网络编程之 socket 多端通信

回顾

上一例子已经了解了与socket相关几个基本函数,知道了 TCP 连接通信的基本流程:

TCP连接通信流程

上一个例子中仅仅是客户端与服务的连接后通信一条消息,这是最简单的 TCP 例子;现在则进一步引入Pthread,为客户端单独创建一个接收信息和发送信息的线程,使其可以随时的跟服务端通信。而为服务端单独创建一个与客户单进行通信的线程,负责接收客户的消息的接收以及响应(这里直接回复客户端发来的消息)。

pthread

POSIX线程(POSIX threads),简称 pthreads,是线程的POSIX标准。该标准定义了创建和操纵线程的一整套API。在类Unix操作系统(Unix、Linux、Mac OS X等)中,都使用 pthreads 作为操作系统的线程。

在多线程程序中经常用到的两个函数:pthread_create()pthread_join()

pthread_create

  1. 头文件:#include<pthread.h>
  2. 功能:创建线程,在线程成功创建以后,就开始运行相关的线程函数。
  3. 原型:

    1
    int pthread_create(pthread_t *tidp, const pthread_attr_t *attr, (void*)(*start_rtn)(void*), void *arg);
  4. 参数:

    • tidp:指向线程 ID 的指针。
    • restrict_attr:用于指定各种不同的线程属性。
    • start_rtn:线程运行函数的起始地址。
    • arg:运行函数的参数。如果需要向start_rtn函数传递的参数不止一个,那么需要把这些参数放到一个结构中,然后把这个结构的地址作为 arg 的参数传入。
  5. 返回值:
    • 成功:返回 0。
    • 失败:返回出错编号。
  6. 注意:因为pthread并非Linux系统的默认库,而是 POSIX 线程库。在Linux中将其作为一个库来使用,因此加上 -lpthread(或 -pthread)以显式链接该库。函数在执行错误时的错误信息将作为返回值返回,并不修改系统全局变量 errno,所以无法使用perror()打印错误信息。

pthread_join

  1. 头文件:#include<pthread.h>
  2. 功能:以阻塞的方式等待 thread 指定的线程结束。当函数返回时,被等待线程的资源被收回。如果线程已经结束,那么该函数会立即返回。并且 thread 指定的线程必须是joinable的。
  3. 原型:

    1
    int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
  4. 参数:

    • thread:线程ID,标识唯一线程
    • retval:用户定义的指针,用来存储被等待线程的返回值。
  5. 返回值:
    • 成功:返回 0。
    • 失败:返回出错编号。
  6. 注意:一个线程不能被多个线程等待,也就是说对一个线程只能调用一次 pthread_join,否则只有一个能正确返回,其他的将返回 ESRCH 错误。

  7. 补充:在Linux中,默认情况下是在一个线程被创建后,必须使用此函数对创建的线程进行资源回收,但是可以设置Threads attributes来设置当一个线程结束时,直接回收此线程所占用的系统资源。

在Linux中,新建的线程并不是在原先的进程中,而是系统通过一个系统调用clone()。该系统调用copy了一个和原先进程完全一样的进程,并在这个进程中执行线程函数。不过这个copy过程和fork不一样。 copy后的进程和原先的进程共享了所有的变量,运行环境。这样,原先进程中的变量变动在copy后的进程中便能体现出来。

