int sem_post(sem_t *sem);//信號量加1
- int sem_wait(sem_t *sem);//信號量減1，為0時阻塞
實例代碼：線程A從用戶輸入得到值后存入全局變量num，此時線程B將取走該值并累加。該過程共進行5次，完成后輸出總和并退出程序。
- #include
- #include
- #include
- void * read(void * arg);
- void * accu(void * arg);
- static sem_t sem_one;
- static sem_t sem_two;
- static int num;
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- pthread_t id_t1, id_t2;
- sem_init(&sem_one, 0, 0);
- sem_init(&sem_two, 0, 1);
- pthread_create(&id_t1, NULL, read, NULL);
- pthread_create(&id_t2, NULL, accu, NULL);
- pthread_join(id_t1, NULL);
- pthread_join(id_t2, NULL);
- sem_destroy(&sem_one);
- sem_destroy(&sem_two);
- return 0;
- }
- void * read(void * arg)
- {
- int i;
- for (i = 0; i < 5; i++) {
- fputs("Input num: ", stdout);
- sem_wait(&sem_two);
- scanf("%d", &num);
- sem_post(&sem_one);
- }
- return NULL;
- }
- void * accu(void * arg)
- {
- int sum = 0 , i;
- for (i = 0; i < 5; i++) {
- sem_wait(&sem_one);
- sum+= num;
- sem_post(&sem_two);
- }
- printf("Result: %d \n", sum);
- return NULL;
- }
補充：線程的銷毀，線程創(chuàng)建后并不是其入口函數(shù)返回后就會自動銷毀，需要手動銷毀，不然線程創(chuàng)建的內存空間將一直存在。一般手動銷毀有如下兩種方式：1，調用pthread_join函數(shù)，其返回后同時銷毀線程 ，是一個阻斷函數(shù)，服務端一般不用它銷毀，因為服務端主線程不宜阻斷，還要實時監(jiān)聽客服端連接。2，調用pthread_detach函數(shù)，不會阻塞，線程返回自動銷毀線程，不過要注意調用它后不能再調用pthread_join函數(shù)，它與pthread_join主要區(qū)別就是一個是阻塞函數(shù)，一個不阻塞。
多線程并發(fā)服務端的實現(xiàn)
使用多線程實現(xiàn)了一個簡單的聊天程序，并對臨界區(qū)(clnt_cnt,clnt_socks)進行加鎖訪問.
服務端：
- //
- // main.cpp
- // hello_server
- //
- // Created by app05 on 15-10-22.
- // Copyright (c) 2015年 app05. All rights reserved.
- //臨界區(qū)是：clnt_cnt和clnt_socks訪問處
- #include
- #include
- #include
- #include
- #include
- #include
- #include
- #define BUF_SIZE 100
- #define MAX_CLNT 256
- void * handle_clnt(void * arg);
- void send_msg(char *msg, int len);
- void error_handling(char * msg);
- int clnt_cnt = 0;
- int clnt_socks[MAX_CLNT];
- pthread_mutex_t mutx;
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- int serv_sock, clnt_sock;
- struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
- socklen_t clnt_adr_sz;
- pthread_t t_id;
- if (argc != 2) {
- printf("Usage : %s \n", argv[0]);
- exit(1);
- }
- //創(chuàng)建互斥量
- pthread_mutex_init(&mutx, NULL);
- serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
- memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
- serv_adr.sin_family = AF_INET;
- serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
- serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
- if(bind(serv_sock, (struct sockaddr *) &serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
- error_handling("bind() error");
- if(listen(serv_sock, 5) == -1)
- error_handling("listen() error");
- while (1)
- {
- clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
- clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz); //阻斷，監(jiān)聽客服端連接請求
- //臨界區(qū)
- pthread_mutex_lock(&mutx); //加鎖
- clnt_socks[clnt_cnt++] = clnt_sock; //新連接的客服端保存到clnt_socks數(shù)組里
- pthread_mutex_unlock(&mutx); //釋放鎖
- //創(chuàng)建線程
- pthread_create(&t_id, NULL, handle_clnt, (void*) &clnt_sock);
- pthread_detach(t_id); //銷毀線程，線程return后自動調用銷毀，不阻斷
