网络程序 -- TCP版服务器-易微帮

一多进程版TCP服务器

1.1 核心功能

对于之前编写的 字符串回响程序 来说，如果只有一个客户端进行连接并通信，是没有问题的，但如果有多个客户端发起连接请求，并尝试进行通信，服务器是无法应对的

原因在于 服务器是一个单进程版本，处理连接请求和业务处理是串行化执行的，如果想处理下一个连接请求，需要把当前的业务处理完成。

具体表现为下面这种情况：

为什么客户端B会显示当前已经连接成功？

这是因为是客户端是主动发起连接请求的一方，在请求发出后，如果出现连接错误，客户端就认为已经连接成功了，但实际上服务器还没有处理这个连接请求.

这显然是服务器的问题，处理连接请求 与 业务处理 应该交给两个不同的执行流完成，可以使用多进程或者多线程解决，这里先采用多进程的方案

所以当前需要实现的网络程序核心功能为：当服务器成功处理连接请求后，fork 新建一个子进程，用于进行业务处理，原来的进程专注于处理连接请求。

1.2 创建子进程

注：当前的版本的修改只涉及 StartServer() 函数

创建子进程使用 fork() 函数，它的返回值含义如下

ret == 0 表示创建子进程成功，接下来执行子进程的代码

ret > 0 表示创建子进程成功，接下来执行父进程的代码

ret < 0 表示创建子进程失败

子进程创建成功后，会继承父进程的文件描述符表，能轻而易举的获取客户端的 socket 套接字，从而进行网络通信

当然不止文件描述符表，得益于 写时拷贝 机制，子进程还会共享父进程的变量，当发生修改行为时，才会自己创建。

注意： 当子进程取走客户端的 socket 套接字进行通信后，父进程需要将其关闭（因为它不需要了），避免文件描述符泄漏

StartServer() 服务器启动函数 — 位于 server.hpp 的 TcpServer 类

// 进程创建、等待所需要的头文件
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>


 //启动服务器
        void StartServer(){
            // 忽略 SIGCHLD 信号
            //signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
            while(!_quit){
                //1 处理连接请求
                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);
                int sock = accept(_listensock,(struct sockaddr*)&client,&len);

                //2 如果连接失败 继续尝试连接
                if(sock == -1){
                    std::cerr<< "Accept Fail!:"<<strerror(errno)<<std::endl;
                    continue;
                }

                // 连接成功，获取客户端信息
                std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);
              
                std::cout<<"Server accept"<<clientip + "-"<<clientport<<sock<<" from "<<_listensock << "success!"<<std::endl;

                //3 创建子进程 
                pid_t id=fork();
                if(id<0){
                    // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话
                   close(sock);
                   std::cerr<<"Fork Fail!"<<std::endl;
                }
                else if( 0 == id){
                   //进入子进程
                   // 子进程拥有父进程相同的文件描述符，建议把不用的关闭
                 close(_listensock);
                  // 执行业务处理函数
                 //4 这里因为是字节流传递，一般而言我们会自己写一个函数
                 Service(sock,clientip,clientport);
                 exit(0);
                }
                else {
                  // 父进程需要等待子进程
                    pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0); // 默认为阻塞式等待
                    //更改为非阻塞
                    // pid_t ret = waitpid(id,nullptr,WNOHANG);
                    if(ret == id){
                     std::cout << "Wait " << id << " success!";
                    }
                }
            }
        }

虽然此时成功创建了子进程，但父进程（处理连接请求）仍然需要等待子进程退出后，才能继续运行,而不能和我们想象中一样单独进行处理连接请求函数，说白了就是 父进程现在处于阻塞等待状态,需要设置为 非阻塞等待.

1.3 设置非阻塞状态

设置父进程为非阻塞的方式有很多，这里来一一列举

方式一：通过参数设置为非阻塞等待（不推荐）

可以直接给 waitpid() 函数的参数3传递 WNOHANG，表示当前为 非阻塞等待.

pid_t ret = waitpid(id, nullptr, WNOHANG); // 设置为非阻塞式等待

这种方法可行，但不推荐，原因如下：虽然设置成了非阻塞式等待，但父进程终究是需要通过 waitpid() 函数来尝试等待子进程，倘若父进程一直卡在 accept() 函数处，会导致子进程退出后暂时无人收尸，进而导致资源泄漏。

方式二：忽略 SIGCHLD 信号（推荐使用）

这是一个子进程在结束后发出的信号，默认动作是什么都不做；父进程需要检测并回收子进程，我们可以直接忽略该信号，这里的忽略是个特例，只是父进程不对其进行处理，转而由 操作系统 对其负责，自动清理资源并进行回收，不会产生 僵尸进程。

