Linux操作系统下实现多线程客户/服务器

 

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 ); 
} 
}