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【网络编程】一请求一线程

news 2025/8/8 5:29:02

一、前言

使用 C 语言实现多线程 TCP 服务器，通过调用 pthread_create() 为每个客户端连接创建一个独立线程，完成回显服务（Echo Server）。通信模型采用 一请求一线程（One-Connection-One-Thread） 的方式。

二、TCP套接字流程概览

TCP 是面向连接的协议，在客户端和服务端之间建立可靠的双向通信。基本通信流程如下：

服务端流程

  1. 创建套接字 socket()
  2. 绑定地址和端口 bind()
  3. 监听连接请求 listen()
  4. 接收连接 accept()
  5. 收发数据 recv()/send()
  6. 关闭连接 close()

客户端流程

  1. 创建 socket；
  2. 连接服务器 connect()；
  3. 数据交互；
  4. 关闭连接。

三、一请求一线程模型

3.1 流程

使用 pthread 创建线程，具体策略：

  • 主线程执行 accept()；
  • 每接收一个客户端连接，就创建一个新线程；
  • 线程内持续使用 recv() 接收数据；
  • 回显数据给客户端，再次循环；
  • 客户端断开连接时，线程关闭该 fd 并结束。

3.2 优缺点

优点：

  1. 结构简单、逻辑清晰
  • 每来一个客户端就 accept()，然后创建一个新线程去处理；
  • 每个线程只管自己的连接，代码非常直观；
  • 不用考虑连接复用、事件回调；
  • 哪个客户端出了问题，对应线程查日志就行，不会影响其他线程。
  • 用 recv() 阻塞接收数据，不用处理 EAGAIN 等非阻塞复杂情况；
  1. 适合连接不多的项目

缺点（不适合高并发）

  1. 线程多 → 系统资源占用高
  • 每个线程都占内存（默认栈大小通常是 1MB）；
  • 线程多了容易吃光内存或系统线程数达到上限。
  1. 线程切换开销大
  • 系统频繁在线程之间切换，会占用 CPU；
  • 实际跑业务的时间变少，性能变差。
  1. 没有线程复用，效率低
  • 每个客户端都创建线程，用完就销毁，系统一直在创建+销毁，浪费资源；
  • 没有线程池这种“复用线程”的优化。
  1. 线程退出不处理可能会资源泄漏
  • 如果不写 pthread_detach() 或 pthread_join()；
  • 线程退出后资源不会被系统清理 → 僵尸线程越来越多。
  1. 不适合高并发（上千连接）
  • 比如聊天室、游戏服务器、网关代理等，一旦连接多了就会卡或崩。

四、完整代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>// 客户端处理线程函数：收发数据
void *client_thread(void *arg) {int clientfd = *(int *)arg;  // 获取客户端连接的 socketwhile (1) {char buffer[1024] = {0};int count = recv(clientfd, buffer, sizeof(buffer), 0);if (count == -1) {perror("recv");// return -1;} else if (count == 0) {printf("Client disconnected\n");break;} send(clientfd, buffer, count, 0);printf("Received %d bytes: %s\n", count, buffer);}close(clientfd);
}int main() {// 1. 创建 socket（监听套接字）int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 2. 配置服务器地址结构struct sockaddr_in serveraddr;memset(&serveraddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));serveraddr.sin_family = AF_INET;serveraddr.sin_port = htons(8888);  // 端口号serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 绑定到所有可用的接口// 3. 绑定地址和端口int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));if (ret == -1) {perror("bind");return -1;}// 4. 开始监听（最大等待队列长度为10）ret = listen(sockfd, 10);if (ret == -1) {perror("listen");return -1;}// 5. 循环接收客户端连接while (1) {struct sockaddr_in clientaddr;socklen_t len = sizeof(clientaddr);int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &len);if (clientfd == -1) {perror("accept");return -1;}// 6. 创建线程处理客户端连接pthread_t thid;pthread_create(&thid, NULL, client_thread, &clientfd);}return 0;
}

五、要点总结

1. IO、fd、socket

  • IO（Input/Output）：输入输出的统称，程序通过 IO 与外部世界（比如文件、网络）进行数据交互。

    • 在网络编程中，IO 通常指的是“网络数据的读写操作”。

  • fd（file descriptor，文件描述符）：

    • 是一个非负整数；
    • 操作系统用于标识打开的文件、网络连接等资源；
    • 所有IO操作（包括网络IO）都是基于fd进行的。

  • socket 是一种特殊的文件描述符，用于网络通信。

    • 本质上：socket = 一种用于网络通信的 fd。

  • 在口语中，fd / IO / socket 往往会混着说，语境不同但常指同一件事。

2. 为什么要清零？

memset(&serveraddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));

struct sockaddr_in serveraddr = {0};
  • 避免脏数据：若未初始化，结构体可能包含随机值，导致网络编程中出现不可预期的错误（如连接失败、绑定错误等）。