例子

Server

server.hpp

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#ifndef TCPServer_hpp
#define TCPServer_hpp
#include <iostream> // cout
#include <sys/socket.h> // socket
#include <netinet/in.h> // sockaddr_in
#include <arpa/inet.h> // inet_addr
#include <unistd.h> // close
#define BUFF_SIZE 4096
/** 返回值 枚举 */
typedef enum __retValue {
Ret_error = -2, // 出错
Ret_failed = -1, // 失败
Ret_success = 0, // 成功
}RetValue;
void* HandleClient(void* arg); /* 处理客户端消息 */
class TCPServer
{
private:
struct sockaddr_in serverAddr; // 服务端地址
socklen_t serAddrLen; // 地址长度
int serverSockfd; // 服务端 socket
/**
处理客户端消息
@param arg 线程参数(TCPServer实例指针)
*/
friend void* HandleClient(void* arg);
public:
TCPServer(std::string ipStr, unsigned int port);
~TCPServer();
/**
绑定 服务端 地址
@return 参见‘RetValue’
*/
RetValue BindAddr();
/**
监听端口连接请求
@param queueNum 最大等待处理连接队列数
@return 参见‘RetValue’
*/
RetValue Listen(unsigned int queueNum);
/**
运行服务端
@return 参见‘RetValue’
*/
RetValue Run();
};
#endif /* TCPServer_hpp */

server.cpp

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#include "TCPServer.hpp"
#define DEFAULT_QUEUE_NUM 5
TCPServer::TCPServer(std::string ipStr, unsigned int port)
{
if (true == ipStr.empty()
|| 0 >= ipStr.length())
{
std::cout << "Ip 地址不能为空!" << std::endl;
return;
}
// 创建 服务端 socket
serverSockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (0 > serverSockfd)
{
std::cout << "创建 socket 失败!" << std::endl;
return;
}
std::cout << "创建 socket 成功!" << std::endl;
// 设置 服务端 地址
serAddrLen = sizeof(serverAddr);
memset(&serverAddr, 0, serAddrLen); // 清空结构体
serverAddr.sin_family = AF_INET; // 协议族 类型
serverAddr.sin_port = htons(port); // 服务端 端口
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ipStr.c_str()); // 服务端 IP 地址
}
TCPServer::~TCPServer()
{
if (0 < serverSockfd)
{
std::cout << "关闭服务端 sockfd !" << std::endl;
close(serverSockfd); // 关闭服务端 sockfd
}
}
RetValue TCPServer::BindAddr()
{
// 绑定 IP 地址和端口号
int ret = bind(serverSockfd, (struct sockaddr*)&serverAddr, serAddrLen);
if (0 != ret)
{
std::cout << "绑定 IP 地址和端口失败!" << std::endl;
return Ret_failed;
}
std::cout << "绑定 IP 地址和端口成功!" << std::endl;
return Ret_success;
}
RetValue TCPServer::Listen(unsigned int queueNum)
{
// 监听端口(使 Socket 变为被动连接,等待客户端 Socket 连接)
int ret = listen(serverSockfd, 0 >= queueNum ? DEFAULT_QUEUE_NUM : queueNum);
if (0 != ret)
{
std::cout << "监听端口失败!" << std::endl;
return Ret_failed;
}
std::cout << "监听端口成功!" << std::endl;
return Ret_success;
}
RetValue TCPServer::Run()
{
// 客户端 地址
struct sockaddr_in clientAddr;
socklen_t cliAddrLen = sizeof(clientAddr);
while (1) // 循环等待客户端连接
{
// 阻塞式等待客户端连接
std::cout << "等待客户端连接。。。" << std::endl;
int clientSockfd = accept(serverSockfd, (struct sockaddr*)&clientAddr, &cliAddrLen);
if (0 > clientSockfd)
{
std::cout << "服务器接受客户端连接失败!" << std::endl;
continue;
}
std::cout << "服务器接受客户端(sockfd = " << clientSockfd << ")连接成功!" << std::endl;
pthread_t commP;
// 创建 与 客户通信线程
int ret = pthread_create(&commP, NULL, HandleClient, (void*)&clientSockfd);
if (0 != ret)
{
std::cout << "创建客户端(sockfd = " << clientSockfd << ")消息处理线程失败!" << std::endl;
close(clientSockfd);
continue;
}
std::cout << "创建客户端(sockfd = " << clientSockfd << ")消息处理线程成功!" << std::endl;
}
return Ret_success;
}
void* HandleClient(void* arg)
{
int sockfd = *(int*)arg;
while (1) // 循环处理客户端消息
{
// 接收消息
char recvBuf[BUFF_SIZE];
memset(recvBuf, 0, BUFF_SIZE);
ssize_t recvLen = recv(sockfd, recvBuf, BUFF_SIZE, 0);
if (0 > recvLen) // 出错
{
std::cout << "接收消息出错(sockfd = " << sockfd << ")!" << std::endl;
close(sockfd);
break;
}
else if (0 == recvLen) // 连接已断开
{
std::cout << "接收消息失败,(sockfd = " << sockfd << ")客户端连接已断开!" << std::endl;
close(sockfd);
break;
}
else // 接收成功
{
recvBuf[recvLen] = '\0';
std::cout << "接收到客户端(sockfd = " << sockfd << ")消息:" << recvBuf << std::endl;
}
// 发送消息(这里直接回复客户端发来的数据)
ssize_t sendLen = send(sockfd, recvBuf, recvLen, 0);
if (0 > sendLen) // 出错
{
std::cout << "发送消息出错(sockfd = " << sockfd << ")!" << std::endl;
close(sockfd);
break;
}
else if (0 == sendLen) // 连接已断开
{
std::cout << "发送消息失败,(sockfd = " << sockfd << ")客户端连接已断开!" << std::endl;
close(sockfd);
break;
}
else // 发送成功
{
// std::cout << "发送消息成功!" << std::endl;
if (0 == strcmp(recvBuf, "quit"))
{
std::cout << "客户端(sockfd = " << sockfd << ")已主动关闭连接!" << std::endl;
break;
}
}
}
std::cout << "关闭客户端 (sockfd = " << sockfd << ")" << std::endl;
close(sockfd);
return NULL;
}