 //启动服务器
        void StartServer(){
            // 忽略 SIGCHLD 信号
            signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
            while(!_quit){
                //1 处理连接请求
                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);
                int sock = accept(_listensock,(struct sockaddr*)&client,&len);

                //2 如果连接失败 继续尝试连接
                if(sock == -1){
                    std::cerr<< "Accept Fail!:"<<strerror(errno)<<std::endl;
                    continue;
                }

                // 连接成功，获取客户端信息
                std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);
              
                std::cout<<"Server accept"<<clientip + "-"<<clientport<<sock<<" from "<<_listensock << "success!"<<std::endl;

                //3 创建子进程 
                pid_t id=fork();
                if(id<0){
                    // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话
                   close(sock);
                   std::cerr<<"Fork Fail!"<<std::endl;
                }
                else if( 0 == id){
                   //进入子进程
                   // 子进程拥有父进程相同的文件描述符，建议把不用的关闭
                 close(_listensock);
                  // 执行业务处理函数
                 //4 这里因为是字节流传递，一般而言我们会自己写一个函数
                 Service(sock,clientip,clientport);
                 exit(0);
                }
                // else {
                //   // 父进程需要等待子进程
                //     //pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0); // 默认为阻塞式等待
                //     //更改为非阻塞
                //      pid_t ret = waitpid(id,nullptr,WNOHANG);
                //     if(ret == id){
                //      std::cout << "Wait " << id << " success!";
                //     }
                // }
            }
        }

强烈推荐使用该方案，因为操作简单，并且没有后患之忧。

方式三：设置 SIGCHLD 信号的处理动作为子进程回收（不是很推荐）

当子进程退出并发送该信号时，执行父进程回收子进程的操作。

设置 SIGCHLD 信号的处理动作为 回收子进程后，父进程同样不必再考虑回收子进程的问题

注意： 因为现在处于 TcpServer 类中，handler() 函数需要设置为静态（避免隐含的 this 指针），避免不符合 signal() 函数中信号处理函数的参数要求。

 // 需要设置为静态
        static void handler(int signo){
            printf("进程 %d 捕捉到了 %d 号信号\n", getpid(), signo);
            // 这里的 -1 表示父进程等待时，只要是已经退出了的子进程，都可以进行回收
            while (1){
                pid_t ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
                if (ret > 0)
                    printf("父进程: %d 已经成功回收了 %d 号进程\n", getpid(), ret);
                else
                    break;
            }
            printf("子进程回收成功\n");
        }
        
        //启动服务器
        void StartServer(){
            // 设置 SIGCHLD 信号的处理动作
            signal(SIGCHLD, handler);
            // 忽略 SIGCHLD 信号
            // signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
            while(!_quit){
                //1 处理连接请求
                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);
                int sock = accept(_listensock,(struct sockaddr*)&client,&len);

                //2 如果连接失败 继续尝试连接
                if(sock == -1){
                    std::cerr<< "Accept Fail!:"<<strerror(errno)<<std::endl;
                    continue;
                }

                // 连接成功，获取客户端信息
                std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);
              
                std::cout<<"Server accept"<<clientip + "-"<<clientport<<sock<<" from "<<_listensock << "success!"<<std::endl;

                //3 创建子进程 
                pid_t id=fork();
                if(id<0){
                    // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话
                   close(sock);
                   std::cerr<<"Fork Fail!"<<std::endl;
                }
                else if( 0 == id){
                   //进入子进程
                   // 子进程拥有父进程相同的文件描述符，建议把不用的关闭
                 close(_listensock);
                  // 执行业务处理函数
                 //4 这里因为是字节流传递，一般而言我们会自己写一个函数
                 Service(sock,clientip,clientport);
                 exit(0);
                }
                  else {
                  // 父进程需要等待子进程
                    pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0); // 默认为阻塞式等待
                    //更改为非阻塞
                    // pid_t ret = waitpid(id,nullptr,WNOHANG);
                    if(ret == id){
                     std::cout << "Wait " << id << " success!";
                    }
                }
            }
        }

为什么不是很推荐这种方法？因为这种方法实现起来比较麻烦，不如直接忽略 SIGCHLD 信号

方式四：设置孙子进程（不是很推荐）

众所周知，父进程只需要对子进程负责，至于孙子进程交给子进程负责，如果某个子进程的父进程终止运行了，那么它就会变成 孤儿进程，父进程会变成 1 号进程，也就是由操作系统领养，回收进程的重担也交给了操作系统

