🔭个人主页： 北 海
🛜所属专栏： Linux学习之旅、神奇的网络世界
💻操作环境： CentOS 7.6 阿里云远程服务器
文章目录
- 🌤️前言
- 🌦️正文
- TCP网络程序
- 1.字符串回响
- 1.1.核心功能
- 1.2.程序结构
- 服务器
- 1.3.初始化服务器
- 1.4.启动服务器
- 1.4.1.处理连接请求
- 1.4.2.业务处理
- 1.4.3.回调函数
- 1.5.服务器源文件
- 客户端
- 1.6.初始化客户端
- 1.7.启动客户端
- 1.7.1.尝试进行连接
- 1.7.2.业务处理
- 2.多进程版服务器
- 2.1.核心功能
- 2.2.创建子进程
- 2.3.设置非阻塞
- 3.多线程版服务器
- 3.1.核心功能
- 3.2.使用原生线程库
- 3.3.使用线程池
- 4.日志输出
- 4.1.日志的重要性
- 4.2.可变参数
- 4.3.日志器实现
- 4.4.应用于程序中
- 4.5.持久化存储
- 5.守护进程
- 5.1.会话、进程组、进程
- 5.2.守护进程化
- 6.完整代码
- 🌨️总结
🌤️前言
随着数字时代的来临，TCP网络程序已成为程序员不可或缺的技术领域。本博客将带领读者深入研究，从最基础的字符串回响开始，逐步探索至多进程、多线程服务器的高级实践。我们将详细探讨每个环节的核心功能和实现细节，致力于帮助读者深刻理解网络编程的本质。通过系统学习本博客内容，读者将获得构建稳健网络应用的重要技能，更加自信地应对日益复杂的软件开发挑战。这里将为你的编程旅程提供扎实的基础和深远的启示。
🌦️正文
TCP网络程序
接下来实现一批基于 TCP 协议的网络程序
1.字符串回响
1.1.核心功能
字符串回响程序类似于 echo 指令，客户端向服务器发送消息，服务器在收到消息后会将消息发送给客户端，该程序实现起来比较简单，同时能很好的体现 socket 套接字编程的流程
1.2.程序结构
这个程序我们已经基于 UDP 协议实现过了，换成 TCP 协议实现时，程序的结构是没有变化的，同样需要 server.hpp、server.cc、client.hpp、client.cc 这几个文件
创建 server.hpp 服务器头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include "err.hpp" namespace nt_server { const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号 class TcpServer { public: TcpServer(const uint16_t port = default_port) :port_(port) {} ~TcpServer() {} // 初始化服务器 void InitServer() {} // 启动服务器 void StartServer() {} private: int sock_; // 套接字（存疑） uint16_t port_; // 端口号 }; } 注意： 这里的 sock_ 套接字成员后面需要修改
创建 server.cc 服务器源文件
#include
// 智能指针头文件 #include "server.hpp" using namespace std; using namespace nt_server; int main() { unique_ptr usvr (new TcpServer()); usvr->InitServer(); usvr->StartServer(); return 0; } 创建 client.hpp 客户端头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include "err.hpp" namespace nt_client { class TcpClient { public: TcpClient(const std::string& ip, const uint16_t port) :server_ip_(ip), server_port_(port) {} ~TcpClient() {} // 初始化客户端 void InitClient() {} // 启动客户端 void StartClient() {} private: int sock_; // 套接字 std::string server_ip_; // 服务器IP uint16_t server_port_; // 服务器端口号 }; } 创建 client.cc 客户端源文件
#include
#include "client.hpp" using namespace std; using namespace nt_client; void Usage(const char *program) { cout << "Usage:" << endl; cout << "\t" << program << " ServerIP ServerPort" << endl; } int main(int argc, char *argv[]) { if (argc != 3) { // 错误的启动方式，提示错误信息 Usage(argv[0]); return USAGE_ERR; } // 服务器IP与端口号 string ip(argv[1]); uint16_t port = stoi(argv[2]); unique_ptr usvr(new TcpClient(ip, port)); usvr->InitClient(); usvr->StartClient(); return 0; } 同时需要一个 Makefile 文件，用于快速编译和清理可执行程序
创建 Makefile 文件
.PHONY:all all:server client server:server.cc g++ -o $@ $^ -std=c++11 client:client.cc g++ -o $@ $^ -std=c++11 .PHONY:clean clean: rm -rf server client