3. 调用 accept() 函数时，必须通过指针传递 len 变量

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

struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t len = sizeof(clientaddr);
int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &len);
  • 传入 &len：让 accept() 知道客户端地址缓冲区的初始大小（即 clientaddr 的大小）；
  • 接受返回值：accept() 可能会将 len 修改为实际填充的地址长度；
  • 这种设计可以兼容 IPv4 和 IPv6 等不同地址结构；
  • 防止地址溢出或截断，确保程序安全。
  • 这种设计允许 accept() 适应不同类型的地址结构（如 IPv4、IPv6），如果客户端使用 IPv6 连接，而服务器分配的是 IPv4 结构，accept() 会将 len 设置为实际使用的长度（可能小于或大于初始值），避免缓冲区溢出。

4. TCP三次握手建立连接不需要代码显式参与

  • TCP三次握手（SYN→SYN+ACK→ACK）由操作系统内核的TCP/IP协议栈自动完成，应用层代码只需通过套接字API进行抽象操作。
  • 服务器通过listen()准备接收连接，accept()阻塞等待握手完成；客户端通过connect()触发握手。握手成功后，accept()返回新的套接字描述符（服务器）或connect()返回0（客户端）。
  • 应用层无需直接编写处理SYN、SYN+ACK、ACK包的代码。

5. 出现大量TIME_WAIT

TIME_WAIT 是 TCP 连接正常关闭后，客户端/服务器端保持连接一段时间（默认 60 秒以上）来确保数据完整关闭的状态。

  • TCP 四次挥手的最后一步，主动关闭连接的一方进入 TIME_WAIT。
  • 它会持续一段时间（通常是 2 倍的最大报文生存时间，Linux默认 60 秒或更长）。
  • 它的作用是：
    • 确保最后一个 ACK 能被对方收到；
    • 防止旧连接的数据混入新连接（连接复用时端口相同）。

常见场景：

  • HTTP 请求频繁（短连接）；
  • 服务器不断接受短连接（如聊天、爬虫）；
  • 自己写的 socket 客户端/服务端每次 connect -> close 都触发。

大量出现：

  • 端口资源会被占满（端口号 + TIME_WAIT = 不可复用）；
  • 内核需要维护大量连接状态，影响性能；
  • 新连接会被拒绝或超时。

6. 出现CLOSE_WAIT

当对方关闭连接（发送 FIN）后你收到了，但你没有关闭自己的 socket，就会进入 CLOSE_WAIT 状态。

  • 表示自己接收到了对方断开连接的请求；
  • 但程序未及时调用 close() 关闭该 socket；
  • 连接会卡在 CLOSE_WAIT 状态不释放资源。

7. fd 和 TCP 连接的回收

  1. 什么时候 fd 会被回收？
    • 当调用 close(fd) 的时候，fd 就被“归还”给系统，可以被下一个 socket 复用。
  2. TCP 连接什么时候断？
    • TCP 是网络层的事，fd 是操作系统的事，两者回收机制不同步。
    • close(fd) 只是关闭了 fd，但底层的 TCP 连接可能仍处于 TIME_WAIT 状态。
  3. 分层解释
概念属于哪一层回收时机
fd文件系统调用 close() 后立即回收
TCP连接（状态）网络协议栈（内核）等待状态机完成（如TIME_WAIT）

8. 命令 netstat -anop | grep 8888

  • 用于查看当前系统上所有连接的状态；
  • 过滤出与端口 8888 有关的连接；
  • 可以看到每个连接的状态（如 ESTABLISHED、TIME_WAIT、CLOSE_WAIT）；
  • -o 还可以显示每个连接对应的 PID，方便定位问题进程。

9. fd 回收机制（延伸理解）

  • **fd 是 int 类型，通常从 3 开始分配（0=stdin，1=stdout，2=stderr）；
  • 每次 socket()、open() 等调用都会分配新的 fd；
  • close(fd) 后，fd 会被系统回收，并在后续优先重用（越早释放越早被重用）；
  • 如果短时间内连接大量断开又快速建立，容易出现 fd 被重复复用（比如第 4 个客户端连接得到的 fd 是前一个断开的 fd）；
  • 底层 TCP 状态仍处于 TIME_WAIT，但 fd 已换人使用，这就是 fd 和 TCP 的不同步表现。

10. 查看和修改系统最大 fd 限制

ulimit -n
  • 表示系统允许的最大打开文件描述符数（fd 数）；
  • 默认可能是 1024，可以通过配置提升（对高并发服务）；
  • 太小会导致连接建立失败、accept 报错等问题。
http://www.lryc.cn/news/612664.html

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