可以利用该特性，在子进程内部再创建一个子进程（孙子进程），然后子进程退出，父进程可以直接回收（不必阻塞），子进程（孙子进程）的父进程变成 1 号进程

这种实现方法比较巧妙，而且与我们后面即将学到的 守护进程 有关

注意： 使用这种方式时，父进程是需要等待子进程退出的。

这种方法代码也很简单，我们也不再做过多示例，但依旧不推荐，因为倘若连接请求变多，会导致孤儿进程变多，孤儿进程由操作系统接管，数量变多会给操作系统带来负担

以上就是设置 非阻塞 的四种方式，推荐使用方式二：忽略 SIGCHLD 信号。

至此我们的 字符串回响程序 可以支持多客户端了。

细节补充：当子进程取走 sock 套接字进行网络通信后，父进程就不需要使用 sock 套接字了，可以将其进行关闭，下次连接时继续使用，避免文件描述符不断增长。

StartServer() 服务器启动函数 — 位于 server.hpp 服务器头文件中的 TcpServer 类

// 启动服务器
void StartServer()
{
    // 忽略 SIGCHLD 信号
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

    while (!_quit)
    {
        // 1.处理连接请求
        // ...

        // 2.如果连接失败，继续尝试连接
        // ...

        // 连接成功，获取客户端信息
        // ...

        // 3.创建子进程
        // ...

        close(sock); // 父进程不再需要资源（建议关闭）
    }
}

这个补丁可以减少资源消耗，建议加上，前面是忘记加了，并且不太好修改，server.hpp 服务器头文件完整代码如下:

// server.hpp

#pragma once

#include <signal.h>
#include<iostream>
#include<string>
#include<functional>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include"err.hpp"
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<cerrno>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

namespace My_server{

       // 默认端口号
        const uint16_t default_port = 8088;
        //全连接队列的最大长度
        const int backlog = 32;
        using func_t =std::function<std::string(std::string)>;

    class server
    {
    private:
        /* data */
        //套接字
        int _listensock;
        //端口号
        uint16_t _port;
        // 判断服务器是否结束运行
        bool _quit;
        // 外部传入的回调函数
        func_t _func;
    public:

        server(const func_t &func,const uint16_t &port = default_port)
         :_func(func)
         ,_port(port)
         ,_quit(false)
        {}

        ~server(){}

        //初始化服务器
        void InitServer(){
            
            //1 创建套接字
            _listensock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
            if(_listensock == -1){
                //绑定失败
                std::cerr<<"Create Socket Fail:"<<strerror(errno)<<std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            std::cout<<"Create Socket Success!" <<_listensock<<std::endl;

            //2 绑定端口号和IP地址
            struct sockaddr_in local;
            bzero(&local,sizeof(local));
            
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_port = htons(_port);
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

            if(bind(_listensock,(const sockaddr*)&local,sizeof(local))){
                std::cerr << "Bind IP&&Port Fali" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }

            //3 开始监听
            if(listen(_listensock,backlog)== -1){
                std::cerr<<"Listen Fail: "<< strerror(errno) << std::endl;
                //新增一个报错
                exit(LISTEN_ERR);
            }
             std::cout<<"Listen Success!"<<std::endl;
        }



    // // 需要设置为静态
    //     static void handler(int signo){
    //         printf("进程 %d 捕捉到了 %d 号信号\n", getpid(), signo);
    //         // 这里的 -1 表示父进程等待时，只要是已经退出了的子进程，都可以进行回收
    //         while (1){
    //             pid_t ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
    //             if (ret > 0)
    //                 printf("父进程: %d 已经成功回收了 %d 号进程\n", getpid(), ret);
    //             else
    //                 break;
    //         }
    //         printf("子进程回收成功\n");
    //     }
        
        //启动服务器
        void StartServer(){
            // 设置 SIGCHLD 信号的处理动作
            //signal(SIGCHLD, handler);
            // 忽略 SIGCHLD 信号
            signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
            while(!_quit){
                //1 处理连接请求
                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);
                int sock = accept(_listensock,(struct sockaddr*)&client,&len);

                //2 如果连接失败 继续尝试连接
                if(sock == -1){
                    std::cerr<< "Accept Fail!:"<<strerror(errno)<<std::endl;
                    continue;
                }

                // 连接成功，获取客户端信息
                std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);
              
                std::cout<<"Server accept"<<clientip + "-"<<clientport<<sock<<" from "<<_listensock << "success!"<<std::endl;