最后为了方便判断程序错误，可以增加上一篇文章中的 err.hpp 头文件，里面包含错误码与简易错误信息
创建 err.hpp 错误码头文件
#pragma once enum { USAGE_ERR = 1, SOCKET_ERR, BIND_ERR };接下来开始填充代码内容
服务器
1.3.初始化服务器
基于 TCP 协议实现的网络程序也需要 创建套接字、绑定 IP 和端口号
在使用 socket 函数创建套接字时，UDP 协议需要指定参数2为 SOCK_DGRAM，TCP 协议则是指定参数2为 SOCK_STREAM
注：关于 socket、bind、sockaddr 的细节，可以看看这篇文章《网络编程『socket套接字 ‖ 简易UDP网络程序』》
InitServer() 初始化服务器函数 — 位于 server.hpp 服务器头文件中的 TcpServer 类
const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号 // 初始化服务器 void InitServer() { // 1.创建套接字 sock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(sock_ == -1) { std::cerr << "Create Socket Fail!" << strerror(errno) << std::endl; exit(SOCKET_ERR); } std::cout << "Create Socket Success! " << sock_ << std::endl; // 2.绑定IP地址与端口号 struct sockaddr_in local; memset(&local, 0, sizeof(local)); // 清零 local.sin_family = AF_INET; local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任意可用IP地址 local.sin_port = htons(port_); if(bind(listensock_, (const sockaddr*)&local, sizeof(local))) { std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl; exit(BIND_ERR); } // 3.TODO }注意： 在绑定端口号时，一定需要把主机序列转换为网络序列
为什么在绑定端口号阶段需要手动转换为网络序列，而在发送信息阶段则不需要？
这是因为在发送信息阶段，recvfrom / sendto 等函数会自动将需要发送的信息转换为网络序列，接收信息时同样会将其转换为主机序列，所以不需要手动转换
如果使用的 UDP 协议，那么初始化服务器到此就结束了，但我们本文中使用的是 TCP 协议，这是一个 面向连接 的传输层协议，意味着在初始化服务器时，需要设置服务器为 监听 状态
使用到的函数是 listen 函数
#include
/* See NOTES */ #include int listen(int sockfd, int backlog); 参数解读：
- sockfd 通过该套接字进行监听
- backlog 全连接队列最大长度
返回值：监听成功返回 0，失败返回 -1
这里的参数2需要设置一个整数，通常为 16、32、64...，表示 全连接队列 的最大长度，关于 全连接队列 的详细知识放到后续博客中讲解，这里只需要直接使用
server.hpp 服务器头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include #include "err.hpp" namespace nt_server { const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号 const int backlog = 32; // 全连接队列的最大长度 class TcpServer { public: TcpServer(const uint16_t port = default_port) :port_(port) {} ~TcpServer() {} // 初始化服务器 void InitServer() { // 1.创建套接字 sock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(sock_ == -1) { std::cerr << "Create Socket Fail!" << strerror(errno) << std::endl; exit(SOCKET_ERR); } std::cout << "Create Socket Success! " << sock_ << std::endl; // 2.绑定IP地址与端口号 struct sockaddr_in local; memset(&local, 0, sizeof(local)); // 清零 local.sin_family = AF_INET; local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任意可用IP地址 local.sin_port = htons(port_); if(bind(listensock_, (const sockaddr*)&local, sizeof(local))) { std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl; exit(BIND_ERR); } // 3.监听 if(listen(sock_, backlog) == -1) { std::cerr << "Listen Fail!" << strerror(errno) << std::endl; exit(LISTEN_ERR); } std::cout << "Listen Success!" << std::endl; } // 启动服务器 void StartServer() {} private: int sock_; // 套接字（存疑） uint16_t port_; // 端口号 }; } 至此基于 TCP 协议实现的初始化服务器函数就填充完成了，编译并运行服务器，显示初始化服务器成功
