网络编程套接字(3): 简单的TCP网络程序

网络编程套接字(3)

4. 简单的TCP网络程序

4.1 服务端创建

(1) 创建套接字

还是之前udp部分的socket函数，这里只是简单说明一下与udp的差异

int socket(int domain, int type, int protocol);

只需将第二个参数type换成：
SOCK_STREAM: 基于TCP的网络通信，流式套接字，提供的是流式服务(对应TCP的特点：面向字节流)

(2) 绑定端口

还是和之前一样的接口

(3) 监听

UDP服务器的初始化操作只有2步，第一步：创建套接字，第二步：是绑定。但是TCP服务器是面向连接的，客户端在正式向TCP服务器发送数据之前，需要先与TCP服务器建立连接，然后才能与服务器进行通信。

因此TCP服务器需要时刻注意是否有客户端发来连接请求，此时就需要将TCP服务器创建的套接字设置为监听状态

listen for connections on a socket: 监听套接字上的连接

头文件:#include <sys/types.h>         #include <sys/socket.h>函数原型:int listen(int sockfd, int backlog);参数说明:第一个参数sockfd:  需要设置为监听状态的套接字对应的文件描述符第二个参数backlog: 这里当成一个整数,后续详细解释返回值:监听成功: 返回0监听失败: 失败返回-1，并设置错误码

(4) 获取新连接

客户端有新链接到来，服务端可以获取到新链接，这一步需要死循环获取客户端新链接。

accept a connection on a socket: 接收套接字上的连接

头文件:#include <sys/types.h>         #include <sys/socket.h>函数原型:int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);参数说明:第一个参数sockfd:  监听套接字第二个参数addr:    获取对方一端网络相关的属性信息第三个参数addrlen: addr的长度返回值:连接成功: 返回接收到的套接字的文件描述符连接失败: 失败返回-1，并设置错误码

关于accept的返回值: 也是一个文件描述符

为什么又返回一个新的文件描述符？？返回的这个新的文件描述符跟旧的文件描述符_sockfd有什么关系？

感性理解:

对比listen监听套接字与accept函数返回的套接字

• listen监听套接字：用于获取客户端发来的连接请求。accept函数会不断从监听套接字当中获取新连接
• accept函数返回的套接字：用于为本次accept获取到的连接提供服务。
• 而listen监听套接字的任务只是不断获取新连接，而真正为这些连接提供服务的套接字是accept函数返回的套接字，而不是监听套接字。

(5) 处理读取与写入

因为TC 提供的是流式服务，所以这里利用read和write来实现读取与写入

4.2 客户端创建

4步：创建套接字，客户端向服务器发起连接请求，bind(不需要自己绑定，由OS自动分配)，处理数据读取与写入

(1)连接服务器

initiate a connection on a socket: 在套接字上发起连接

头文件:#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>函数原型:int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);参数说明:第一个参数sockfd: 表示通过该套接字发起连接请求第二个参数addr: 对方一端网络相关的属性信息第三个参数addrlen: addr的长度返回值：连接成功: 返回0连接失败: 失败返回-1，并设置错误码

4.3 代码编写

这里一共提供4个版本的tcp代码

err.hpp：这个代码是公用的后续不在给出

#pragma onceenum
{USAGE_ERR=1,SOCKET_ERR,BIND_ERR,LISTEN_ERR,CONNECT_ERR,
};

