TCP网络程序

上一章我们基于UDP实现了几个网络程序，这一章我们开始使用TCP。

先简单复习一下TCP和UDP的特点：

TCP特点

传输层协议
有连接
可靠传输
面向字节流

UDP特点

传输层协议
无连接
不可靠传输
面向数据报

可以看到TCP是有链接的，而UDP是无连接的，有无连接体现在接口上面（listen，connect），话不多说，直接开始。

1.服务器的实现

1.1socket（创建套接字）

#include <sys/types.h>     
#include <sys/socket.h>

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

参数说明：

domain：域，标识了这个套接字的通信类型（网络通信/本地通信），这个就是sockaddr结构体的前16个bit位。如果是本地通信就是AF_UNIX,如果是网络通信就是AF_INET。
type：套接字提供的服务类型，常见的就是SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM，如果我们是基于TCP协议的通信，就使用SOCK_STREAM，表示的是流式服务。如果我们是基于UDP协议通信的，就使用SOCK_DGRAM，表示的是数据包服务。
protocol：创建套接字的类型（TCP/UDP），但是这个参数可以由前两个参数决定。所以通常设置为0

返回值：

成功会返回一个文件描述符，失败返回-1，错误码被设置

在系统的文件操作中，也会返回文件描述符，与socket返回的文件描述符不同的是，普通文件的文件缓冲区对应的是磁盘，而socket返回的文件描述符的文件缓冲区对应的是网卡。用户将数据写到缓冲区，由操作系统自动将缓冲区中的数据刷新到网卡中，网卡会负责将这个数据发送到对端主机上。

class TcpServer
{
public:
    TcpServer(uint16_t &port, std::string ip = "")
    {
        // 创建套接字
        _listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_listensock < 0)
        {
            std::cout << "create socket error" << std::endl;
            exit(1);
        }
        std::cout << "create socket success, socket: " << _listensock << std::endl;
    }

    ~TcpServer()
    {
        close(_listensock);
    }

private:
    int _listensock;
};

调用socket函数，就能创建一个套接字了，第一个参数我们填AF_INET，表示的是我们是网络通信。第二个参数我们填SOCK_STREAM，表示我们是TCP服务（字节流）。由于一个进程启动时，默认会打开标准输入，标准输出，标准错误这三个文件描述符，而文件描述符的创建规则就是从0开始，向上找到第一个没有使用的，所以我们可以猜测以下_sock的值为3.

这一步和UDP非常类似，但是在socket的时候，第二个参数要更改成SOCK_STREAM表示我们要的是TCP服务。

1.2bind（绑定IP和Port)

我们创建完套接字以后，也只是打开了一个文件。还没有将这个文件和网络关联起来，所以我们需要使用bind函数，将IP+port和文件绑定

#include <sys/types.h>     
#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数介绍：

sockfd：socket函数的返回值。
addr：通用结构体，包括协议家族，IP地址，端口号port
addrlen：addr的长度

返回值介绍：

成功返回0，错误返回-1

sockaddr_in结构体

struct sockaddr_in
  {
    short int sin_family;
    in_port_t sin_port;			
    struct in_addr sin_addr;	

    unsigned char sin_zero[8];
  };

sin_family：协议家族，表示通信类型（AF_INET网络通信，PF_INET本地通信）
sin_port：端口号（网络字节序）
sin_addr：IP地址。
sin_zero：填充字段，让sizeof(sockaddr_in) = 16

既然第二步需要添加IP和端口号，所以我们要对代码修改一下，给构造函数添加port和str（IP的点分十进制表示形式）

class TcpServer
{
public:
    TcpServer(uint16_t &port, std::string ip = "")
    {
        // 创建套接字
        _listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_listensock < 0)
        {
            std::cout << "create socket error" << std::endl;
            exit(1);
        }
        std::cout << "create socket success, socket: " << _listensock << std::endl;

        // 绑定IP和端口
        struct sockaddr_in addr;
        addr.sin_family = AF_INET;
        addr.sin_port = htons(port);
        addr.sin_addr.s_addr = ip.empty() ? INADDR_ANY : inet_addr(ip.c_str());
        if (bind(_listensock, (sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0)
        {
            std::cout << "bind error" << std::endl;
            exit(2);
        }
        std::cout << "bind success" << std::endl;
    }

    ~TcpServer()
    {
        close(_listensock);
    }

private:
    int _listensock;
};

需要注意的是在填写sockaddr_in的参数的时候，

sin_family需要和socket套接字创建时的domain相同。
由于端口号和IP将来是要发送到网络的，而网络数据流统一采用大端的形式，所以为了代码的可移植性，我们不管自己是大端还是小端，统一调用函数hton转化成大端。
对于IP来说，如果直接发送的是点分十进制形式如（192.168.12.80）的形式，则需要占用过多的字节数，对网络传输无疑是一种很大的消耗，所以我们采用一个32位的整数来表示IP，在网络传输中，要将点分十进制的IP转化成整数，再进行传输。