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#include <iostream>
#include "TCPServer.hpp"
#define DEMO_PORT 5578
#define DEMO_IP "127.0.0.1"
#define MAX_LISTEN_QUEUE 10
int main()
{
TCPServer server(DEMO_IP, DEMO_PORT);
if (Ret_success != server.BindAddr())
{
exit(1);
}
if (Ret_success != server.Listen(MAX_LISTEN_QUEUE))
{
exit(1);
}
if (Ret_success != server.Run())
{
exit(1);
}
return 0;
}

Client

client.hpp

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#ifndef TCPClient_hpp
#define TCPClient_hpp
#include <iostream> // cout
#include <sys/socket.h> // socket
#include <netinet/in.h> // sockaddr_in
#include <arpa/inet.h> // inet_addr
#include <unistd.h> // close
#define BUFF_SIZE 4096
/** 返回值 枚举 */
typedef enum __retValue {
Ret_error = -2, // 出错
Ret_failed = -1, // 失败
Ret_success = 0, // 成功
}RetValue;
void* SendMsg(void *arg); /** 发送消息 */
void* RecvMsg(void *arg); /** 接收消息 */
class TCPClient
{
private:
struct sockaddr_in serverAddr; // 服务端地址
socklen_t serAddrLen; // 地址长度
int clientSockfd; // 客户端 socket
/**
发送消息
@param arg 线程参数(TCPClient实例指针)
*/
friend void* SendMsg(void* arg);
/**
接收消息
@param arg 线程参数(TCPClient实例指针)
*/
friend void* RecvMsg(void* arg);
public:
TCPClient(std::string ipStr, unsigned int port);
~TCPClient();
/**
连接 服务端
@return 参见‘RetValue’
*/
RetValue ConnServer();
/**
运行 客户端
@return 参见‘RetValue’
*/
RetValue Run();
};
#endif /* TCPClient_hpp */