                //3 创建子进程 
                pid_t id=fork();
                if(id<0){
                    // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话
                   close(sock);
                   std::cerr<<"Fork Fail!"<<std::endl;
                }
                else if( 0 == id){
                   //进入子进程
                   // 子进程拥有父进程相同的文件描述符，建议把不用的关闭
                 close(_listensock);
                  // 执行业务处理函数
                 //4 这里因为是字节流传递，一般而言我们会自己写一个函数
                 Service(sock,clientip,clientport);
                 exit(0);
                }
                // else {
                //   // 父进程需要等待子进程
                //     pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0); // 默认为阻塞式等待
                //     //更改为非阻塞
                //     // pid_t ret = waitpid(id,nullptr,WNOHANG);
                //     if(ret == id){
                //      std::cout << "Wait " << id << " success!";
                //     }
                // }
                
                close(sock); // 父进程不再需要资源（建议关闭）
            }
        }


        void Service(int sock,std::string &clientip,const uint16_t &clientport){

            char buff[1024];
            std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport);
            while(true){
                // 以字符串格式读取，预留\0的位置
                ssize_t n = read(sock,buff,sizeof(buff)-1);
                if(n>0){
                    //读取成功
                    buff[n]='\0';
                    std::cout<<"Server get: "<< buff <<" from "<<who<<std::endl;
                    //实际处理可以交给上层逻辑指定
                    std::string respond = _func(buff);
                    write(sock,buff,strlen(buff));
                }
                else if(n==0){
                  //表示当前读到了文件末尾，结束读取
                 std::cout<<"Client "<<who<<" "<<sock<<" quit!"<<std::endl;
                 close(sock);
                 break;
               }
                else{
                  // 读取出问题（暂时）
                  std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                  close(sock); // 关闭文件描述符
                   break;
               }    
            }
        }
    };
    
}

二多线程版服务器

2.1 核心功能

通过多线程，实现支持多客户端同时通信的服务器

核心功能：服务器与客户端成功连接后，创建一个线程，服务于客户端的业务处理

'这里先通过 原生线程库 模拟实现.

2.2 使用原生线程库

线程的回调函数中需要 Service() 业务处理函数中的所有参数，同时也需要具备访问 Service() 业务处理函数的能力，单凭一个 void* 的参数是无法解决的，为此可以创建一个类，里面可以包含我们所需要的参数。

ThreadData 类 — 位于 server.hpp 服务器头文件中。

   //包含我们所需参数的类型
    class ThreadData{
      public:
         ThreadData(int sock,const std::string&ip,const uint16_t&port,server*ptr)
          :_sock(sock)
          ,_clientip(ip)
          ,_clientport(port)
          ,_current(ptr)
         {}
      public:
        int _sock;
        std::string _clientip;
        uint16_t _clientport;
        server* _current;
    };

接下来就可以考虑如何借助多线程了

线程创建后，需要关闭不必要的 socket 套接字吗？

不需要，线程之间是可以共享这些资源的，无需关闭

如何设置主线程不必等待次线程退出？

可以把次线程进行分离

所以接下来我们需要在连接成功后，创建次线程，利用已有信息构建 ThreadData 对象，为次线程编写回调函数（最终目的是为了执行 Service() 业务处理函数）

注意： 因为当前在类中，线程的回调函数需要使用 static 设置为静态函数。

server.hpp 服务器头文件

// server.hpp

#pragma once

#include<iostream>
#include<string>
#include<functional>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include"err.hpp"
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<cerrno>

namespace My_server{

    // 默认端口号
    const uint16_t default_port = 8088;
    //全连接队列的最大长度
    const int backlog = 32;
    using func_t = std::function<std::string(std::string)>;
    
    //前置声明
    class server;
    //包含我们所需参数的类型
    class ThreadData{
      public:
         ThreadData(int sock,const std::string&ip,const uint16_t&port,server*ptr)
          :_sock(sock)
          ,_clientip(ip)
          ,_clientport(port)
          ,_current(ptr)
         {}
      public:
        int _sock;
        std::string _clientip;
        uint16_t _clientport;
        server* _current;
    };

    class server
    {
    private:
        /* data */
        //套接字
        int _listensock;
        //端口号
        uint16_t _port;
        // 判断服务器是否结束运行
        bool _quit;
        // 外部传入的回调函数
        func_t _func;
    public:

        server(const func_t &func,const uint16_t &port = default_port)
         :_func(func)
         ,_port(port)
         ,_quit(false)
        {}

        ~server(){}

        //初始化服务器
        void InitServer(){
            //1 创建套接字
            _listensock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
            if(_listensock == -1){
                //绑定失败
                std::cerr<<"Create Socket Fail:"<<strerror(errno)<<std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            std::cout<<"Create Socket Success!" <<_listensock<<std::endl;

            //2 绑定端口号和IP地址
            struct sockaddr_in local;
            bzero(&local,sizeof(local));
            
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_port = htons(_port);
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

            if(bind(_listensock,(const sockaddr*)&local,sizeof(local))){
                std::cerr << "Bind IP&&Port Fali" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }

            //3 开始监听
            if(listen(_listensock,backlog)== -1){
                std::cerr<<"Listen Fail: "<< strerror(errno) << std::endl;
                //新增一个报错
                exit(LISTEN_ERR);
            }
             std::cout<<"Listen Success!"<<std::endl;
        }
        //启动服务器
        void StartServer(){

            while(!_quit){
                //1 处理连接请求
                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);
                int sock = accept(_listensock,(struct sockaddr*)&client,&len);

                //2 如果连接失败 继续尝试连接
                if(sock == -1){
                    std::cerr<< "Accept Fail!:"<<strerror(errno)<<std::endl;
                    continue;
                }

                // 连接成功，获取客户端信息
                std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);

                std::cout<<"Server accept"<< clientip + "-"<< clientport <<sock<<" from "<<_listensock << "success!"<<std::endl;

                // 3.创建线程及所需要的线程信息类
                ThreadData* td = new ThreadData(sock, clientip, clientport, this);
                pthread_t p;
                pthread_create(&p, nullptr, Routine, td);
            }
        }

        // 线程回调函数
        static void* Routine(void* args){
            // 线程分离
            pthread_detach(pthread_self());

            ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);

            // 调用业务处理函数
            td->_current->Service(td->_sock, td->_clientip, td->_clientport);

            // 销毁对象
            delete td;
            return nullptr;
        }

        void Service(int sock,std::string &clientip,const uint16_t &clientport){

            char buff[1024];
            std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport);
            while(true){
                // 以字符串格式读取，预留\0的位置
                ssize_t n = read(sock,buff,sizeof(buff)-1);
                if(n>0){
                    //读取成功
                    buff[n]='\0';
                    std::cout<<"Server get: "<< buff <<" from "<<who<<std::endl;
                    //实际处理可以交给上层逻辑指定
                    std::string respond = _func(buff);
                    write(sock,buff,strlen(buff));
                }
                else if(n==0){
                  //表示当前读到了文件末尾，结束读取
                 std::cout<<"Client "<<who<<" "<<sock<<" quit!"<<std::endl;
                 close(sock);
                 break;
               }
                else{
                  // 读取出问题（暂时）
                  std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                  close(sock); // 关闭文件描述符
                   break;
               }    
            }
        }
    };
    
}

因为当前使用了 原生线程库，所以在编译时，需要加上 -lpthread

Makefile 文件

.PHONY:all
all:server client

server:server.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread

	
client:client.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf server client

使用 原生线程库 过于单薄了，并且这种方式存在问题：连接都准备好了，才创建线程，如果创建线程所需要的资源较多，会拖慢服务器整体连接效率

为此可以改用之前实现的 线程池

三线程池版服务器

3.1 ThreadPool.hpp 线程池头文件

#pragma once

#include <vector>
#include <string>
#include <memory>
#include <functional>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include "Task.hpp"
#include "Thread.hpp"
#include "BlockingQueue.hpp" // CP模型

namespace My_pool{

  const int THREAD_NUM = 10;
  
    template<class T>
    class ThreadPool
    {
    private:
        ThreadPool(int num = THREAD_NUM)
            :_num(num)
        {}

        ~ThreadPool(){
            // 等待线程退出
            for(auto &t : _threads)
                t.join();
        }

        // 删除拷贝构造
        ThreadPool(const ThreadPool<T> &) = delete;

    public:
        static ThreadPool<T>* getInstance(){
            // 双检查
            if(_inst == nullptr){
                // 加锁
                LockGuard lock(&_mtx);
                if(_inst == nullptr){
                    // 创建对象
                    _inst = new ThreadPool<T>();
                    // 初始化及启动服务
                    _inst->init();
                    _inst->start();
                }
            }

            return _inst;
        }

    public:
        void init(){
            // 创建一批线程
            for(int i = 0; i < _num; i++)
                _threads.push_back(Thread(i, threadRoutine, this));
        }

        void start(){
            // 启动线程
            for(auto &t : _threads)
                t.run();
        }

        // 提供给线程的回调函数（已修改返回类型为 void）
        static void threadRoutine(void *args){
            // 避免等待线程，直接剥离
            pthread_detach(pthread_self());
            auto ptr = static_cast<ThreadPool<T>*>(args);
            while (true){
                // 从CP模型中获取任务
                T task = ptr->popTask();
                task(); // 回调函数
            }
        }


        // 装载任务
        void pushTask(const T& task){
            _blockqueue.Push(task);
        }
    
    protected:
        T popTask(){
            T task;
            _blockqueue.Pop(&task);
            return task;
        }

    private:
        std::vector<Thread> _threads;
        int _num; // 线程数量
        My_Queue::BlockingQueue<T> _blockqueue; // 阻塞队列
        // 创建静态单例对象指针及互斥锁
        static ThreadPool<T> *_inst;
        static pthread_mutex_t _mtx;
    };