前两步和UDP基本上一样，不过UDP做完这两步之后就可以开始接受用户的信息了，因为UDP是无连接的。但是TCP还需要一个监听的动作（监听客户端发来的连接请求）。

我们需要把socket套接字设置为监听状态，获取客户端发来的连接请求。例如：假设有这样一个手机，默认的工作模式就是拦截所有的电话，用户无法知道，但是用户可以更改工作模式为监听模式，不再拦截电话，只要有人给我打电话我就知道。这种监听模式就是类似于listen函数的功能。

1.3listen（设置监听状态）

#include <sys/types.h>       
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

参数说明：

sockfd：要设置为监听状态的文件描述符
backlog：等待队列的最大长度。如果有多个客户端同时发来连接请求，此时未被服务器处理的连接就会放入连接队列。它并不限制可以建立的总连接数，而是限制了在任何给定时间等待接受的连接数。一旦一个连接被接受，它就从队列中移除，并为新的连接请求腾出空间。一般不要设置太大，设置为5或10即可。

重要的是要注意，listen 函数本身并不接受任何连接。它只是将套接字设置为监听模式，并设置等待队列的大小。实际的连接接受是通过 accept 函数来完成的。

1.4accept（接受新连接）

前面的工作都做完了，我们就可以使用accept来接受新连接了。

#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数介绍：

sockfd：表示从该监听套接字中获取新连接
addr：通用结构体，包括协议家族，IP地址，端口号port
addrlen：输出型参数，调用时传入期望读取的addr结构体的长度，返回时代表实际读取到的addr结构体的长度。

返回值：

成功返回一个文件描述符，失败返回-1

accept返回的文件描述符

先举个例子：当我们去吃饭时，门口会有个服务员张三正在揽客，当他找到客人就把客人交给了新的服务员李四/王五/赵六，负责后续为我们点菜，上菜等服务。在这个例子中，张三的职责就是将客人招到店内就可以，店内的服务他不参与。而李四/王五/赵六才是为我们真正提供服务的员工。

而我们之前所说的使用socket返回的文件描述符就是张三，他的任务就是接收到新连接就可以了。真正提供服务的其实是accept返回的文件描述符。

最后别忘了关闭文件描述符，如果不关会导致可用的文件描述符越来越少。

void Start()
{
    while (true)
    {
        struct sockaddr_in addr;
        socklen_t addrlen = sizeof(addr);
        memset(&addr, 0, sizeof(addr));
        int serverSocket = accept(_listensock, (sockaddr *)&addr, &addrlen);

        //业务逻辑

        close(serverSocket);
    }
}

1.5recvfrom（获取消息）

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

参数介绍：

sockfd：从哪个套接字中读取
buf：读到的数据存放的缓冲区
len：读len个字节
flags：读取方式，0表示阻塞读取
src_addr：发送端的信息
addrlen：输出型参数，表示src_addr的长度（必须初始化为sizeof(src_addr))

返回值说明：

返回值>0：读取成功
返回值=0：对端关闭连接了
返回值<0：读取失败

由于recvfrom的参数较多，使用比较麻烦，所以我们可以对recvfrom简单封装成一个函数。

int Recvfrom(int sockfd, std::string& buffer)
{
    char temp[1024];
    sockaddr_in addr;
    socklen_t addrlen = sizeof(addr);
    int n = recvfrom(sockfd, temp, sizeof(temp) - 1, 0, (sockaddr *)&addr, &addrlen);
    if (n > 0)
    {
        temp[n] = 0;
        buffer = temp;
    }
    else if (n == 0)
    {
        std::cout << "you close the connect, me too" << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cout << "recvfrom error" << std::endl;
    }
    return n;
}

你只需要告诉recvfrom从哪个文件描述符当中读，并且给他一个buffer用于保存读取的消息。

1.6sendto（发送消息）

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

参数介绍：

sockfd：从哪个套接字中读取
buf：将缓冲区中的数据发给对端
len：要发送多少个字节
flags：写入方式，0表示阻塞写入
src_addr：对端主机的信息（包括协议家族，IP，port）
addrlen：表示src_addr的长度

参数和recvfrom类似。

while (true)
{
    std::string buffer;
    std::cout << "Please enter# " << std::endl;
    getline(std::cin, buffer);
    sendto(sockfd, buffer.c_str(), buffer.size(), 0, (sockaddr *)&addr, addrlen);
}

当我们接受到了客户端发来的消息后，就可以将这个消息经过处理后，还给客户端。

1.7服务端源码

到这里一个简单的服务器就可以正常启动了。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <functional>
#include <unordered_map>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/wait.h>
#include <pthread.h>

class TcpServer
{
    const int backlog = 10;

public:
    TcpServer(uint16_t &port, std::string ip = "")
    {
        // 创建套接字
        _listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_listensock < 0)
        {
            std::cout << "create socket error" << std::endl;
            exit(1);
        }
        std::cout << "create socket success, socket: " << _listensock << std::endl;