1.4.启动服务器
1.4.1.处理连接请求
TCP 是面向连接，当有客户端发起连接请求时，TCP 服务器需要正确识别并尝试进行连接，当连接成功时，与其进行通信，可使用 accept 函数进行连接
#include
/* See NOTES */ #include int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); 参数解读：
- sockfd 服务器用于处理连接请求的 socket 套接字
- addr 客户端的 sockaddr 结构体信息
- addrlen 客户端的 sockaddr 结构体大写
其中 addr 与 addrlen 是一个 输入输出型 参数，类似于 recvfrom 中的参数
返回值：连接成功返回一个用于通信的 socket 套接字（文件描述符），失败返回 -1
这也就意味着之前我们在 TcpServer 中创建的类内成员 sock_ 并非是用于通信，而是专注于处理连接请求，在 TCP 服务器中，这种套接字称为 监听套接字
使用 accept 函数处理连接请求
server.hpp 服务器头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include #include "err.hpp" namespace nt_server { const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号 const int backlog = 32; // 全连接队列的最大长度 class TcpServer { public: TcpServer(const uint16_t port = default_port) :port_(port), quit_(false) {} ~TcpServer() {} // 初始化服务器 void InitServer() { // 1.创建监听套接字 listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(listensock_ == -1) { std::cerr << "Create ListenSocket Fail!" << strerror(errno) << std::endl; exit(SOCKET_ERR); } std::cout << "Create ListenSocket Success! " << listensock_ << std::endl; // 2.绑定IP地址与端口号 struct sockaddr_in local; memset(&local, 0, sizeof(local)); // 清零 local.sin_family = AF_INET; local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任意可用IP地址 local.sin_port = htons(port_); if(bind(listensock_, (const sockaddr*)&local, sizeof(local))) { std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl; exit(BIND_ERR); } // 3.监听 if(listen(listensock_, backlog) == -1) { std::cerr << "Listen Fail!" << strerror(errno) << std::endl; exit(LISTEN_ERR); } std::cout << "Listen Success!" << std::endl; } // 启动服务器 void StartServer() { while(!quit_) { // 1.处理连接请求 struct sockaddr_in client; socklen_t len = sizeof(client); int sock = accept(listensock_, (struct sockaddr*)&client, &len); // 2.如果连接失败，继续尝试连接 if(sock == -1) { std::cerr << "Accept Fail!" << strerror(errno) << std::endl; continue; } // 连接成功，获取客户端信息 std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr); uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port); std::cout << "Server accept " << clientip + "-" << clientport << " " << sock << " from " << listensock_ << " success!" << std::endl; // 3.根据 sock 套接字进行通信 Service(sock, clientip, clientport); } } private: int listensock_; // 监听套接字 uint16_t port_; // 端口号 bool quit_; // 判断服务器是否结束运行 }; } 1.4.2.业务处理
对于 TCP 服务器来说，它是面向字节流传输的，我们之前使用的文件相关操作也是面向字节流，凑巧的是在 Linux 中网络是以挂接在文件系统的方式实现的，种种迹象表明：可以通过文件相关接口进行通信
- read 从文件中读取信息（接收消息）
- write 向文件中写入信息（发送消息）
这两个系统调用的核心参数是 fd（文件描述符），即服务器与客户端在连接成功后，获取到的 socket 套接字，所以接下来可以按文件操作的套路，完成业务处理
Service() 业务处理函数 — 位于 server.hpp 服务器头文件中的 TcpServer 类