    // 初始化指针
    template<class T>
    ThreadPool<T>* ThreadPool<T>::_inst = nullptr;

    // 初始化互斥锁
    template<class T>
    pthread_mutex_t ThreadPool<T>::_mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
}

3.2 `Thread.hpp` 封装实现的线程库头文件

#pragma once 

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<string>


//代表线程状态
enum class Status{
    NEW = 0,
    RUNNING ,
    EXIT
};

// 参数。返回值为void* 返回值的函数类型
typedef void (*func_t)(void*);

class Thread
{
private:
    pthread_t _tid; // 线程 ID
    std::string _name; // 线程名
    Status _status; // 线程状态
    func_t _func; // 线程回调函数
    void* _args; // 传递给回调函数的参数
public:
    Thread(int num=0,func_t func = nullptr,void *args = nullptr)
     :_tid(num)
     ,_func(func)
     ,_status(Status::NEW)
     ,_args(args)
    {
        char name[1024];
        snprintf(name,sizeof(name),"thread - %d",num);
        _name = name;
    }

    ~Thread(){}

    //获取线程名
    std::string getName() const{
        return _name;
    }

    // 获取状态
    Status getStatus() const{
        return _status;
    }

    // 回调方法
    static void* runHelper(void *args){
        Thread * myThis = static_cast<Thread*>(args);
        myThis->_func(myThis->_args);
        return nullptr;
    }

    //启动线程
    void run(){
        int ret = pthread_create(&_tid,nullptr,runHelper,this);
        if(0 != ret){
            std::cerr << "Thread create fail!"<<std::endl;
            exit(1);
        }
        _status = Status::RUNNING;
    }

    // 线程等待
    void join(){
        int ret = pthread_join(_tid,nullptr);
        if(0 != ret){
            if(0 != ret){
            std::cerr << "Thread join fail!"<<std::endl;
            exit(1);
           }
        }
         _status = Status::EXIT;
    }

};

3.3 `BlockingQueue.hpp` 生产者消费者模型头文件

#pragma once

#include <queue>
#include <mutex>
#include <pthread.h>
#include "LockGuard.hpp"

namespace My_Queue{
    
 const int DEF_SIZE = 10;
    
    template<class T>
    class BlockingQueue
    {
    private:
       // 任务队列
        std::queue<T> _queue;
        size_t _cap; // 阻塞队列的容量
        pthread_mutex_t _mtx; // 互斥锁
        pthread_cond_t _pro_cond; // 生产者条件变量
        pthread_cond_t _con_cond; // 消费者条件变量
    public:
        BlockingQueue(size_t cap = DEF_SIZE)
          :_cap(cap)
        {
            // 初始化锁与条件变量
            pthread_mutex_init(&_mtx,nullptr);
            pthread_cond_init(&_pro_cond,nullptr);
            pthread_cond_init(&_con_cond,nullptr);
        }

        ~BlockingQueue(){
            //销毁锁与条件变量
            pthread_mutex_destroy(&_mtx);
            pthread_cond_destroy(&_pro_cond);
            pthread_cond_destroy(&_con_cond);
        }

      // 生产数据（入队）
        void Push(const T& inData){
            // 加锁（RAII风格）
            LockGuard lock(&_mtx);
            // 循环判断条件是否满足
            while(IsFull()){
                pthread_cond_wait(&_pro_cond, &_mtx);
            }
            _queue.push(inData);
            // 可以加策略唤醒，比如生产一半才唤醒消费者
            pthread_cond_signal(&_con_cond);
            // 自动解锁
        }

        // 消费数据（出队）
        void Pop(T* outData){
            // 加锁（RAII 风格）
            LockGuard lock(&_mtx);
            // 循环判读条件是否满足
            while(IsEmpty()) {
                pthread_cond_wait(&_con_cond, &_mtx);
            }
            *outData = _queue.front();
            _queue.pop();
            // 可以加策略唤醒，比如消费完后才唤醒生产者
            pthread_cond_signal(&_pro_cond);
            // 自动解锁
        }
        private:
        
        //判断是否为满
        bool IsFull(){
            return _queue.size() == _cap;
        }
        //判断是否为空
        bool IsEmpty(){
            return _queue.empty();
        }
    };

}

3.4 `LockGuard.hpp` 自动化锁头文件

#pragma once

#include<pthread.h>

class LockGuard
{
private:
    pthread_mutex_t* _pmtx;
public:
    LockGuard(pthread_mutex_t *pmtx)
    :_pmtx(pmtx)
    {
       //加锁
       pthread_mutex_lock(_pmtx);
    }
    ~LockGuard(){
        //解锁
        pthread_mutex_unlock(_pmtx);
    }
};

3.5 `Task.hpp` 任务类

现在需要修改 Task.hpp 任务头文件中的 Task 任务类，将其修改为一个服务于 网络通信中业务处理 的任务类（也就是 Service() 业务处理函数）

在 Service() 业务处理函数中，需要包含 socket 套接字、客户端 IP、客户端端口号 等必备信息，除此之外，我们还可以将 可调用对象（Service() 业务处理函数） 作为参数传递给 Task 对象.

