Linux操作系统下实现多线程客户/服务器

zt371 发布于 2009/05/07 15:45
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在传统的Unix模型中,当一个进程需要由另一个实体执行某件事时,该进程派生(fork)一个子进程,让子进程去进行处理。
Unix下的大多数网络服务器程序都是这么编写的,即父进程接受连接,派生子进程,子进程处理与客户的交互。
虽然这种模型很多年来使用得很好,但是fork时有一些问题:
1. fork是昂贵的。内存映像要从父进程拷贝到子进程,所有描述字要在子进程中复制等等。目前有的Unix实现使用一种叫做写时拷贝(copy-on-write)的技术,可避免父进程数据空间向子进程的拷贝。尽管有这种优化技术,fork仍然是昂贵的。
2. fork子进程后,需要用进程间通信(IPC)在父子进程之间传递信息。Fork之前的信息容易传递,因为子进程从一开始就有父进程数据空间及所有描述字的拷贝。但是从子进程返回信息给父进程需要做更多的工作。
线程有助于解决这两个问题。线程有时被称为轻权进程(lightweight process),因为线程比进程“轻权”,一般来说,创建一个线程要比创建一个进程快10~100倍。
一个进程中的所有线程共享相同的全局内存,这使得线程很容易共享信息,但是这种简易性也带来了同步问题。
一个进程中的所有线程不仅共享全局变量,而且共享:进程指令、大多数数据、打开的文件(如描述字)、信号处理程序和信号处置、当前工作目录、用户ID和组ID。
但是每个线程有自己的线程ID、寄存器集合(包括程序计数器和栈指针)、栈(用于存放局部变量和返回地址)、error、信号掩码、优先级。
在Linux中线程编程符合Posix.1标准,称为Pthreads。所有的pthread函数都以pthread_开头。
以下先讲述5个基本线程函数,在调用它们前均要包括pthread.h头文件。然后再给出用它们编写的一个TCP客户/服务器程序例子。
第一个函数:
int pthread_create (pthread_t *tid,const pthread_attr_t *attr,void *(*func)(void *),void *arg);
一个进程中的每个线程都由一个线程ID(thread ID)标识,其数据类型是pthread_t(常常是unsigned int)。如果新的线程
创建成功,其ID将通过tid指针返回。
每个线程都有很多属性:优先级、起始栈大小、是否应该是一个守护线程等等,当创建线程时,我们可通过初始化一个pthread_attr_t 变量说明这些属性以覆盖缺省值。我们通常使用缺省值,在这种情况下,我们将attr参数说明为空指针。
最后,当创建一个线程时,我们要说明一个它将执行的函数。线程以调用该函数开始,然后或者显式地终止(调用pthread_exit) 或者隐式地终止(让该函数返回)。函数的地址由func参数指定,该函数的调用参数是一个指针arg,如果我们需要多个调用参数,我们必须将它们打包成一个结构,然后将其地址当作唯一的参数传递给起始函数。
在func和arg的声明中,func函数取一个通用指针(void *)参数,并返回一个通用指针(void *),这就使得我们可以传递一个
指针(指向任何我们想要指向的东西)给线程,由线程返回一个指针(同样指向任何我们想要指向的东西)。
调用成功,返回0,出错时返回正Exxx值。Pthread函数不设置errno。
第二个函数:
int pthread_join(pthread_t tid,void **status); 该函数等待一个线程终止。把线程和进程相比,pthread_creat类似于fork,而pthread_join类似于waitpid。
我们必须要等待线程的tid,很可惜,我们没有办法等待任意一个线程结束。
如果status指针非空,线程的返回值(一个指向某个对象的指针)将存放在status指向的位置。
第三个函数;
pthread_t pthread_self(void); 线程都有一个ID以在给定的进程内标识自己。线程ID由pthread_creat返回,我们可以pthread_self取得自己的线程ID。
第四个函数:
int pthread_detach(pthread_t tid); 线程或者是可汇合的(joinable)或者是脱离的(detached)。当可汇合的线程终止时,其线程ID和退出状态将保留,直到另外一个线程调用pthread_join。脱离的线程则像守护进程:当它终止时,所有的资源都释放,我们不能等待它终止。如果一个线程需要知道另一个线程什么时候终止,最好保留第二个线程的可汇合性。
Pthread_detach函数将指定的线程变为脱离的。
该函数通常被想脱离自己的线程调用,如:pthread_detach (pthread_self ( )); 第五个函数:
void pthread_exit(void *status); 该函数终止线程。如果线程未脱离,其线程ID和退出状态将一直保留到调用进程中的某个其他线程调用pthread_join函数。
指针status不能指向局部于调用线程的对象,因为线程终止时这些对象也消失。
有两种其他方法可使线程终止:
1. 启动线程的函数(pthread_creat的第3个参数)返回。既然该函数必须说明为返回一个void指针,该返回值便是线程的终止状态。
2. 如果进程的main函数返回或者任何线程调用了exit,进程将终止,线程将随之终止。
以下给出一个使用线程的TCP回射客户/服务器的例子,完成的功能是客户端使用线程给服务器发从标准输入得到的字符,并在主线程中将从服务器端返回的字符显示到标准输出,服务器端将客户端发来的数据原样返回给客户端,每一个客户在服务器上对应一个线程。利用该程序框架,通过扩展客户端和服务器端的处理功能,可以完成多种基于多线程的客户机/服务器程序。该程序在RedHat 6.0和TurboLinux4.02下调试通过。
共用头文件如下:

(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;
公用函数如下(common.c):
/* 从一个描述字读文本行 */ 
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; 
}
客户端主程序如下:
(client.c) 
#include “head.h"; #include “common.c"; /* 在str_cli中定义的要被线程执行的函数 */ 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 ); }
服务器端主程序如下:
(server.c) 
#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 ); } }
(责任编辑:云子)

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