// 业务处理 void Service(int sock, const std::string& clientip, const uint16_t& clientport) { char buff[1024]; std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport); while (true) { ssize_t n = read(sock, buff, sizeof(buff) - 1); // 预留 '\0' 的位置 if (n > 0) { // 读取成功 buff[n] = '\0'; std::cout << "Server get: " << buff << " from " << who << std::endl; std::string respond = func_(buff); // 实际业务处理由上层指定 // 发送给服务器 write(sock, buff, strlen(buff)); } else if (n == 0) { // 表示当前读取到文件末尾了，结束读取 std::cout << "Client " << who << " " << sock << " quit!" << std::endl; close(sock); // 关闭文件描述符 break; } else { // 读取出问题（暂时） std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl; close(sock); // 关闭文件描述符 break; } } }1.4.3.回调函数
为了更好的实现功能解耦，这里将真正的业务处理函数交给上层处理，编写完成后传给 TcpServer 对象即可，当然，在 TcpServer 类中需要添加对应的类型
这里设置回调函数的返回值为 string，参数同样为 string
server.hpp 服务器头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include "err.hpp" namespace nt_server { const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号 const int backlog = 32; // 全连接队列的最大长度 using func_t = std::function 服务器头文件准备完成，接下来就是填充 server.cc 服务器源文件
1.5.服务器源文件
对于当前的 TCP 网络程序（字符串回响）来说，业务处理函数逻辑非常简单，无非就是直接将客户端发送过来的消息，重新转发给客户端
server.cc 服务器源文件
#include
// 智能指针头文件 #include #include "server.hpp" using namespace std; using namespace nt_server; // 业务处理回调函数（字符串回响） string echo(string request) { return request; } int main() { unique_ptr usvr (new TcpServer(echo)); // 将回调函数进行传递 usvr->InitServer(); usvr->StartServer(); return 0; } 尝试编译并运行服务器，可以看到当前 bash 已经被我们的服务器程序占用了，重新打开一个终端，并通过 netstat 命令查看网络使用情况（基于 TCP 协议）
netstat -nltp
当前服务确实使用的是 8888 端口，并且采用的是 TCP 协议
客户端
1.6.初始化客户端
对于客户端来说，服务器的 IP 地址与端口号是两个不可或缺的元素，因此在客户端类中，server_ip 和 server_port 这两个成员是少不了的，当然得有 socket 套接字
初始化客户端只需要干一件事：创建套接字，客户端是主动发起连接请求的一方，也就意味着它不需要使用 listen 函数设置为监听状态
注意： 客户端也是需要 bind 绑定的，但不需要自己手动绑定，由操作系统帮我们自动完成
client.hpp 客户端头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include #include #include "err.hpp" namespace nt_client { class TcpClient { public: TcpClient(const std::string& ip, const uint16_t port) :server_ip_(ip), server_port_(port) {} ~TcpClient() {} // 初始化客户端 void InitClient() { // 创建套接字 sock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (sock_ == -1) { std::cerr << "Create Socket Fail!" << strerror(errno) << std::endl; exit(SOCKET_ERR); } std::cout << "Create Sock Succeess! " << sock_ << std::endl; } // 启动客户端 void StartClient() {} private: int sock_; // 套接字 std::string server_ip_; // 服务器IP uint16_t server_port_; // 服务器端口号 }; } 编译并运行客户端，显示 socket 套接字创建成功
1.7.启动客户端
1.7.1.尝试进行连接
因为 TCP 协议是面向连接的，服务器已经处于处理连接请求的状态了，客户端现在需要做的就是尝试进行连接，使用 connect 函数进行连接
#include
/* See NOTES */ #include int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); 参数解读：