        // 绑定IP和端口
        struct sockaddr_in addr;
        addr.sin_family = AF_INET;
        addr.sin_port = htons(port);
        addr.sin_addr.s_addr = ip.empty() ? INADDR_ANY : inet_addr(ip.c_str());
        if (bind(_listensock, (sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0)
        {
            std::cout << "bind error" << std::endl;
            exit(2);
        }
        std::cout << "bind success" << std::endl;

        // 监听listen
        if (listen(_listensock, backlog) < 0)
        {
            std::cout << "listen error" << std::endl;

            exit(3);
        }
        std::cout << "listen success" << std::endl;
    }

    ~TcpServer()
    {
        close(_listensock);
    }

    void Start()
    {
        while (true)
        {
            struct sockaddr_in addr;
            socklen_t addrlen = sizeof(addr);
            memset(&addr, 0, sizeof(addr));
            int serverSocket = accept(_listensock, (sockaddr *)&addr, &addrlen);

            while (true)
            {
                std::string buffer;
                int n = Recvfrom(serverSocket, buffer);
                if (n > 0)
                    std::cout << buffer << std::endl;
                else 
                    break;

                sendto(serverSocket, buffer.c_str(), buffer.size(), 0, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
            }

            close(serverSocket);
        }
    }

    int Recvfrom(int sockfd, std::string& buffer)
    {
        char temp[1024];
        sockaddr_in addr;
        socklen_t addrlen = sizeof(addr);
        int n = recvfrom(sockfd, temp, sizeof(temp) - 1, 0, (sockaddr *)&addr, &addrlen);
        if (n > 0)
        {
            temp[n] = 0;
            buffer = temp;
        }
        else if (n == 0)
        {
            std::cout << "you close the connect, me too" << std::endl;
        }
        else
        {
            std::cout << "recvfrom error" << std::endl;
        }
        return n;
    }

private:
    int _listensock;
};

2.客户端实现

2.1socket（创建套接字）

和服务端一样，我们也要创建套接字

void Usage()
{
    std::cout << "Please enter: ./Client ip port" << std::endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        Usage();
        return 4;
    }
    std::string ip = argv[1];
    uint16_t port = atoi(argv[2]);

    // 创建套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        std::cout << "create socket error" << std::endl;
        exit(1);
    }
    std::cout << "create socket success, socket: " << sockfd << std::endl;

    return 0;
}

2.2connect（发起连接）

客户端既不需要绑定bind，也不需要监听listen，直接向服务端发起connect即可。

服务端需要绑定一个固定IP和端口，防止用户找不到，但是客户端如果绑定固定端口，可能会导致多个不同应用的客户端绑定的是同一个端口的，系统会在connect之后为客户端分配一个未使用的端口号。
客户端也不需要listen，listen函数是用于接受来自其他方的连接的，而客户端都是主动发起连接的一方，例如：都是你主动打开抖音（向服务端发起连接）。

#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数介绍：

sockfd：用于标识即将发起连接请求的客户端套接字
addr：用于标识即将发起连接请求的客户端套接字
addrlen：addr的大小

返回值说明：

成功返回0，失败返回-1

sockaddr_in addr;
socklen_t addrlen = sizeof(addr);
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(port);
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());
if (connect(sockfd, (sockaddr *)&addr, addrlen) < 0)
{
    std::cout << "connect error" << std::endl;

    exit(2);
}
std::cout << "connect success" << std::endl;

2.3sendto（发送消息）

发送给服务端你要处理的消息

while (true)
{
    std::string buffer;
    std::cout << "Please enter# " << std::endl;
    getline(std::cin, buffer);
    sendto(sockfd, buffer.c_str(), buffer.size(), 0, (sockaddr *)&addr, addrlen);
}

因为前面使用connect已经填写了addr。所以我们可以直接使用。

2.4recvfrom（接受消息）

接受客户端已经处理好的消息

//接受服务端的消息
char temp[128];
sockaddr_in raddr;
socklen_t raddrlen = sizeof(addr);
int n = recvfrom(sockfd, temp, sizeof(temp) - 1, 0, (sockaddr *)&raddr, &raddrlen);
if (n <= 0)
{
    std::cout << "recvfrom error" << std::endl;
    exit(3);
}
temp[n] = 0;
std::cout << "echo# " << temp << std::endl;

2.5客户端源码

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include "LogMessage.hpp"

void Usage()
{
    std::cout << "Please enter: ./Client ip port" << std::endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        Usage();
        return 4;
    }
    std::string ip = argv[1];
    uint16_t port = atoi(argv[2]);

    // 创建套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        std::cout << "create socket error" << std::endl;
        exit(1);
    }
    std::cout << "create socket success, socket: " << sockfd << std::endl;

    sockaddr_in addr;
    socklen_t addrlen = sizeof(addr);
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());
    if (connect(sockfd, (sockaddr *)&addr, addrlen) < 0)
    {
        std::cout << "connect error" << std::endl;

        exit(2);
    }
    std::cout << "connect success" << std::endl;

    while (true)
    {
        std::string buffer;
        std::cout << "Please enter# " << std::endl;
        getline(std::cin, buffer);
        sendto(sockfd, buffer.c_str(), buffer.size(), 0, (sockaddr *)&addr, addrlen);

