【网络编程】高性能并发服务器源码剖析_业界新闻

发布时间:2024-07-12 21:21

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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

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。
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

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。
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

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。
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

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。
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

初始化互斥锁：在服务器启动时，初始化一个互斥锁。
接受连接：服务器的主线程循环接受客户端连接。
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。
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。
处理请求：线程获取互斥锁后，开始处理客户请求。
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。
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。