- sockfd 需要进行连接的套接字
- addr 服务器的 sockaddr 结构体信息
- addrlen 服务器的 sockaddr 结构体大小
返回值：连接成功返回 0，连接失败返回 -1
在连接过程中，可能遇到很多问题，比如 网络传输失败、服务器未启动 等，这些问题的最终结果都是客户端连接失败，如果按照之前的逻辑（失败就退出），那么客户端的体验感会非常不好，因此在面对连接失败这种常见问题时，客户端应该尝试重连，如果重连数次后仍然失败，才考虑终止进程
注意： 在进行重连时，可以使用 sleep() 等函数使程序睡眠一会，给网络恢复留出时间
StartClient() 启动客户端函数 — 位于 client.hpp 中的 TcpClient 类
// 启动客户端 void StartClient() { // 填充服务器的 sockaddr_in 结构体信息 struct sockaddr_in server; socklen_t len = sizeof(server); memset(&server, 0, len); server.sin_family = AF_INET; inet_aton(server_ip_.c_str(), &server.sin_addr); // 将点分十进制转化为二进制IP地址的另一种方法 server.sin_port = htons(server_port_); // 尝试重连 5 次 int n = 5; while(n) { int ret = connect(sock_, (const struct sockaddr*)&server, len); if(ret == 0) { // 连接成功，可以跳出循环 break; } // 尝试进行重连 std::cerr << "网络异常，正在进行重连... 剩余连接次数: " << --n << std::endl; sleep(1); } // 如果剩余重连次数为 0，证明连接失败 if(n == 0) { std::cerr << "连接失败! " << strerror(errno) << std::endl; close(sock_); exit(CONNECT_ERR); } // 连接成功 std::cout << "连接成功!" << std::endl; // 进行业务处理 // Service(); }当然相应的错误码也得添加
err.hpp 错误码头文件
#pragma once enum { USAGE_ERR = 1, SOCKET_ERR, BIND_ERR, LISTEN_ERR, CONNECT_ERR };现在先不启动服务器，编译并启动客户端，模拟连接失败的情况
如果在数秒之后启动再服务器，可以看到重连成功
这种重连机制在实际中非常常见，出现这种
1.7.2.业务处理
客户端在进行业务处理时，同样可以使用 read 和 write 进行网络通信
Service() 业务处理函数 — 位于 client.hpp 客户端头文件中的 TcpClient 类
// 业务处理 void Service() { char buff[1024]; std::string who = server_ip_ + "-" + std::to_string(server_port_); while(true) { // 由用户输入信息 std::string msg; std::cout << "Please Enter >> "; std::getline(std::cin, msg); // 发送信息给服务器 write(sock_, msg.c_str(), msg.size()); // 接收来自服务器的信息 ssize_t n = read(sock_, buff, sizeof(buff) - 1); if(n > 0) { // 正常通信 buff[n] = '\0'; std::cout << "Client get: " << buff << " from " << who << std::endl; } else if(n == 0) { // 读取到文件末尾（服务器关闭了） std::cout << "Server " << who << " quit!" << std::endl; close(sock_); // 关闭文件描述符 break; } else { // 读取异常 std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl; close(sock_); // 关闭文件描述符 break; } } }至此整个 基于 TCP 协议的字符串回响程序 就完成了，下面来看看效果
可以看到，当客户端向服务器发起连接请求时，服务器可以识别并接受连接，双方建立连接关系后，可以正常进行通信；当客户端主动退出（断开连接），服务器也能感知到，并判断出是谁断开了连接
如果在通信过程中，服务器主动断开了连接，客户端也能感知到
如果我们此时立马重启服务器，会发现短期内无法再次启动服务（显示端口正在被占用），这是由于 TCP 协议断开连接时的特性导致的（正在处于 TIME_WAIT 状态），详细原因将会在后续博客中讲解
2.多进程版服务器
2.1.核心功能
对于之前编写的 字符串回响程序 来说，如果只有一个客户端进行连接并通信，是没有问题的，但如果有多个客户端发起连接请求，并尝试进行通信，服务器是无法应对的
原因在于 服务器是一个单进程版本，处理连接请求 和 业务处理 是串行化执行的，如果想处理下一个连接请求，需要把当前的业务处理完成
具体表现为下面这种情况
为什么客户端B会显示当前已经连接成功？
这是因为是客户端是主动发起连接请求的一方，在请求发出后，如果出现连接错误，客户端就认为已经连接成功了，但实际上服务器还没有处理这个连接请求
这显然是服务器的问题，处理连接请求 与 业务处理 应该交给两个不同的执行流完成，可以使用多进程或者多线程解决，这里先采用多进程的方案
所以当前需要实现的网络程序核心功能为：当服务器成功处理连接请求后，fork 新建一个子进程，用于进行业务处理，原来的进程专注于处理连接请求
2.2.创建子进程