        // 接受服务端的消息
        char temp[128];
        sockaddr_in raddr;
        socklen_t raddrlen = sizeof(addr);
        int n = recvfrom(sockfd, temp, sizeof(temp) - 1, 0, (sockaddr *)&raddr, &raddrlen);
        if (n <= 0)
        {
            std::cout << "recvfrom error" << std::endl;
            exit(3);
        }
        temp[n] = 0;
        std::cout << "echo# " << temp << std::endl;
    }

    return 0;
}

3.运行程序

简单测试一下：

可以运行，这样一个简单TCP服务就写好了。那这段代码有问题吗？有，而且很大。

如果现在有两个用户想要访问这个服务端，上面那个用户可以正常运行，但是下面那个不行，消息并不会回显。左边的服务端也没有接受到客户端发送的消息。为什么呢？

void Start()
{
    while (true)
    {
        struct sockaddr_in addr;
        socklen_t addrlen = sizeof(addr);
        memset(&addr, 0, sizeof(addr));
        int serverSocket = accept(_listensock, (sockaddr *)&addr, &addrlen);

        while (true)
        {
            std::string buffer;
            int n = Recvfrom(serverSocket, buffer);
            if (n > 0)
                std::cout << buffer << std::endl;
            else 
                break;

            sendto(serverSocket, buffer.c_str(), buffer.size(), 0, (sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
        }

        close(serverSocket);
    }
}

注意看服务端的代码，他是单进程的，并且在接收到用户发起的新连接之后，会进入下面的死循环，从此往后，他只能接受到来自第一个用户发送的消息了，只有在第一个用户断开连接之后，才会接受来自其他用户的连接。

客户为什么会显示连接成功

按照刚才的思路，服务端的执行流一直在执行下面接受第一个用户的消息，没有再次调用accept函数，但是为什么客户端会显示connect成功呢？

客户端connect成功，说明请求连接是成功的，但是服务端暂时没有调用accept获取该连接，底层会帮我们维护一个连接队列（listen的第二个参数）。将没有accept的新连接放到这个队列当中。虽然服务端还没有获取该连接，但是connect不关心服务端有没有获取，只关心有没有将新连接成功交给服务端，所以客户端显示连接成功。

将用户1关闭之后，用户而就可以正常的进行服务了

如何解决这个问题？

我们上面的问题基本上都是单执行流导致的，所以我们需要将我们的服务端改成多执行流即可。

4.多执行流

主要分为多进程版本和多线程版本。我们先将前面的服务（读取用户信息，经过处理再发给用户）封装一下

void Start()
{
    while (true)
    {
        //获取新连接
        struct sockaddr_in addr;
        socklen_t addrlen = sizeof(addr);
        memset(&addr, 0, sizeof(addr));
        int serverSocket = accept(_listensock, (sockaddr *)&addr, &addrlen);
        
        //执行任务
        Server(serverSocket, addr);

        close(serverSocket);
    }
}

void Server(int serverSocket, sockaddr_in addr)
{
    while (true)
    {
        std::string buffer;
        int n = Recvfrom(serverSocket, buffer);
        if (n > 0)
            std::cout << buffer << std::endl;
        else
            break;

        sendto(serverSocket, buffer.c_str(), buffer.size(), 0, (sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    }
}

前面我们就是以上面这种单进程的方式进行的。

4.1多进程

让父进程获取新连接，并且创建子进程执行服务。

子进程会继承父进程的文件描述符表，当子进程创建的孙子进程也会继承父进程的文件描述符表。

对于父进程来说，创建完子进程之后，就可以关闭accpet返回的文件描述符了（后续服务让子进程进行），自己继续通过socket的返回值获取新连接，而对于子进程来说，socket返回的文件描述符也没有意义，所以可以关闭。

注意：对于父进程来说，一定要关闭accept返回的文件描述符，如果只分配不关闭的话，会导致文件描述符越来越多，可用的文件描述符越来越少，这种问题叫做文件描述符泄露。但是对于子进程来说，关闭文件描述符socket文件描述符不是必须的（但是最好也要关闭）

等待子进程问题

我们知道，在父进程创建子进程之后，需要等待子进程，否则子进程会变成僵尸进程，造成给内存泄露的问题，所以父进程需要调用wait或者waitpid等待子进程。

但是如果采用了阻塞式等待的话，那就和单进程没什么区别了
如果采用非阻塞式等待，虽然也可以，但是父进程需要不断消耗资源去检测有无子进程退出

无论哪种方法都不太合适，所以我们可以想出一种无需等待子进程的方法

4.1.2孙子进程

int fd = fork();
if (fd == 0)
{
    //child
    close(_listensock);
    if (fork() > 0)
    {
        exit(0);
    }
    //孙子进程