- printf("Connected client IP: %s \n", inet_ntoa(clnt_adr.sin_addr));
- }
- close(serv_sock);
- return 0;
- }
- //線程執(zhí)行
- void * handle_clnt(void * arg)
- {
- int clnt_sock = *((int *)arg);
- int str_len = 0, i;
- char msg[BUF_SIZE];
- while ((str_len = read(clnt_sock, msg, sizeof(msg))) != 0)
- send_msg(msg, str_len);
- //從數(shù)組中移除當前客服端
- pthread_mutex_lock(&mutx);
- for (i = 0; i < clnt_cnt; i++)
- {
- if (clnt_sock == clnt_socks[i])
- {
- while (i++ < clnt_cnt - 1)
- clnt_socks[i] = clnt_socks[i + 1];
- break;
- }
- }
- clnt_cnt--;
- pthread_mutex_unlock(&mutx);
- close(clnt_sock);
- return NULL;
- }
- //向所有連接的客服端發(fā)送消息
- void send_msg(char * msg, int len)
- {
- int i;
- pthread_mutex_lock(&mutx);
- for (i = 0; i < clnt_cnt; i++)
- write(clnt_socks[i], msg, len);
- pthread_mutex_unlock(&mutx);
- }
- void error_handling(char *message)
- {
- fputs(message, stderr);
- fputc('\n', stderr);
- exit(1);
- }
#p#
客服端
- //
- // main.cpp
- // hello_client
- //
- // Created by app05 on 15-10-22.
- // Copyright (c) 2015年 app05. All rights reserved.
- //
- //
- #include
- #include
- #include
- #include
- #include
- #include
- #include
- #define BUF_SIZE 100
- #define NAME_SIZE 20
- void * send_msg(void * arg);
- void * recv_msg(void * arg);
- void error_handling(char *message);
- char name[NAME_SIZE] = "[DEFAULT]";
- char msg[BUF_SIZE];
- int main(int argc, const char * argv[]) {
- int sock;
- struct sockaddr_in serv_addr;
- pthread_t snd_thread, rcv_thread;
- void * thread_return;
- if(argc != 4)
- {
- printf("Usage: %s \n", argv[0]);
- exit(1);
- }
- sprintf(name, "[%s]", argv[3]); //聊天人名字，配置到編譯器參數(shù)里
- sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
- if(sock == -1)
- error_handling("socket() error");
- memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
- serv_addr.sin_family = AF_INET;
- serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
- serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
- if (connect(sock, (struct sockaddr *) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)
- error_handling("connect() error");
- //多線程分離輸入和輸出
- pthread_create(&snd_thread, NULL, send_msg, (void *)&sock);
- pthread_create(&rcv_thread, NULL, recv_msg, (void *)&sock);
- //阻塞，等待返回
- pthread_join(snd_thread, &thread_return);
- pthread_join(rcv_thread, &thread_return);
- close(sock);
- return 0;
- }
- //發(fā)送消息
- void * send_msg(void * arg)
- {
- int sock = *((int *)arg);
- char name_msg[NAME_SIZE + BUF_SIZE];
- while (1) {
- fgets(msg, BUF_SIZE, stdin);
- if (!strcmp(msg, "q\n") || !strcmp(msg, "Q \n")) {
- close(sock);
- exit(0);
- }
- sprintf(name_msg, "%s %s", name, msg);
- write(sock, name_msg, strlen(name_msg));
- }
- return NULL;
- }
- //接收消息
- void * recv_msg(void * arg)
- {
- int sock = *((int *)arg);
- char name_msg[NAME_SIZE + BUF_SIZE];
- int str_len;
- while (1) {
- str_len = read(sock, name_msg, NAME_SIZE + BUF_SIZE - 1);
- if(str_len == -1)
- return (void *)-1;
- name_msg[str_len] = 0;
- fputs(name_msg, stdout);
- }
- return NULL;
- }
- void error_handling(char *message)
- {
- fputs(message, stderr);
- fputc('\n', stderr);
- exit(1);
- }
責任編輯：何妍
來源：
CSDN博客