注：当前的版本的修改只涉及 StartServer() 函数
创建子进程使用 fork() 函数，它的返回值含义如下
- ret == 0 表示创建子进程成功，接下来执行子进程的代码
- ret > 0 表示创建子进程成功，接下来执行父进程的代码
- ret < 0 表示创建子进程失败
子进程创建成功后，会继承父进程的文件描述符表，能轻而易举的获取客户端的 socket 套接字，从而进行网络通信
当然不止文件描述符表，得益于 写时拷贝 机制，子进程还会共享父进程的变量，当发生修改行为时，才会自己创建
注意： 当子进程取走客户端的 socket 套接字进行通信后，父进程需要将其关闭（因为它不需要了），避免文件描述符泄漏
StartServer() 服务器启动函数 — 位于 server.hpp 的 TcpServer 类
// 进程创建、等待所需要的头文件 #include
#include #include // 启动服务器 void StartServer() { while (!quit_) { // 1.处理连接请求 struct sockaddr_in client; socklen_t len = sizeof(client); int sock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&client, &len); // 2.如果连接失败，继续尝试连接 if (sock == -1) { std::cerr << "Accept Fail!" << strerror(errno) << std::endl; continue; } // 连接成功，获取客户端信息 std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr); uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port); std::cout << "Server accept " << clientip + "-" << clientport << " " << sock << " from " << listensock_ << " success!" << std::endl; // 3.创建子进程 pid_t id = fork(); if(id < 0) { // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话 close(sock); std::cerr << "Fork Fail!" << std::endl; } else if(id == 0) { // 子进程内 close(listensock_); // 子进程不需要监听（建议关闭） // 执行业务处理函数 Service(sock, clientip, clientport); exit(0); // 子进程退出 } else { // 父进程需要等待子进程 pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0); // 默认为阻塞式等待 if(ret == id) std::cout << "Wait " << id << " success!"; } } } 虽然此时成功创建了子进程，但父进程（处理连接请求）仍然需要等待子进程退出后，才能继续运行，说白了就是 父进程现在处于阻塞等待状态，需要设置为 非阻塞等待
2.3.设置非阻塞
设置父进程为非阻塞的方式有很多，这里来一一列举
方式一：通过参数设置为非阻塞等待（不推荐）
可以直接给 waitpid() 函数的参数3传递 WNOHANG，表示当前为 非阻塞等待
详见 《Linux进程控制【创建、终止、等待】》
pid_t ret = waitpid(id, nullptr, WNOHANG); // 设置为非阻塞式等待
这种方法可行，但不推荐，原因如下：虽然设置成了非阻塞式等待，但父进程终究是需要通过 waitpid() 函数来尝试等待子进程，倘若父进程一直卡在 accept() 函数处，会导致子进程退出后暂时无人收尸，进而导致资源泄漏
方式二：忽略 SIGCHLD 信号（推荐使用）
这是一个子进程在结束后发出的信号，默认动作是什么都不做；父进程需要检测并回收子进程，我们可以直接忽略该信号，这里的忽略是个特例，只是父进程不对其进行处理，转而由 操作系统 对其负责，自动清理资源并进行回收，不会产生 僵尸进程
详见 《Linux进程信号【信号处理】》
直接在 StartServer() 服务器启动函数刚开始时，使用 signal() 函数设置 SIGCHLD 信号的执行动作为 忽略
忽略了该信号后，就不需要父进程等待子进程退出了（由操作系统承担）
#include
// 信号处理相关头文件 // 启动服务器 void StartServer() { // 忽略 SIGCHLD 信号 signal(SIGCHLD, SIG_IGN); while (!quit_) { // ... // 3.创建子进程 pid_t id = fork(); if(id < 0) { // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话 close(sock); std::cerr << "Fork Fail!" << std::endl; } else if(id == 0) { // 子进程内 close(listensock_); // 子进程不需要监听（建议关闭） // 执行业务处理函数 Service(sock, clientip, clientport); exit(0); // 子进程退出 } } } 
强烈推荐使用该方案，因为操作简单，并且没有后患之忧
方式三：设置 SIGCHLD 信号的处理动作为子进程回收（不是很推荐）
当子进程退出并发送该信号时，执行父进程回收子进程的操作
详见 《Linux进程信号【信号处理】》
设置 SIGCHLD 信号的处理动作为 回收子进程后，父进程同样不必再考虑回收子进程的问题
注意： 因为现在处于 TcpServer 类中，handler() 函数需要设置为静态（避免隐含的 this 指针），避免不符合 signal() 函数中信号处理函数的参数要求