(1) v1__简单发送消息

客户端向服务端发送消息，服务端收到后再把消息发回给客户端

tcpServer.hpp

#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<memory>
#include<functional>
#include"err.hpp"
using namespace std;// 问题: 目前的服务器, 无法处理多个client的问题, 为什么?
// 单进程服务, 当服务端向客户端提供业务处理服务时, 没有办法accet, 不能处理连接namespace ns_server
{static const uint16_t defaultport=8081;static int backlog=32;using func_t=function<string(const string&)>;   // 回调函数,一种处理逻辑class TcpServer{public:TcpServer(func_t func, uint16_t port=defaultport):func_(func),port_(port),quit_(true){}void InitServer(){// 1. 创建socket文件listensock_=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(listensock_<0){cerr<<"create socket error"<<endl;exit(SOCKET_ERR);}// 2. bindstruct sockaddr_in local;memset(&local,0,sizeof(local));local.sin_port=htons(port_);local.sin_family=AF_INET;local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;int n=bind(listensock_,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));if(n<0){cerr<<"bind socket error"<<endl;exit(BIND_ERR);}// 3. 监听int m=listen(listensock_,backlog);if(m<0){cerr<<"listen socket error"<<endl;exit(LISTEN_ERR);}}void Start(){quit_=false;while(!quit_){struct sockaddr_in client;socklen_t len=sizeof(client);// 4. 获取连接, acceptint sock=accept(listensock_,(struct sockaddr*)&client,&len);if (sock < 0)   // accept失败并不会终止进程, 只要获取下一个连接{cerr << "accept error" << endl;continue;}// 提取client信息   --- debugstring clientip=inet_ntoa(client.sin_addr); // 把4字节对应的IP转化成字符串风格uint16_t clientport=ntohs(client.sin_port);  // 网络序列转主机序列// 5. 获取新连接成功后, 开始进行业务处理cout<<"获取新连接成功: "<<sock<<" from "<<listensock_<<", "<< clientip << "-				   " <<clientport<<endl;// v1service(sock,clientip,clientport);}}// 流式 - 利用read和writevoid service(int sock, const string&clientip,const uint16_t clientport){string who=clientip + "-" + to_string(clientport);char buffer[1024];while(true){ssize_t s=read(sock,buffer,sizeof(buffer)-1);if(s>0){buffer[s]=0;string res=func_(buffer);     // 进行回调cout<<who<< ">>> " <<res<<endl;// 把收到的消息返回(写给客户端)write(sock,res.c_str(),res.size());}else if(s==0){// 对方将连接关闭了close(sock);cout<< who <<" quit, me too"<<endl;break;}else{close(sock);cerr<<"read error: "<<strerror(errno)<<endl;break;}}}~TcpServer(){}private:uint16_t port_;int listensock_;bool quit_;      // 标志服务器是否运行字段func_t func_;};
}

tcpServer.cc

#include"tcpServer.hpp"
using namespace ns_server;// ./tcp_server port// 使用手册
static void usage(string proc)
{cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" port\n"<<endl;
}string echo(const string&message)
{return message;
}int main(int argc,char*argv[])
{if(argc!=2){usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}uint16_t port=atoi(argv[1]);unique_ptr<TcpServer> tsvr(new TcpServer(echo,port));tsvr->InitServer();tsvr->Start();return 0;
}

tcpClient.cc

#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<memory>
#include<functional>
#include"err.hpp"
using namespace std;static void usage(string proc)
{cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n" <<endl;
}// ./tcp_client serverip serverport
int main(int argc,char*argv[])
{// 准备工作if(argc!=3){usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}string serverip=argv[1];uint16_t serverport=atoi(argv[2]);// 1.创建套接字int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (sock < 0){cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << endl;exit(SOCKET_ERR);}// (2) 客户端要不要bind呢? 要//     要不要自己bind呢? 不要, 因为client要让OS自动给用户进行bind// (3) 要不要listen?不要, 客户端连别人, 永远都是别人listen; 要不要accept?不要, 服务器来连接// 2. connect  客户端向服务器发起连接请求struct sockaddr_in server;memset(&server,0,sizeof(server));server.sin_port=htons(serverport);server.sin_family=AF_INET;// server.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;   绝对不是inet_aton(serverip.c_str(),&(server.sin_addr));    // 字符串风格ip转成点分十进制int cnt=5;while(connect(sock,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))!=0)   // 连接失败{sleep(1);cout<<"正在给你重连, 重连次数还有: "<<cnt--<<endl;if(cnt<=0)break;}if(cnt<=0){cerr<<"连接失败"<<endl;exit(CONNECT_ERR);}char buffer[1024];// 3. 连接成功while(true){string line;cout<<"Enter>> ";getline(cin,line);write(sock,line.c_str(),line.size());ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);if (s > 0){buffer[s] = 0;cout<<"server echo >>>"<<buffer<<endl;}else if (s == 0){cerr << "server quit" << endl;break;}else{cerr << "read error: " << strerror(errno) << endl;break;}}close(sock);return 0;
}

运行结果:

(2) v2_多进程版本

v2版本是把单执行流服务器改成多进程版的服务器

• 在accept获取新连接成功后，fork创建创建子进程，此时子进程对外提供服务, 父进程只进行accept

• 父进程的文件描述符会被子进程继承，但并不是父子共用同一张文件描述符表，因为子进程会拷贝继承父进程的文件描述符表

• 对于套接字文件也是相同的，父进程创建的子进程也会继承父进程的套接字文件，此时子进程就能够对特定的套接字文件进行读写操作，进而完成对对应客户端的服务

关于阻塞等待与非阻塞等待

• 若采用阻塞式等待，那么服务端还是需要等待服务完当前客户端，才能继续获取下一个连接请求，此时服务端仍然是以一种串行的方式为客户端提供服务
• 若采用非阻塞式等待，虽然在子进程为客户端提供服务期间服务端可以继续获取新连接，但此时服务端就需要将所有子进程的PID保存下来，并且需要不断花费时间检测子进程是否退出
• 由此可见两种都有缺陷，所以我们可以考虑让服务端不等待子进程退出

