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Linux系統下實現多線程客戶/服務器

添加時間：2011-4-13　添加： admin　

在傳統的Unix模型中，當一個進程需要由另一個實體執行某件事時，該進程派生（fork）一個子進程，讓子進程去進行處理。Unix下的大多數網絡服務器程序都是這么編寫的，即父進程接受連接，派生子進程，子進程處理與客戶的交互。

雖然這種模型很多年來使用得很好，但是fork時有一些問題：

1. fork是昂貴的。內存映像要從父進程拷貝到子進程，所有描述字要在子進程中復制等等。目前有的Unix實現使用一種叫做寫時拷貝（copy－on－write）的技術，可避免父進程數據空間向子進程的拷貝。盡管有這種優化技術，fork仍然是昂貴的。

2. fork子進程后，需要用進程間通信（IPC）在父子進程之間傳遞信息。Fork之前的信息容易傳遞，因為子進程從一開始就有父進程數據空間及所有描述字的拷貝。但是從子進程返回信息給父進程需要做更多的工作。

線程有助于解決這兩個問題。線程有時被稱為輕權進程（lightweight process），因為線程比進程“輕權”，一般來說，創建一個線程要比創建一個進程快10～100倍。

一個進程中的所有線程共享相同的全局內存，這使得線程很容易共享信息，但是這種簡易性也帶來了同步問題。

一個進程中的所有線程不僅共享全局變量，而且共享：進程指令、大多數數據、打開的文件（如描述字）、信號處理程序和信號處置、當前工作目錄、用戶ID和組ID。但是每個線程有自己的線程ID、寄存器集合（包括程序計數器和棧指針）、棧（用于存放局部變量和返回地址）、error、信號掩碼、優先級。在Linux中線程編程符合Posix.1標準，稱為Pthreads。所有的pthread函數都以pthread_開頭。以下先講述5個基本線程函數，在調用它們前均要包括pthread.h頭文件。然后再給出用它們編寫的一個TCP客戶/服務器程序例子。

第一個函數：

int pthread_create 
(pthread_t ＊tid,const pthread_attr_t ＊attr,void ＊
(＊func)(void ＊),void ＊arg)；

一個進程中的每個線程都由一個線程ID（thread ID）標識，其數據類型是pthread_t（常常是unsigned int）。如果新的線程創建成功，其ID將通過tid指針返回。

每個線程都有很多屬性：優先級、起始棧大小、是否應該是一個守護線程等等，當創建線程時，我們可通過初始化一個pthread_attr_t變量說明這些屬性以覆蓋缺省值。我們通常使用缺省值，在這種情況下，我們將attr參數說明為空指針。

最后，當創建一個線程時，我們要說明一個它將執行的函數。線程以調用該函數開始，然后或者顯式地終止（調用pthread_exit）或者隱式地終止（讓該函數返回）。函數的地址由func參數指定，該函數的調用參數是一個指針arg，如果我們需要多個調用參數，我們必須將它們打包成一個結構，然后將其地址當作唯一的參數傳遞給起始函數。

在func和arg的聲明中，func函數取一個通用指針（void ＊）參數，并返回一個通用指針（void ＊），這就使得我們可以傳遞一個指針（指向任何我們想要指向的東西）給線程，由線程返回一個指針（同樣指向任何我們想要指向的東西）。調用成功，返回0，出錯時返回正Exxx值。Pthread函數不設置errno。

第二個函數：

int pthread_join(pthread_t tid,void ＊＊status);

該函數等待一個線程終止。把線程和進程相比，pthread_creat類似于fork，而pthread_join類似于waitpid。我們必須要等待線程的tid，很可惜，我們沒有辦法等待任意一個線程結束。如果status指針非空，線程的返回值（一個指向某個對象的指針）將存放在status指向的位置。

第三個函數：

pthread_t pthread_self(void);

線程都有一個ID以在給定的進程內標識自己。線程ID由pthread_creat返回，我們可以pthread_self取得自己的線程ID。

第四個函數：

int pthread_detach(pthread_t tid);

線程或者是可匯合的（joinable）或者是脫離的（detached）。當可匯合的線程終止時，其線程ID和退出狀態將保留，直到另外一個線程調用pthread_join。脫離的線程則像守護進程：當它終止時，所有的資源都釋放，我們不能等待它終止。如果一個線程需要知道另一個線程什么時候終止，最好保留第二個線程的可匯合性。Pthread_detach函數將指定的線程變為脫離的。該函數通常被想脫離自己的線程調用，如：pthread_detach (pthread_self ( ));

第五個函數：

void pthread_exit(void ＊status);

該函數終止線程。如果線程未脫離，其線程ID和退出狀態將一直保留到調用進程中的某個其他線程調用pthread_join函數。指針status不能指向局部于調用線程的對象，因為線程終止時這些對象也消失。有兩種其他方法可使線程終止：