#include
// 信号处理相关头文件 // 需要设置为静态 static void handler(int signo) { printf("进程 %d 捕捉到了 %d 号信号\n", getpid(), signo); // 这里的 -1 表示父进程等待时，只要是已经退出了的子进程，都可以进行回收 while (1) { pid_t ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG); if (ret > 0) printf("父进程: %d 已经成功回收了 %d 号进程\n", getpid(), ret); else break; } printf("子进程回收成功\n"); } // 启动服务器 void StartServer() { // 设置 SIGCHLD 信号的处理动作 signal(SIGCHLD, handler); while (!quit_) { // ... // 3.创建子进程 pid_t id = fork(); if(id < 0) { // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话 close(sock); std::cerr << "Fork Fail!" << std::endl; } else if(id == 0) { // 子进程内 close(listensock_); // 子进程不需要监听（建议关闭） // 执行业务处理函数 Service(sock, clientip, clientport); exit(0); // 子进程退出 } } } 
为什么不是很推荐这种方法？因为这种方法实现起来比较麻烦，不如直接忽略 SIGCHLD 信号
方式四：设置孙子进程（不是很推荐）
众所周知，父进程只需要对子进程负责，至于孙子进程交给子进程负责，如果某个子进程的父进程终止运行了，那么它就会变成 孤儿进程，父进程会变成 1 号进程，也就是由操作系统领养，回收进程的重担也交给了操作系统
可以利用该特性，在子进程内部再创建一个子进程（孙子进程），然后子进程退出，父进程可以直接回收（不必阻塞），子进程（孙子进程）的父进程变成 1 号进程
这种实现方法比较巧妙，而且与我们后面即将学到的 守护进程 有关
注意： 使用这种方式时，父进程是需要等待子进程退出的
// 启动服务器 void StartServer() { while (!quit_) { // ... // 3.创建子进程 pid_t id = fork(); if(id < 0) { // 创建子进程失败，暂时不与当前客户端建立通信会话 close(sock); std::cerr << "Fork Fail!" << std::endl; } else if(id == 0) { // 子进程内 close(listensock_); // 子进程不需要监听（建议关闭） // 再创建孙子进程 if(fork() > 0) exit(0); // 子进程退出 // 执行业务处理函数 Service(sock, clientip, clientport); exit(0); // 子进程退出 } else { // 父进程需要等待子进程 pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0); if(ret == id) std::cout << "Wait " << id << " success!"; } } }
这种方法代码也很简单，但依旧不推荐，因为倘若连接请求变多，会导致孤儿进程变多，孤儿进程由操作系统接管，数量变多会给操作系统带来负担
以上就是设置 非阻塞 的四种方式，推荐使用方式二：忽略 SIGCHLD 信号
至此我们的 字符串回响程序 可以支持多客户端了
细节补充：当子进程取走 sock 套接字进行网络通信后，父进程就不需要使用 sock 套接字了，可以将其进行关闭，下次连接时继续使用，避免文件描述符不断增长
StartServer() 服务器启动函数 — 位于 server.hpp 服务器头文件中的 TcpServer 类
// 启动服务器 void StartServer() { // 忽略 SIGCHLD 信号 signal(SIGCHLD, SIG_IGN); while (!quit_) { // 1.处理连接请求 // ... // 2.如果连接失败，继续尝试连接 // ... // 连接成功，获取客户端信息 // ... // 3.创建子进程 // ... close(sock); // 父进程不再需要资源（建议关闭） } }
这个补丁可以减少资源消耗，建议加上，前面是忘记加了，并且不太好修改，server.hpp 服务器头文件完整代码如下
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include // 信号处理相关头文件 #include // 进程等待时需要包含该头文件 #include #include #include #include #include "err.hpp" namespace nt_server { const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号 const int backlog = 32; // 全连接队列的最大长度 using func_t = std::function
3.多线程版服务器
3.1.核心功能
通过多线程，实现支持多客户端同时通信的服务器
核心功能：服务器与客户端成功连接后，创建一个线程，服务于客户端的业务处理
这里先通过 原生线程库 模拟实现
3.2.使用原生线程库
关于 原生线程库 中对于线程的操作可以看看这篇文章《Linux多线程【线程控制】》
线程的回调函数中需要 Service() 业务处理函数中的所有参数，同时也需要具备访问 Service() 业务处理函数的能力，单凭一个 void* 的参数是无法解决的，为此可以创建一个类，里面可以包含我们所需要的参数
ThreadData 类 — 位于 server.hpp 服务器头文件中