常见的方式有两种：

1. 捕捉SIGCHLD信号，将其处理动作设置为忽略。
2. 让父进程创建子进程，子进程再创建孙子进程，子进程退出，让孙子进程为客户端提供服务，孙进程的回收工作由OS来承担

下面是创建孙进程的方案：

tcpServer.hpp

#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<memory>
#include<functional>
#include<sys/wait.h>
#include"err.hpp"
using namespace std;namespace ns_server
{static const uint16_t defaultport=8081;static int backlog=32;using func_t=function<string(const string&)>;   // 回调函数,一种处理逻辑class TcpServer{public:TcpServer(func_t func, uint16_t port=defaultport):func_(func),port_(port),quit_(true){}void InitServer(){// 1. 创建socket文件listensock_=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(listensock_<0){cerr<<"create socket error"<<endl;exit(SOCKET_ERR);}// 2. bindstruct sockaddr_in local;memset(&local,0,sizeof(local));local.sin_port=htons(port_);local.sin_family=AF_INET;local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;int n=bind(listensock_,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));if(n<0){cerr<<"bind socket error"<<endl;exit(BIND_ERR);}// 3. 监听int m=listen(listensock_,backlog);if(m<0){cerr<<"listen socket error"<<endl;exit(LISTEN_ERR);}}void Start(){// signal(SIGCHLD,SIG_IGN);  // ok, 最推荐// signal(SIGCHLD,handler);  // 回收子进程, 不太推荐quit_=false;while(!quit_){struct sockaddr_in client;socklen_t len=sizeof(client);// 4. 获取连接, acceptint sock=accept(listensock_,(struct sockaddr*)&client,&len);if (sock < 0)   // accept失败并不会终止进程, 只要获取下一个连接{cerr << "accept error" << endl;continue;}// 提取client信息   --- debugstring clientip=inet_ntoa(client.sin_addr); // 把4字节对应的IP转化成字符串风格uint16_t clientport=ntohs(client.sin_port);  // 网络序列转主机序列// 5. 获取新连接成功后, 开始进行业务处理cout<<"获取新连接成功: "<<sock<<" from "<<listensock_<<", "<< clientip << "-                 " <<clientport<<endl;// v2: 多进程版本// 子进程对外提供服务, 父进程只进行acceptpid_t id=fork();if(id<0){close(sock);continue;}else if(id==0) // child, 父进程的fd会被子进程继承吗? 会; 父子会用同一张文件描述符表吗?不会, 子进程会拷贝继承父进程的fd table{// 建议关闭掉不需要的fdclose(listensock_);if(fork()>0) exit(0);   // 就这一行代码// 子进程已经退了(则下面的wait立马返回, 回收子进程资源), 孙子进程在运行(无父进程, 变成孤儿进程, 被系统领养),提供服务// 孙子进程的回收工作由系统来承担service(sock,clientip,clientport);exit(0);}// 父进程, 一定要关闭不需要的fd(否则会导致父进程的文件描述符变少, 即父进程文件描述符资源的浪费[文件描述符泄露])close(sock);// 不等待子进程, 会导致子进程僵尸之后无法回收, 近而导致内存泄漏pid_t ret=waitpid(id,nullptr,0);    // 父进程默认是阻塞的, waitpid(id,nullptr,WNOHANG);不推荐if(ret==id)cout<< "wait child "<<id<< " success" <<endl;}}// 流式 - 利用read和writevoid service(int sock, const string&clientip,const uint16_t clientport){string who=clientip + "-" + to_string(clientport);char buffer[1024];while(true){ssize_t s=read(sock,buffer,sizeof(buffer)-1);if(s>0){buffer[s]=0;string res=func_(buffer);     // 进行回调cout<<who<< ">>> " <<res<<endl;// 把收到的消息返回(写给客户端)write(sock,res.c_str(),res.size());}else if(s==0){// 对方将连接关闭了close(sock);cout<< who <<" quit, me too"<<endl;break;}else{close(sock);cerr<<"read error: "<<strerror(errno)<<endl;break;}}}~TcpServer(){}private:uint16_t port_;int listensock_;bool quit_;      // 标志服务器是否运行字段func_t func_;};
}

