【网络编程】高性能并发服务器源码剖析

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作者
猴君
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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!

               

目录

一.网络服务器 

 1.1 普通循环网络服务器

2.2 简单并发网络服务器

2.2.1简单的并发服务器模型

2.2.2使用进程的并发服务器

2.2.3使用线程的并发服务器

2.2.4其他并发服务器模型

二.使用互斥锁实现单线程处理单个客户

2.1 具体步骤

2.2服务器代码模板

三.源码剖析


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! 

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