    Server(serverSocket, addr);
    close(serverSocket);
    exit(0);
}
else if (fd > 0)
{
    //father
    close(serverSocket);
    waitpid(fd, nullptr, 0);
}
else
{
    std::cout << "fork error" << std::endl;
}

创建子进程之后，子进程会再创建一个孙子进程，子进程创建完孙子进程之后就退出，让孙子进程变成孤儿进程，从而被操作系统领养。此后，而父进程创建完子进程之后就开始等待子进程退出，子进程创建完孙子进程就退出，所以父进程并不需要等待很长的时间。

这种方式也是可以成功运行的。

确实创建了两个进程，并且这两个进程的ppid是1（被bash领养了），当客户端退出的时候，操作系统会自动释放孤儿进程的资源

4.1.3信号捕捉

在学习系统的信号部分时，我们学过当子进程退出时会发送SIGCHLD信号，信号的主要作用是通知父进程其一个子进程已经终止，以便父进程可以执行一些清理工作，比如回收子进程的资源。

父进程只要捕捉这个信号，并将这个信号忽略即可。子进程会自动释放资源。

signal(SIGCHLD, SIG_IGN);


// V3多进程信号版
int fd = fork();
if (fd == 0)
{
    // child
    close(_listensock);
    Server(serverSocket, addr);
    close(serverSocket);
    exit(0);
}
else if (fd > 0)
{
    // father
    close(serverSocket);
}

也是可以正常运行的。

也是正常的三个进程在运行。接下来我们将两个子进程退出看看

最后只剩下父进程在跑了，而且子进程也没有显示出僵尸状态

4.2多线程

虽然使用多进程的方式可以解决问题，但是多进程的方式并不是主流，原因是多进程的创建成本比较大，每个进程独享一个进程地址空间，页表，进程控制块，文件描述符表等。实际开发中，我们会更倾向于选择使用多线程的方式。

只需要让主线程负责获取新连接，子线程负责给用提供服务（读取用户的信息，并将信息经过处理后，再返回给用户）。

因为子线程和主线程共享一个文件描述符表，所以并不像多进程那样双方都需要关闭文件描述符，只需要子线程在服务完之后关闭文件描述符即可。

线程等待问题

和进程一样，我们创建完线程之后，也是需要等待线程的，但是也有方法可以不用进行等待，那就是线程分离（pthread_detach），线程如果分离了，会在退出时自动释放资源。

有了大概思路之后我们就可以开始实现了

struct ThreadData
{
    ThreadData(int sockfd, sockaddr_in user, TcpServer *self)
        : _sockfd(sockfd), _user(user), _self(self)
    {
    }

public:
    int _sockfd;
    sockaddr_in _user;
    TcpServer *_self;
};

先创建一个线程传递的参数，用于线程将来调用Server函数。这个参数是一个结构体，内部有三个对象，sockfd告诉线程从哪个文件描述符中读，user告诉线程客户端的信息（IP，Port），剩下一个参数等会说

pthread_t p;
ThreadData *data = new ThreadData(serverSocket, addr, this);
pthread_create(&p, nullptr, Handler, (void *)data);

我们可以开始创建一个线程了，但是pthread_create的第三个参数是一个返回值为void*，参数也为void*的函数指针，如果传的是类内成员函数Handler，就会报错

因为类内成员函数会自带一个隐藏的this指针，为了解决这个办法，我们只能将Handler函数设置为static

static void* Handler(void* arg)
{

}

但是这时，新的问题又出现了，Handler是静态的，无法调用类内成员函数Server了，所以我们就给线程传递的参数中增加了第三个对象，一个自己类型的指针。

static void *Handler(void *arg)
{
    pthread_detach(pthread_self());
    ThreadData *data = static_cast<ThreadData *>(arg);
    data->_self->Server(data->_sockfd, data->_user)
}

先将线程进行分离，然后将arg参数强转为ThreadData类型，然后通过我们之前传递的this指针来调用Server函数。

void Start()
{
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    while (true)
    {
        // 获取新连接
        struct sockaddr_in addr;
        socklen_t addrlen = sizeof(addr);
        memset(&addr, 0, sizeof(addr));
        int serverSocket = accept(_listensock, (sockaddr *)&addr, &addrlen);

        pthread_t p;
        ThreadData *data = new ThreadData(serverSocket, addr, this);
        pthread_create(&p, nullptr, Handler, (void *)data);
    }
}

static void *Handler(void *arg)
{
    pthread_detach(pthread_self());
    ThreadData *data = static_cast<ThreadData *>(arg);
    data->_self->Server(data->_sockfd, data->_user);
    close(data->_sockfd);
}