tcpServer.cc

#include"tcpServer.hpp"
using namespace ns_server;// ./tcp_server port// 使用手册
static void usage(string proc)
{cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" port\n"<<endl;
}string echo(const string&message)
{return message;
}int main(int argc,char*argv[])
{if(argc!=2){usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}uint16_t port=atoi(argv[1]);unique_ptr<TcpServer> tsvr(new TcpServer(echo,port));tsvr->InitServer();tsvr->Start();return 0;
}

tcpClient.cc

#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<memory>
#include<functional>
#include"err.hpp"
using namespace std;static void usage(string proc)
{cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n" <<endl;
}// ./tcp_client serverip serverport
int main(int argc,char*argv[])
{// 准备工作if(argc!=3){usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}string serverip=argv[1];uint16_t serverport=atoi(argv[2]);// 1.创建套接字int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (sock < 0){cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << endl;exit(SOCKET_ERR);}// (2) 客户端要不要bind呢? 要//     要不要自己bind呢? 不要, 因为client要让OS自动给用户进行bind// (3) 要不要listen?不要, 客户端连别人, 永远都是别人listen; 要不要accept?不要, 服务器来连接// 2. connect  客户端向服务器发起连接请求struct sockaddr_in server;memset(&server,0,sizeof(server));server.sin_port=htons(serverport);server.sin_family=AF_INET;// server.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;   绝对不是inet_aton(serverip.c_str(),&(server.sin_addr));    // 字符串风格ip转成点分十进制int cnt=5;while(connect(sock,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))!=0)   // 连接失败{sleep(1);cout<<"正在给你重连, 重连次数还有: "<<cnt--<<endl;if(cnt<=0)break;}if(cnt<=0){cerr<<"连接失败"<<endl;exit(CONNECT_ERR);}char buffer[1024];// 3. 连接成功while(true){string line;cout<<"Enter>> ";getline(cin,line);write(sock,line.c_str(),line.size());ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);if (s > 0){buffer[s] = 0;cout<<"server echo >>>"<<buffer<<endl;}else if (s == 0){cerr << "server quit" << endl;break;}else{cerr << "read error: " << strerror(errno) << endl;break;}}close(sock);return 0;
}

运行结果:

(3) v3_多线程版本

频繁的创建进程会给OS带来巨大的负担，并且创建线程的成本比创建线程高得多。因此在实现多执行流的服务器时最好采用多线程进行实现。

主线程创建出新线程后，也是需要等待新线程退出的，否则也会造成类似于僵尸进程这样的问题。但对于线程来说，如果不想让主线程等待新线程退出，直接线程分离即可，当这个线程退出时系统会自动回收该线程所对应的资源。

各个线程共享是同一张文件描述符表，也就是说服务进程（主线程）调用accept函数获取到一个文件描述符后，其他创建的新线程是能够直接访问这个文件描述符的。

所以不能关闭不要的套接字文件描述符，该文件描述符的关闭操作应该又新线程来执行。因为是新线程为客户端提供服务的，只有当新线程为客户端提供的服务结束后才能将该文件描述符关闭。