#pragma once

#include <string>
#include <functional>

namespace My_task{

    // Service() 业务处理函数的类型
    using cb_t = std::function<void(int, std::string, uint16_t)>;

    class Task{
    public:
        // 可以再提供一个默认构造（防止部分场景中构建对象失败）
        Task()
        {}

        Task(int sock, const std::string& ip, const uint16_t& port, const cb_t& cb)
            :_sock(sock)
            ,_ip(ip)
            ,_port(port)
            ,_cb(cb)
        {}

        // 重载运算操作，用于回调 [业务处理函数]
        void operator()(){
            // 直接回调 cb [业务处理函数] 即可
            _cb(_sock, _ip, _port);
        }

    private:
        int _sock;
        std::string _ip;
        uint16_t _port;
        cb_t _cb; // 回调函数
    };
}

3.6 server.hpp 头文件

准备工作完成后，接下来就是往 server.hpp 服务器头文件中添加组件了

注意：

在构建 Task 对象时，需要使用 bind 绑定类内函数，避免参数不匹配

当前的线程池是单例模式，在 Task 任务对象构建后，通过线程池操作句柄 push 对象即可

// server.hpp

#pragma once

#include<iostream>
#include<string>
#include<functional>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include"err.hpp"
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<cerrno>
#include"ThreadPool.hpp"
#include"Task.hpp"

namespace My_server{

    // 默认端口号
    const uint16_t default_port = 1111;
    //全连接队列的最大长度
    const int backlog = 32;
    using func_t = std::function<std::string(std::string)>;
    
    //前置声明
    class server;
    //包含我们所需参数的类型
    class ThreadData{
      public:
         ThreadData(int sock,const std::string&ip,const uint16_t&port,server*ptr)
          :_sock(sock)
          ,_clientip(ip)
          ,_clientport(port)
          ,_current(ptr)
         {}
      public:
        int _sock;
        std::string _clientip;
        uint16_t _clientport;
        server* _current;
    };

    class server
    {
    private:
        /* data */
        //套接字
        int _listensock;
        //端口号
        uint16_t _port;
        // 判断服务器是否结束运行
        bool _quit;
        // 外部传入的回调函数
        func_t _func;
    public:

        server(const func_t &func,const uint16_t &port = default_port)
         :_func(func)
         ,_port(port)
         ,_quit(false)
        {}

        ~server(){}

        //初始化服务器
        void InitServer(){
            //1 创建套接字
            _listensock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
            if(_listensock == -1){
                //绑定失败
                std::cerr<<"Create Socket Fail:"<<strerror(errno)<<std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            std::cout<<"Create Socket Success!" <<_listensock<<std::endl;

            //2 绑定端口号和IP地址
            struct sockaddr_in local;
            bzero(&local,sizeof(local));
            
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_port = htons(_port);
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

            if(bind(_listensock,(const sockaddr*)&local,sizeof(local))){
                std::cerr << "Bind IP&&Port Fali" << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }

            //3 开始监听
            if(listen(_listensock,backlog)== -1){
                std::cerr<<"Listen Fail: "<< strerror(errno) << std::endl;
                //新增一个报错
                exit(LISTEN_ERR);
            }
             std::cout<<"Listen Success!"<<std::endl;
        }
        //启动服务器
        void StartServer(){

            while(!_quit){
                //1 处理连接请求
                struct sockaddr_in client;
                socklen_t len = sizeof(client);
                int sock = accept(_listensock,(struct sockaddr*)&client,&len);

                //2 如果连接失败 继续尝试连接
                if(sock == -1){
                    std::cerr<< "Accept Fail!:"<<strerror(errno)<<std::endl;
                    continue;
                }

                // 连接成功，获取客户端信息
                std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);

                std::cout<<"Server accept"<< clientip + "-"<< clientport <<sock<<" from "<<_listensock << "success!"<<std::endl;

                 // 3.构建任务对象 注意：使用 bind 绑定 this 指针
                My_task::Task t(sock, clientip, clientport, std::bind(&server::Service, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));