测试：

也是可以成功运行的。

创建了三个线程（PID都相同）。

并且查看当前进程，可以看到创建了三个文件描述符，3为主线程socket获取的，其他两个是accept获得的。

当用户退出时，也可以正常关闭文件描述符。

4.3线程池版本

刚刚我们选的多线程版本还存在问题吗？答案是还存在的。

每次用户发起连接后，才会创建线程，并且在断开连接，会释放线程，这样反复创建释放，效率就会比较低

如何解决这个问题呢，我们需要使用线程池来解决。线程池就是会预先创建一批线程，这些线程会进入休眠状态，等到有用户连接时，会将一个线程唤醒，然后让这个线程去为用户提供服务。

准备工作

首先我们需要一个线程池

template <class T>
class ThreadPool
{
private:
    ThreadPool(size_t thread_num = 5, size_t task_num = 10)
        : _thread_num(thread_num), _task_num(task_num)
    {
        pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond, nullptr);

        for (int i = 0; i < _thread_num; i++)
        {
            std::string thread_name = GetPthreadName();
            _threads.push_back(Thread<void, std::string>(std::bind(&ThreadPool::ThreadRun, this, std::placeholders::_1), thread_name, thread_name));
            log.LogMessage(Debug, "create %s success", thread_name.c_str());
        }
    }
    ThreadPool(const ThreadPool<T> &tp) = delete;
    const ThreadPool<T> &operator=(const ThreadPool<T> &tp) = delete;

public:
    static ThreadPool *GetInstance()
    {
        if (_instance == nullptr)
        {
            LockGuard lg(&_mtinst);
            if (_instance == nullptr)
            {
                _instance = new ThreadPool<T>();
            }
        }

        return _instance;
    }

    ~ThreadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mutex);
        pthread_cond_destroy(&_cond);
    }

    void ThreadRun(std::string name)
    {
        while (true)
        {
            T t;
            {
                LockGuard lg(&_mutex);
                while (_task_queue.empty())
                {
                    ThreadWait(name);
                }
                t = _task_queue.front();
                _task_queue.pop();
            }
            t();
        }
    }

    void Start()
    {
        for (auto &th : _threads)
        {
            th.Create();
        }
    }

    void Wait()
    {
        for (auto &th : _threads)
        {
            th.Jion();
        }
    }

    void Push(T date)
    {
        LockGuard lock(&_mutex);
        _task_queue.push(date);
        ThreadWakeUp();
    }

private:
    void ThreadWait(const std::string &thread_name)
    {
        log.LogMessage(Debug, "%s start to wait", thread_name.c_str());
        pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);
    }

    void ThreadWakeUp()
    {
        pthread_cond_signal(&_cond);
    }

private:
    std::vector<Thread<void, std::string>> _threads;
    std::queue<T> _task_queue;
    size_t _thread_num;
    size_t _task_num;

    pthread_mutex_t _mutex;
    pthread_cond_t _cond;

    static ThreadPool<T> *_instance;
    static pthread_mutex_t _mtinst;

    Log log;
};

template <class T>
ThreadPool<T> *ThreadPool<T>::_instance = nullptr;

template <class T>
pthread_mutex_t ThreadPool<T>::_mtinst = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

先完成线程池的代码，该线程池会自动创建5个线程，并且会绑定ThreadRun函数，然后我们使用你start函数就可以启动线程池，5个线程会被启动，开始执行ThraedRun函数，并被阻塞住，我们只需要将任务push到_task_queue任务队列当中即可，当任务push之后，会唤醒一个线程，并让这个线程去执行刚刚push的任务。

注意：上面有一个LogMessage函数，主要就是用于打印日志，方便我们观看，还有一个LockGuard函数，我们将锁交给他，他会帮我们管理这个锁，出了作用域之后自动释放。下面是这个函数的原型。

#pragma once

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

class Mutex;
class LockGuard;

class Mutex
{
public:
    Mutex(pthread_mutex_t *lock)
        :_lock(lock)
    {}
    void Lock()
    {
        pthread_mutex_lock(_lock);
    }
    void Unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(_lock);
    }
    ~Mutex()
    {}

private:
    pthread_mutex_t *_lock;
};

class LockGuard
{
public:
    LockGuard(pthread_mutex_t* mutex)
        : _mutex(mutex)
    {
        _mutex.Lock();
    }

    ~LockGuard()
    {
        _mutex.Unlock();
    }

private:
    Mutex _mutex;
};

封装用户信息

我们前面使用sockaddr_in来保存用户端发来的信息，例如IP和端口号，但是需要我们手动写，将sockaddr_in中的信息提取出来，比较麻烦，我们可以封装成一个类

class InetAddr
{
public:
    InetAddr(const sockaddr_in addr)
        : _addr(addr)
    {
        _ip = inet_ntoa(addr.sin_addr);
        _port = ntohs(addr.sin_port);
    }

    std::string GetUser()
    {
        std::string temp;
        temp += _ip;
        temp += " : ";
        temp += std::to_string(_port);

        return temp;
    }

    std::string& GetIp()
    {
        return _ip;
    }

    uint16_t GetPort()
    {
        return _port;
    }

    sockaddr_in& GetAddr()
    {
        return _addr;
    }

private:
    std::string _ip;
    uint16_t _port;
    sockaddr_in _addr;
};