1. 啟動線程的函數（pthread_creat的第3個參數）返回。既然該函數必須說明為返回一個void指針，該返回值便是線程的終止狀態。

2. 如果進程的main函數返回或者任何線程調用了exit，進程將終止，線程將隨之終止。

以下給出一個使用線程的TCP回射客戶/服務器的例子，完成的功能是客戶端使用線程給服務器發從標準輸入得到的字符，并在主線程中將從服務器端返回的字符顯示到標準輸出，服務器端將客戶端發來的數據原樣返回給客戶端，每一個客戶在服務器上對應一個線程。利用該程序框架，通過擴展客戶端和服務器端的處理功能，可以完成多種基于多線程的客戶機/服務器程序。該程序在RedHat 6.0和TurboLinux4.02下調試通過。共用頭文件如下：（head.h）

＃include 
＃include 
＃include 
＃include 
＃include 
＃include 
＃include 
＃include 
＃include 
＃include 
＃include 
＃define MAXLINE 1024 
＃define SERV_PORT 8000 
＃define LISTENQ 1024 
static int sockfd; 
static FILE ＊fp;

公用函數如下（common.c）:

/＊ 從一個描述字讀文本行 ＊/ 
ssize_t readline(int fd, void ＊vptr, size_t maxlen) 
{ 
ssize_t n, rc; 
char c, ＊ptr; 
for (n=1; n0) 
{ 
if ( (nwritten=write (fd, ptr, nleft ) )<=0 ) 
{ 
if (errno==EINTR ) 
nwritten=0; 
else 
return (－1); 
} 
nleft－=nwritten; 
ptr＋＋=nwritten; 
}

客戶端主程序如下：（client.c）

＃include “head.h"; 
＃include “common.c"; 
/＊ 在str_cli中定義的要被線程執行的函數 ＊/ 
void ＊copyto (void ＊arg) 
{ 
char sendline[MAXLINE]; 
while (fgets (sendline,MAXLINE,fp) !=NULL ) 
writen(sockfd,sendline,strlen(sendline)); 
shutdown(sockfd,SHUT_WR); 
return(NULL); 
} 

void str_cli(FILE ＊fp_arg, int sockfd_arg) 
{ 
char recvline[MAXLINE]; 
pthread_t tid; 
sockfd=sockfd_arg; 
fp=fp_arg; 
pthread_creat(＆tid, NULL, copyto, NULL); 
while (readline (sockfd,recvline,MAXLINE) >0) 
---- fputs(recvline,stdout); 
} 

int main ( int argc, char ＊＊argv ) 
{ 
int sockfd; 
struct sockaddr_in servaddr; 
if (argc!=2 ) 
printf ( “ usage: tcpcli " ); 
exit(0); 
bzero(＆servaddr, sizeof (servaddr)) ; 
servaddr.sin_family=AF_INET; 
servaddr.sinport=htons(SERV_PORT); 
inet_pton (AF_INET, argv[1], ＆servaddr.sin_addr ); 
connect (sockfd, (struct sockaddr ＊)＆servaddr, 
siziof (servaddr ) ); 
str_cli (stdin, sockfd ); 
exit (0 ); 
}

服務器端主程序如下：

＃include “head.h"; 
＃include “common.c"; 
void str_echo (int sockfd ) 
{ 
ssize_t n; 
char line[MAXLINE]; 
for (; ; ) 
{ 
if ( (n=readline (sockfd, line, MAXLINE) )==0) 
return; 
writen (sockfd, line, n); 
} 
} 

static void ＊doit ( void ＊arg) 
{ 
pthread_detach(pthread_self ( ) ); 
str_echo ( (int ) arg ); 
close ( (int ) arg ); 
return ( NULL ) ; 
} 

int main ( int argc, char ＊＊argv ) 
{ 
int listenfd, connfd; 
socklen_t addrlen,len; 
struct sockaddr_in cliaddr, servaddr; 
pthread_t tid; 
listenfd=socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0 ); 
bzero (＆servaddr, sizeof (servaddr ) ); 
servaddr.sin_family=AF_INET; 
servaddr.sin_addr.s_addr=htonl (INADDR_ANY ); 
servaddr.sin_port=SERV_PORT; 
bind (listenfd, ( struct sockaddr ＊ )＆servaddr, sizeof 
(servaddr ) ); 
listen (listenfd, LISTENQ ); 
addrlen=sizeof ( cliaddr ); 
cliaddr=malloc(addrlen ); 
for ( ; ; ) 
{ 
len=addrlen; 
connfd=accept(listenfd, (struct sockaddr ＊ )＆cliaddr, ＆len ); 
pthread_creat ( ＆tid, NULL, ＆doit, ( void ＊ )connfd ); 
} 
}

關鍵字：服務器、多線程、系統

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Linux系統下實現多線程客戶/服務器

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