                // 4.通过线程池操作句柄，将任务对象 push 进线程池中处理
               //s
               //std::cout<<std::endl<<"push Task"<<std::endl;
                My_pool::ThreadPool<My_task::Task>::getInstance()->pushTask(t);
            }
        }

    
        void Service(int sock,const std::string &clientip,const uint16_t &clientport){

            char buff[1024];
            std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport);
            while(true){
                // 以字符串格式读取，预留\0的位置
                ssize_t n = read(sock,buff,sizeof(buff)-1);
                if(n>0){
                    //读取成功
                    buff[n]='\0';
                    std::cout<<"Server get: "<< buff <<" from "<<who<<std::endl;
                    //实际处理可以交给上层逻辑指定
                    std::string respond = _func(buff);
                    write(sock,buff,strlen(buff));
                }
                else if(n==0){
                  //表示当前读到了文件末尾，结束读取
                 std::cout<<"Client "<<who<<" "<<sock<<" quit!"<<std::endl;
                 close(sock);
                 break;
               }
                else{
                  // 读取出问题（暂时）
                  std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                  close(sock); // 关闭文件描述符
                   break;
               }    
            }
        }
    };
    
}

接下来编译并运行程序，当服务器启动后（此时无客户端连接），只有一个线程，这是因为我们当前的 线程池 是基于 懒汉模式 实现的，只有当第一次使用时，才会创建线程.

接下来启动客户端，可以看到确实创建了一批次线程（十个）

看似程序已经很完善了，其实隐含着一个大问题：当前线程池中的线程，本质上是在回调一个 while(true) 死循环函数，当连接的客户端大于线程池中的最大线程数时，会导致所有线程始终处于满负载状态，直接影响就是连接成功后，无法再创建通信会话（倘若客户端不断开连接，线程池中的线程就无力处理其他客户端的会话）

说白了就是 线程池 比较适合用于处理短任务，对于当前的场景来说，线程池 不适合建立持久通信会话，应该将其用于处理 read 读取、write 写入 任务.

如果想解决这个问题，有两个方向：Service() 函数中支持一次 [收 / 发]，或者多线程+线程池，多线程用于构建通信会话，线程池则用于处理 [收 / 发] 任务

前者实现起来比较简单，无非就是把 Service() 业务处理函数中的 while(true) 循环去掉

Service() 业务处理函数


        void Service(int sock,const std::string &clientip,const uint16_t &clientport){

            char buff[1024];
            std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport);
           
                // 以字符串格式读取，预留\0的位置
                ssize_t n = read(sock,buff,sizeof(buff)-1);
                if(n>0){
                    //读取成功
                    buff[n]='\0';
                    std::cout<<"Server get: "<< buff <<" from "<<who<<std::endl;
                    //实际处理可以交给上层逻辑指定
                    std::string respond = _func(buff);
                    write(sock,buff,strlen(buff));
                }
                else if(n==0){
                  //表示当前读到了文件末尾，结束读取
                 std::cout<<"Client "<<who<<" "<<sock<<" quit!"<<std::endl;
                 close(sock);
               }
                else{
                  // 读取出问题（暂时）
                  std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl;
                  close(sock); // 关闭文件描述符
               }    
            
        }

至于后者就比较麻烦了，需要结合 高级IO 相关知识，这里不再阐述

网络程序 -- TCP版服务器

一多进程版TCP服务器

1.1 核心功能

1.2 创建子进程

1.3 设置非阻塞状态

二多线程版服务器

2.1 核心功能

2.2 使用原生线程库

三线程池版服务器

3.1 ThreadPool.hpp 线程池头文件

3.2 `Thread.hpp` 封装实现的线程库头文件

3.3 `BlockingQueue.hpp` 生产者消费者模型头文件

3.4 `LockGuard.hpp` 自动化锁头文件

3.5 `Task.hpp` 任务类

3.6 server.hpp 头文件

网站公告

今日签到

热门文章

最新发布

网络程序 -- TCP版服务器

一 多进程版TCP服务器

1.1 核心功能

1.2 创建子进程

1.3 设置非阻塞状态

二 多线程版服务器

2.1 核心功能

2.2 使用原生线程库

三 线程池版服务器

3.1 ThreadPool.hpp 线程池头文件

3.2 Thread.hpp 封装实现的线程库头文件

3.3 BlockingQueue.hpp 生产者消费者模型头文件

3.4 LockGuard.hpp 自动化锁头文件

3.5 Task.hpp 任务类

3.6 server.hpp 头文件

网站公告

今日签到

热门文章

最新发布

一多进程版TCP服务器

二多线程版服务器

三线程池版服务器

3.2 `Thread.hpp` 封装实现的线程库头文件

3.3 `BlockingQueue.hpp` 生产者消费者模型头文件

3.4 `LockGuard.hpp` 自动化锁头文件

3.5 `Task.hpp` 任务类