我们只需要将sockaddr_in交给这个函数，他就会自动帮我们提取IP和端口号，并且GetUser函数还会返回IP+端口的一个字符串

线程池版本整体框架

现在完事具备了，可以正式开始写服务了

TcpServer(uint16_t &port, std::string ip = "")
{
    // 创建套接字
    _listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (_listensock < 0)
    {
        lg.LogMessage(Error, "create socket error");
        exit(1);
    }
    lg.LogMessage(Normal, "create socket success, socket:%d", _listensock);

    int opt = 1;
    setsockopt(_listensock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt));

    // 绑定IP和端口
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);
    addr.sin_addr.s_addr = ip.empty() ? INADDR_ANY : inet_addr(ip.c_str());
    if (bind(_listensock, (sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0)
    {
        lg.LogMessage(Error, "bind error");
        exit(2);
    }
    lg.LogMessage(Normal, "bind success");

    // 监听listen
    if (listen(_listensock, backlog) < 0)
    {
        lg.LogMessage(Error, "listen error");
        exit(3);
    }
    lg.LogMessage(Normal, "listen success");

    ThreadPool<task_t>::GetInstance()->Start();
}

首先就是我们要在构造函数中添加，让线程池启动。

using task_t = std::function<void()>;
using callback_t = std::function<void(std::string&)>;

然后使用function，设计将来我们会将什么函数push进线程池内。

void Start()
{
    while (true)
    {
        struct sockaddr_in addr;
        socklen_t addrlen = sizeof(addr);
        memset(&addr, 0, sizeof(addr));
        int serverSocket = accept(_listensock, (sockaddr *)&addr, &addrlen);
        // 从这往后，都使用serverSocket
        InetAddr user(addr);

   
        // V5线程池版
        task_t task = std::bind(&TcpServer::Routine, this, serverSocket, user);
        ThreadPool<task_t>::GetInstance()->Push(task);
    }
}

每接受到一个用户申请的连接后，我们就创建一个task_t的函数对象，并且绑定一下对应的函数以及其参数，再将这个函数push到线程池内，push后自动唤醒一个线程去执行这个函数。

接下来我们只需要完成Routine函数的逻辑即可。这个函数我们可以设计成之前的Server

void Server(int serverSocket, InetAddr user)
{
    sockaddr_in addr = user.GetAddr();
    socklen_t addrlen = sizeof(addr);
    char temp[1024];
    while (true)
    {
        std::string buffer = "[" + user.GetUser() + "] ";
        int n = recvfrom(serverSocket, temp, sizeof(temp) - 1, 0, (sockaddr *)&addr, &addrlen);
        if (n > 0)
        {
            temp[n] = 0;
            buffer += temp;
            sendto(serverSocket, buffer.c_str(), buffer.size(), 0, (sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
        }
        else if (n == 0)
        {
            std::cout << "you close the connect, me too" << std::endl;
            break;
        }
        else
        {
            std::cout << "recvfrom error" << std::endl;
            break;
        }
    }
    close(serverSocket);
}

读取用户消息，然后处理（这里的处理是在消息前面加上客户端的IP和端口），再重新发送给用户。

我们先使用Server测试一下逻辑有无问题。

启动服务端之后，帮我们创建了五个线程，并且这五个线程都进入阻塞等待

最后也是符合我们的预期。

如果我们想完成更多功能呢，用户启动的时候，我们给他发送能提供哪些服务，根据用户的选择，执行不同的服务。

为了达到刚刚的目标，首先我们需要一些函数

提供各种业务

void Ping(std::string& str)
{
    str = "Pong";
}

如果用户选择Ping函数，无论用户发送什么我们都给他发送一个Pong。

void Transforme(std::string& str)
{
    for (auto& ch : str)
    {
        if ('a' <= ch && ch <= 'z')
        {
            ch -= 32;
        }
    }
}

Transforme函数将用户传入的字符串全部改为大写字母。

void  Translate(std::string& str)
{
    std::string chinese = dict.Find(str);
    str = chinese;
}

Translate函数会将用户传过来的英文转化成中文返还给用户。

我们先从网上找一些中英文对照的单词。并将这些单词保存在一个文件当中

我们要做的是封装一个类，将这个文件中的所有单词读取出来（按行读），然后将每一行单词和对应的中文保存起来。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <string>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <unordered_map>

const std::string path = "./word/E_C.txt";

class Dictionary
{
public:
    Dictionary()
    {
        Set();
    }

    void Updata()
    {
        lines.clear();
        dict.clear();
        Set();
    }

    void Set()
    {
        std::ifstream file(path);
        if (!file.is_open())
        {
            std::cerr << "打开文件失败" << std::endl;
            exit(1);
        }

        std::string buffer;
        while (std::getline(file, buffer))
        {
            lines.push_back(buffer);