tcpServer.hpp

#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<memory>
#include<functional>
#include<sys/wait.h>
#include<pthread.h>
#include"err.hpp"
using namespace std;namespace ns_server
{static const uint16_t defaultport=8081;static int backlog=32;using func_t=function<string(const string&)>;   // 回调函数,一种处理逻辑class TcpServer;class ThreadData{public:ThreadData(int fd, const string&ip,const uint16_t&port,TcpServer*ts):sock(fd),clientip(ip),clientport(port),current(ts){}public:int sock;string clientip;uint16_t clientport;TcpServer*current;};class TcpServer{public:TcpServer(func_t func, uint16_t port=defaultport):func_(func),port_(port),quit_(true){}void InitServer(){// 1. 创建socket文件listensock_=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(listensock_<0){cerr<<"create socket error"<<endl;exit(SOCKET_ERR);}// 2. bindstruct sockaddr_in local;memset(&local,0,sizeof(local));local.sin_port=htons(port_);local.sin_family=AF_INET;local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;int n=bind(listensock_,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));if(n<0){cerr<<"bind socket error"<<endl;exit(BIND_ERR);}// 3. 监听int m=listen(listensock_,backlog);if(m<0){cerr<<"listen socket error"<<endl;exit(LISTEN_ERR);}}void Start(){// signal(SIGCHLD,SIG_IGN);  // ok, 最推荐// signal(SIGCHLD,handler);  // 回收子进程, 不太推荐quit_=false;while(!quit_){struct sockaddr_in client;socklen_t len=sizeof(client);// 4. 获取连接, acceptint sock=accept(listensock_,(struct sockaddr*)&client,&len);if (sock < 0)   // accept失败并不会终止进程, 只要获取下一个连接{cerr << "accept error" << endl;continue;}// 提取client信息   --- debugstring clientip=inet_ntoa(client.sin_addr); // 把4字节对应的IP转化成字符串风格uint16_t clientport=ntohs(client.sin_port);  // 网络序列转主机序列// 5. 获取新连接成功后, 开始进行业务处理cout<<"获取新连接成功: "<<sock<<" from "<<listensock_<<", "<< clientip << "-                " <<clientport<<endl;// v3: 多线程版本 --- 原生多线程// 1. 要不要关闭不要的socket?  绝对不能,一个进程的文件描述符表共享, 关了影响其他线程// 2. 要不要回收线程?要;如何回收?会不会阻塞pthread_t tid;ThreadData*td=new ThreadData(sock,clientip,clientport,this);    // 要开出一块独立的空间pthread_create(&tid,nullptr,threadRoutine,td);}}static void*threadRoutine(void*args){pthread_detach(pthread_self());ThreadData*td=static_cast<ThreadData*>(args);td->current->service(td->sock,td->clientip,td->clientport);delete td;}// 流式 - 利用read和writevoid service(int sock, const string&clientip,const uint16_t clientport){string who=clientip + "-" + to_string(clientport);char buffer[1024];while(true){ssize_t s=read(sock,buffer,sizeof(buffer)-1);if(s>0){buffer[s]=0;string res=func_(buffer);     // 进行回调cout<<who<< ">>> " <<res<<endl;// 把收到的消息返回(写给客户端)write(sock,res.c_str(),res.size());}else if(s==0){// 对方将连接关闭了close(sock);cout<< who <<" quit, me too"<<endl;break;}else{close(sock);cerr<<"read error: "<<strerror(errno)<<endl;break;}}}~TcpServer(){}private:uint16_t port_;int listensock_;bool quit_;      // 标志服务器是否运行字段func_t func_;};
}

tcpServer.cc

#include"tcpServer.hpp"
using namespace ns_server;// ./tcp_server port// 使用手册
static void usage(string proc)
{cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" port\n"<<endl;
}string echo(const string&message)
{return message;
}int main(int argc,char*argv[])
{if(argc!=2){usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}uint16_t port=atoi(argv[1]);unique_ptr<TcpServer> tsvr(new TcpServer(echo,port));tsvr->InitServer();tsvr->Start();return 0;
}

tcpClient.cc

#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<memory>
#include<functional>
#include"err.hpp"
using namespace std;static void usage(string proc)
{cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n" <<endl;
}// ./tcp_client serverip serverport
int main(int argc,char*argv[])
{// 准备工作if(argc!=3){usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}string serverip=argv[1];uint16_t serverport=atoi(argv[2]);// 1.创建套接字int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (sock < 0){cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << endl;exit(SOCKET_ERR);}// (2) 客户端要不要bind呢? 要//     要不要自己bind呢? 不要, 因为client要让OS自动给用户进行bind// (3) 要不要listen?不要, 客户端连别人, 永远都是别人listen; 要不要accept?不要, 服务器来连接// 2. connect  客户端向服务器发起连接请求struct sockaddr_in server;memset(&server,0,sizeof(server));server.sin_port=htons(serverport);server.sin_family=AF_INET;// server.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;   绝对不是inet_aton(serverip.c_str(),&(server.sin_addr));    // 字符串风格ip转成点分十进制int cnt=5;while(connect(sock,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))!=0)   // 连接失败{sleep(1);cout<<"正在给你重连, 重连次数还有: "<<cnt--<<endl;if(cnt<=0)break;}if(cnt<=0){cerr<<"连接失败"<<endl;exit(CONNECT_ERR);}char buffer[1024];// 3. 连接成功while(true){string line;cout<<"Enter>> ";getline(cin,line);write(sock,line.c_str(),line.size());ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);if (s > 0){buffer[s] = 0;cout<<"server echo >>>"<<buffer<<endl;}else if (s == 0){cerr << "server quit" << endl;break;}else{cerr << "read error: " << strerror(errno) << endl;break;}}close(sock);return 0;
}

运行结果:

(4) v4_线程池版本

多线程版的问题：

• 每当有新连接到来时，服务端的主线程都会为该客户端创建提供服务的新线程，当服务结束时就会将新线程销毁，这样做既麻烦又效率低下，每当有新连接到来才开始创建提供服务的新线程
• 若有大量的客户端请求，此时服务端要为每一个客户端创建对应的服务线程。计算机中的线程越多，CPU的压力越大

线程池

• 在服务端预先创建一批线程，当有客户端请求连接时就让这些线程为客户端提供服务，此时客户端一来就有线程为其提供服务，而不是当客户端来了才创建对应的服务线程(减少了频繁创建线程的开销)
• 当某个线程为客户端提供完服务后，不要让该线程退出，而是让该线程继续为下一个客户端提供服务，如果当前没有客户端连接请求，则可以让该线程先进入休眠状态，当有客户端连接到来时再将该线程唤醒。
• 服务端创建的这一批线程的数量不能太多，此时CPU的压力也就不会太大

task.hpp

#pragma once
#include<iostream>
#include<string>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<functional>
using namespace std;using cb_t=function<void(int sock, const string&,const uint16_t&)>;class Task
{
public:Task(){}Task(int sock, const string& ip,const uint16_t&port,cb_t cb):_sock(sock),_ip(ip),_port(port),_cb(cb){}void operator()(){_cb(_sock,_ip,_port);}~Task(){}private:int _sock;string _ip;uint16_t _port;cb_t _cb;
};

LockGuard.hpp

#include<iostream>
#include<pthread.h>
using namespace std;class Mutex   //自己不维护锁,由外部传入
{
public:Mutex(pthread_mutex_t* mutex):_pmutex(mutex){}void lock(){pthread_mutex_lock(_pmutex);}void unlock(){pthread_mutex_unlock(_pmutex);}~Mutex(){}private:pthread_mutex_t* _pmutex;   //锁的指针
};class LockGuard  //自己不维护锁,由外部传入
{
public:LockGuard(pthread_mutex_t* mutex):_mutex(mutex){_mutex.lock();}~LockGuard(){_mutex.unlock();}private:Mutex _mutex;   //锁的指针
};

thread.hpp

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;class Thread
{
public:typedef enum{NEW=0,RUNNING,EXITED}ThreadStatus;typedef void (*func_t)(void*);      //函数指针, 参数是void*Thread(int num, func_t func, void*args):_tid(0),_status(NEW),_func(func),_args(args){char name[128];snprintf(name,sizeof(name),"thread-%d",num);_name=name;}int status() {return _status;}string threadname() {return _name;}pthread_t thread_id(){if(_status==RUNNING)return _tid;elsereturn 0;}// runHelper是不是类的成员函数, 而类的成员函数, 具有默认参数this, 需要static// void*runHelper(Thread*this, void*args) , 而pthread_create要求传的参数必须是: void*的, 即参数不匹配// 但是static会有新的问题: static成员函数, 无法直接访问类属性和其他成员函数static void*runHelper(void*args){Thread*ts=(Thread*)args;   //就拿到了当前对象// _func(_args);(*ts)();}//仿函数void operator()(){_func(_args);}void run(){int n=pthread_create(&_tid,nullptr,runHelper,this);  //this: 是当前线程对象Threadif(n!=0) exit(-1);_status=RUNNING;}void join(){int n=pthread_join(_tid,nullptr);if(n!=0){cerr<<" main thread join thread "<< _name << " error "<<endl;}_status=EXITED;}~Thread(){}private:pthread_t _tid;string _name;func_t _func;  //线程未来要执行的回调void*_args;     //调用回调函数时的参数ThreadStatus _status;
};