client.cpp

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#include "TCPClient.hpp"
#include <pthread.h>
TCPClient::TCPClient(std::string ipStr, unsigned int port)
{
if (true == ipStr.empty()
|| 0 >= ipStr.length())
{
std::cout << "Ip 地址不能为空!" << std::endl;
return;
}
// 创建 客户端 socket
clientSockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (0 > clientSockfd)
{
std::cout << "创建 socket 失败!" << std::endl;
return;
}
std::cout << "创建 socket 成功!" << std::endl;
// 设置 服务端 地址
serAddrLen = sizeof(serverAddr);
memset(&serverAddr, 0, serAddrLen); // 清空结构体
serverAddr.sin_family = AF_INET; // 协议族 类型
serverAddr.sin_port = htons(port); // 服务端 端口
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ipStr.c_str()); // 服务端 IP 地址
}
TCPClient::~TCPClient()
{
if (0 < clientSockfd)
{
std::cout << "关闭客户端 sockfd !" << std::endl;
close(clientSockfd); // 关闭客户端 sockfd
}
}
RetValue TCPClient::ConnServer()
{
std::cout << "开始连接 服务端。。。" << std::endl;
// 连接 服务端
int ret = connect(clientSockfd, (struct sockaddr*)&serverAddr, serAddrLen);
if (0 != ret)
{
std::cout << "连接 服务端 失败!" << std::endl;
return Ret_failed;
}
std::cout << "连接 服务端 成功!" << std::endl;
return Ret_success;
}
RetValue TCPClient::Run()
{
pthread_t sendP;
pthread_t recvP;
// 创建发送消息线程
int ret = pthread_create(&sendP, NULL, SendMsg, (void*)this);
if (0 != ret)
{
std::cout << "创建发送消息线程失败!" << std::endl;
return Ret_failed;
}
// 创建接收消息线程
ret = pthread_create(&recvP, NULL, RecvMsg, (void*)this);
if (0 != ret)
{
std::cout << "创建接收消息线程失败!" << std::endl;
return Ret_failed;
}
// 等待线程结束
void *result;
if (0 != pthread_join(sendP, &result))
{
perror("等待 发送消息 线程失败");
exit(1);
}
if (0 != pthread_join(recvP, &result))
{
perror("等待 接收消息 线程失败");
exit(1);
}
return Ret_success;
}
void* SendMsg(void *arg)
{
std::cout << "发送消息线程启动!" << std::endl;
TCPClient *client = (TCPClient *)arg;
std::string sendMsg;
while(1)
{
std::cin >> sendMsg;
ssize_t sendLen = send(client->clientSockfd, sendMsg.c_str(), sendMsg.length(), 0);
if (0 > sendLen) // 出错
{
std::cout << "发送消息出错!" << std::endl;
break;
}
else if (0 == sendLen) // 连接已断开
{
std::cout << "发送消息失败,连接已断开!" << std::endl;
break;
}
else // 发送成功!
{
if (0 == strcmp(sendMsg.c_str(), "quit"))
{
break;
}
// std::cout << "发送消息成功!" << std::endl;
}
}
return NULL;
}
void* RecvMsg(void *arg)
{
std::cout << "接收消息线程启动!" << std::endl;
TCPClient *client = (TCPClient *)arg;
char recvBuf[BUFF_SIZE];
ssize_t recvLen;
while (1)
{
memset(recvBuf, 0, BUFF_SIZE);
recvLen = recv(client->clientSockfd, recvBuf, BUFF_SIZE, 0);
if (0 > recvLen) // 出错
{
std::cout << "接收消息出错!" << std::endl;
break;
}
else if (0 == recvLen) // 连接已断开
{
std::cout << "接收消息失败,连接已断开!" << std::endl;
break;
}
else // 接收成功
{
recvBuf[recvLen] = '\0';
std::cout << "接收到服务端消息:" << recvBuf << std::endl;
if (0 == strcmp(recvBuf, "quit")) // 遇到 “quit” 则退出
{
break;
}
}
}
return NULL;
}

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#include <iostream>
#include "TCPClient.hpp"
#define DEMO_PORT 5578
#define DEMO_IP "127.0.0.1"
int main()
{
TCPClient client(DEMO_IP, DEMO_PORT);
if (Ret_success != client.ConnServer())
{
exit(1);
}
if (Ret_success != client.Run())
{
exit(1);
}
return 0;
}

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