            //读取空行
            std::getline(file, buffer);
        }
        
        //切分
        for (auto& line : lines)
        {
            size_t left = line.find(" ");
            //真正的单词是从left + 1开始找的
            size_t right = line.find(" ", left + 1);
            dict.insert(std::make_pair(line.substr(left + 1, right - left - 1), line.substr(right + 1)));
        }
    }

    std::string Find(std::string word)
    {
        auto it = dict.find(word);
        if (it == dict.end())
        {
            return "Not found";
        }
        else 
        {
            return it->second;
        }
    }

private:
    std::vector<std::string> lines;
    std::unordered_map<std::string, std::string> dict;
};

Set函数会执行我们刚刚说的那几步，按行读取文本，然后切分并保存进dict中，未来我们只需要调用Find函数就能获取英文对应的汉语。

我们在TcpServer中创建一个函数名和函数的映射的哈希表。

std::unordered_map<std::string, callback_t> _funcs;

我给TcpServer中添加一个函数，用于添加新的函数。

void AddFunc(std::string func_name, callback_t task)
{
    _funcs.insert({func_name, task});
}

有了这几个函数之后，我们可以将这几个函数交给TcpServer

t->AddFunc("ping", Ping);
t->AddFunc("transforme", Transforme);
t->AddFunc("translate", Translate);

Routinue函数

我们想让这个函数达到的效果就是，将来一个用户申请连接之后，我们就让一个线程去执行这个函数。

1.先给用户发送有哪些服务

// 向用户发送有哪些功能
std::string str = GetAllFunction();
Sendto(sockfd, user, str);

GetAllFunct函数就是将_funcs中的所有函数的函数名形成一个字符串。然后发送给字符串。

2.读取用户选择

std::string buffer;
Recvfrom(sockfd, buffer);

将用户想要的选择读取到buffer中。

3.读取用户的输入

std::string message;
Recvfrom(sockfd, message);

读取用户对相应服务的输入信息

4.执行用户选择服务

// 根据选择执行相应的方法
auto func = _funcs.find(buffer);
if (func != _funcs.end())
{
    func->second(message);
}
else 
{
    message = "choise the tast not exist";
}

buffer中就是客户选择的服务，直接去func中查询。

5.将数据写回

//将数据写回
Sendto(sockfd, user, message);
close(sockfd);

再将数据写回，再将sockfd写回去。

长连接问题

我们之前写的服务都是长连接（连接之后死循环）。它们之间的连接并不会主动关闭，后续的读写操作会继续使用这个连接。长连接的缺点就是，连接数过多时，影响服务端的性能和并发数量。

所以我们尽量使用短链接的方式，一次连接就完成了。

通常浏览器访问服务器的时候就是短连接。对于服务端来说，长连接会耗费服务端的资源，而且用户用浏览器访问服务端相对而言不是很频繁的如果有几十万，上百万的连接，服务端的压力会非常大，甚至会崩溃。所以对于并发量大，请求频率低的，建议使用短连接。

客户端

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "LogMessage.hpp"

void Usage()
{
    std::cout << "Please enter: ./Client ip port" << std::endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        Usage();
        return 4;
    }
    std::string ip = argv[1];
    uint16_t port = atoi(argv[2]);

    Log lg;
    // 1.创建套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        lg.LogMessage(Error, "create socket error");
        exit(1);
    }
    lg.LogMessage(Normal, "create socket success, socket:%d", sockfd);

    // 2.发起连接
    sockaddr_in addr;
    socklen_t addrlen = sizeof(addr);
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());
    if (connect(sockfd, (sockaddr *)&addr, addrlen) < 0)
    {
        lg.LogMessage(Error, "connect error");
        exit(2);
    }
    lg.LogMessage(Normal, "connect success");

    // 3.先接受有哪些服务
    char temp[128];
    sockaddr_in raddr;
    socklen_t raddrlen = sizeof(addr);
    int n = recvfrom(sockfd, temp, sizeof(temp) - 1, 0, (sockaddr *)&raddr, &raddrlen);
    if (n <= 0)
    {
        std::cout << "recvfrom error" << std::endl;
        exit(3);
    }
    temp[n] = 0;
    std::cout << temp << std::endl;

    // 4.向服务端发送你想要执行的服务
    std::string buffer;
    std::cout << "Please enter# " << std::endl;
    getline(std::cin, buffer);
    sendto(sockfd, buffer.c_str(), buffer.size(), 0, (sockaddr *)&addr, addrlen);

    // 5.为你要执行的服务发送消息
    std::cout << "Please enter you message: " << std::endl;
    getline(std::cin, buffer);
    sendto(sockfd, buffer.c_str(), buffer.size(), 0, (sockaddr *)&addr, addrlen);

    // 6.接受处理后的信息
    raddrlen = sizeof(addr);
    n = recvfrom(sockfd, temp, sizeof(temp) - 1, 0, (sockaddr *)&raddr, &raddrlen);
    if (n > 0)
    {
        temp[n] = 0;
        std::cout << temp << std::endl;
    }

    return 0;
}