threadPool_v4.hpp

#include<iostream>
#include<memory>
#include<vector>
#include<queue>
#include<unistd.h>
#include"thread.hpp"
#include"lockGuard.hpp"
using namespace std;const static int N=5;template<class T>
class threadPool
{
public:pthread_mutex_t* getlock(){return &_lock;}void threadWait(){pthread_cond_wait(&_cond,&_lock);}void threadWakeup(){pthread_cond_signal(&_cond);  // 唤醒在条件变量下等待的线程}bool isEmpty(){return _tasks.empty();}T popTask(){T t=_tasks.front();_tasks.pop();return t;}static void threadRoutine(void*args)      {threadPool<T>*tp=static_cast<threadPool<T>*>(args);while(true){// 1. 检测有没有任务 --- 本质是看队列是否为空// --- 本质就是在访问共享资源  --- 必定加锁// 2. 有: 处理// 3. 无: 等待// 细节: 必定加锁T t;{LockGuard lockguard(tp->getlock());while (tp->isEmpty()){// 等待, 在条件变量下等待tp->threadWait();}t = tp->popTask(); // 把任务从公共区域拿到私有区域}// for test// 处理任务应不应该在临界区中处理, 不应该, 这是线程自己私有的事情t();   }}static threadPool<T> * getinstance(){if (instance == nullptr)  // 为什么要这样? 提高效率, 减少加锁的次数{LockGuard lockguard(&instance_lock);if (instance == nullptr){cout<<"线程池单例形成"<<endl;instance = new threadPool<T>();instance->init();instance->start();}}return instance;}void init(){for(int i=0;i<_num;++i){_threads.push_back(Thread(i,threadRoutine,this));cout<<i<<" thread running"<<endl;}}void check(){for(auto&t:_threads){cout<<t.threadname()<<" running..."<<endl;}}void start(){for(auto&t:_threads){t.run();}}void pushTask(const T&t){LockGuard lockguard(&_lock);_tasks.push(t);threadWakeup();}~threadPool(){for(auto&t:_threads){t.join();}pthread_mutex_destroy(&_lock);pthread_cond_destroy(&_cond);}private:threadPool(int num=N):_num(num){pthread_mutex_init(&_lock,nullptr);pthread_cond_init(&_cond,nullptr);}threadPool(const threadPool<T>&tp)=delete;void operator=(const threadPool<T>&tp)=delete;private:vector<Thread> _threads;   int _num;                     queue<T> _tasks;               pthread_mutex_t _lock;pthread_cond_t  _cond;static threadPool<T>*instance;static pthread_mutex_t instance_lock;
};template<class T>
threadPool<T> * threadPool<T>::instance=nullptr;template<class T>
pthread_mutex_t  threadPool<T>::instance_lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

tcpServer.hpp

#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<memory>
#include<functional>
#include<sys/wait.h>
#include<pthread.h>
#include"err.hpp"
#include"threadPool_v4.hpp"
#include"task.hpp"
using namespace std;namespace ns_server
{static const uint16_t defaultport=8081;static int backlog=32;using func_t=function<string(const string&)>;   // 回调函数,一种处理逻辑class TcpServer;class ThreadData{public:ThreadData(int fd, const string&ip,const uint16_t&port,TcpServer*ts):sock(fd),clientip(ip),clientport(port),current(ts){}public:int sock;string clientip;uint16_t clientport;TcpServer*current;};class TcpServer{public:TcpServer(func_t func, uint16_t port=defaultport):func_(func),port_(port),quit_(true){}void InitServer(){// 1. 创建socket文件listensock_=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(listensock_<0){cerr<<"create socket error"<<endl;exit(SOCKET_ERR);}// 2. bindstruct sockaddr_in local;memset(&local,0,sizeof(local));local.sin_port=htons(port_);local.sin_family=AF_INET;local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;int n=bind(listensock_,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));if(n<0){cerr<<"bind socket error"<<endl;exit(BIND_ERR);}// 3. 监听int m=listen(listensock_,backlog);if(m<0){cerr<<"listen socket error"<<endl;exit(LISTEN_ERR);}}void Start(){quit_=false;while(!quit_){struct sockaddr_in client;socklen_t len=sizeof(client);// 4. 获取连接, acceptint sock=accept(listensock_,(struct sockaddr*)&client,&len);if (sock < 0)   // accept失败并不会终止进程, 只要获取下一个连接{cerr << "accept error" << endl;continue;}// 提取client信息   --- debugstring clientip=inet_ntoa(client.sin_addr); // 把4字节对应的IP转化成字符串风格uint16_t clientport=ntohs(client.sin_port);  // 网络序列转主机序列// 5. 获取新连接成功后, 开始进行业务处理cout<<"获取新连接成功: "<<sock<<" from "<<listensock_<<", "<< clientip << "-                 " <<clientport<<endl;// v4: 线程池版本 //  一旦用户来了，你才创建线程, 线程池吗// 使用线程池的时候, 一定是有限的线程个数, 一定要处理短任务Task t(sock,clientip,clientport, bind(&TcpServer::service,                                      this,placeholders::_1,placeholders::_2,placeholders::_3));threadPool<Task>::getinstance()->pushTask(t);}}static void*threadRoutine(void*args){pthread_detach(pthread_self());ThreadData*td=static_cast<ThreadData*>(args);td->current->service(td->sock,td->clientip,td->clientport);delete td;}// 流式 - 利用read和writevoid service(int sock, const string&clientip,const uint16_t clientport){string who=clientip + "-" + to_string(clientport);char buffer[1024];ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (s > 0){buffer[s] = 0;string res = func_(buffer); // 进行回调cout << who << ">>> " << res << endl;// 把收到的消息返回(写给客户端)write(sock, res.c_str(), res.size());}else if (s == 0){cout << who << " quit, me too" << endl;}else{close(sock);cerr << "read error: " << strerror(errno) << endl;}close(sock);}~TcpServer(){}private:uint16_t port_;int listensock_;bool quit_;      // 标志服务器是否运行字段func_t func_;};
}

tcpServer.cc

#include"tcpServer.hpp"
using namespace ns_server;// ./tcp_server port// 使用手册
static void usage(string proc)
{cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" port\n"<<endl;
}string echo(const string&message)
{return message;
}int main(int argc,char*argv[])
{if(argc!=2){usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}uint16_t port=atoi(argv[1]);unique_ptr<TcpServer> tsvr(new TcpServer(echo,port));tsvr->InitServer();tsvr->Start();return 0;
}

tcpClient.cc

#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<memory>
#include<functional>
#include"err.hpp"
using namespace std;static void usage(string proc)
{cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n" <<endl;
}// ./tcp_client serverip serverport
int main(int argc,char*argv[])
{// 准备工作if(argc!=3){usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}string serverip=argv[1];uint16_t serverport=atoi(argv[2]);// 1.创建套接字int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (sock < 0){cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << endl;exit(SOCKET_ERR);}// (2) 客户端要不要bind呢? 要//     要不要自己bind呢? 不要, 因为client要让OS自动给用户进行bind// (3) 要不要listen?不要, 客户端连别人, 永远都是别人listen; 要不要accept?不要, 服务器来连接// 2. connect  客户端向服务器发起连接请求struct sockaddr_in server;memset(&server,0,sizeof(server));server.sin_port=htons(serverport);server.sin_family=AF_INET;// server.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;   绝对不是inet_aton(serverip.c_str(),&(server.sin_addr));    // 字符串风格ip转成点分十进制int cnt=5;while(connect(sock,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))!=0)   // 连接失败{sleep(1);cout<<"正在给你重连, 重连次数还有: "<<cnt--<<endl;if(cnt<=0)break;}if(cnt<=0){cerr<<"连接失败"<<endl;exit(CONNECT_ERR);}char buffer[1024];// 3. 连接成功while(true){string line;cout<<"Enter>> ";getline(cin,line);write(sock,line.c_str(),line.size());ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);if (s > 0){buffer[s] = 0;cout<<"server echo >>>"<<buffer<<endl;}else if (s == 0){cerr << "server quit" << endl;break;}else{cerr << "read error: " << strerror(errno) << endl;break;}}close(sock);return 0;
}

运行结果:

ip serverport\n" <<endl;
}

// ./tcp_client serverip serverport
int main(int argc,char*argv[])
{
// 准备工作
if(argc!=3)
{
usage(argv[0]);
exit(USAGE_ERR);
}

string serverip=argv[1];
uint16_t serverport=atoi(argv[2]);// 1.创建套接字
int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if (sock < 0)
{cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << endl;exit(SOCKET_ERR);
}// (2) 客户端要不要bind呢? 要
//     要不要自己bind呢? 不要, 因为client要让OS自动给用户进行bind
// (3) 要不要listen?不要, 客户端连别人, 永远都是别人listen; 要不要accept?不要, 服务器来连接// 2. connect  客户端向服务器发起连接请求
struct sockaddr_in server;
memset(&server,0,sizeof(server));
server.sin_port=htons(serverport);
server.sin_family=AF_INET;
// server.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;   绝对不是
inet_aton(serverip.c_str(),&(server.sin_addr));    // 字符串风格ip转成点分十进制int cnt=5;while(connect(sock,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))!=0)   // 连接失败
{sleep(1);cout<<"正在给你重连, 重连次数还有: "<<cnt--<<endl;if(cnt<=0)break;
}
if(cnt<=0)
{cerr<<"连接失败"<<endl;exit(CONNECT_ERR);
}char buffer[1024];
// 3. 连接成功
while(true)
{string line;cout<<"Enter>> ";getline(cin,line);write(sock,line.c_str(),line.size());ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);if (s > 0){buffer[s] = 0;cout<<"server echo >>>"<<buffer<<endl;}else if (s == 0){cerr << "server quit" << endl;break;}else{cerr << "read error: " << strerror(errno) << endl;break;}
}close(sock);
return 0;

}

运行结果:![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/eadac05d3a6c43dbb8c5e44f9ccebca6.png)