// 包含我们所需参数的类型 class ThreadData { public: ThreadData(int sock, const std::string& ip, const uint16_t& port, TcpServer* ptr) :sock_(sock), clientip_(ip), clientport_(port), current_(ptr) {} // 设置为公有是为了方便访问 public: int sock_; std::string clientip_; uint16_t clientport_; TcpServer* current_; // 指向 TcpServer 对象的指针 };接下来就可以考虑如何借助多线程了
线程创建后，需要关闭不必要的 socket 套接字吗？
- 不需要，线程之间是可以共享这些资源的，无需关闭
如何设置主线程不必等待次线程退出？
- 可以把次线程进行分离
所以接下来我们需要在连接成功后，创建次线程，利用已有信息构建 ThreadData 对象，为次线程编写回调函数（最终目的是为了执行 Service() 业务处理函数）
注意： 因为当前在类中，线程的回调函数需要使用 static 设置为静态函数
server.hpp 服务器头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include // 原生线程库 #include #include #include #include #include #include "err.hpp" namespace nt_server { const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号 const int backlog = 32; // 全连接队列的最大长度 using func_t = std::function 因为当前使用了 原生线程库，所以在编译时，需要加上 -lpthread
Makefile 文件
.PHONY:all all:server client server:server.cc g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread client:client.cc g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread .PHONY:clean clean: rm -rf server client
接下来就是编译并运行程序，可以看到 当前只有一个进程，同时有五个线程在运行
使用 原生线程库 过于单薄了，并且这种方式存在问题：连接都准备好了，才创建线程，如果创建线程所需要的资源较多，会拖慢服务器整体连接效率
为此可以改用之前实现的 线程池
3.3.使用线程池
之前在 《Linux多线程【线程池】》一文中实现了多个版本的线程池，这里我们直接使用最终版，也就是 单例模式版线程池
部分组件不需要修改，代码如下：
ThreadPool.hpp 线程池头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include "Task.hpp" #include "Thread.hpp" #include "BlockingQueue.hpp" // CP模型 namespace Yohifo { #define THREAD_NUM 10 template class ThreadPool { private: ThreadPool(int num = THREAD_NUM) :_num(num) { } ~ThreadPool() { // 等待线程退出 for(auto &t : _threads) t.join(); } // 删除拷贝构造 ThreadPool(const ThreadPool &) = delete; public: static ThreadPool * getInstance() { // 双检查 if(_inst == nullptr) { // 加锁 LockGuard lock(&_mtx); if(_inst == nullptr) { // 创建对象 _inst = new ThreadPool (); // 初始化及启动服务 _inst->init(); _inst->start(); } } return _inst; } public: void init() { // 创建一批线程 for(int i = 0; i < _num; i++) _threads.push_back(Thread(i, threadRoutine, this)); } void start() { // 启动线程 for(auto &t : _threads) t.run(); } // 提供给线程的回调函数（已修改返回类型为 void） static void threadRoutine(void *args) { // 避免等待线程，直接剥离 pthread_detach(pthread_self()); auto ptr = static_cast _threads; int _num; // 线程数量 BlockQueue _blockqueue; // 阻塞队列 // 创建静态单例对象指针及互斥锁 static ThreadPool *_inst; static pthread_mutex_t _mtx; }; // 初始化指针 template ThreadPool * ThreadPool ::_inst = nullptr; // 初始化互斥锁 template pthread_mutex_t ThreadPool ::_mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; } Thread.hpp 封装实现的线程库头文件
#pragma once #include
#include #include enum class Status { NEW = 0, // 新建 RUNNING, // 运行中 EXIT // 已退出 }; // 参数、返回值为 void 的函数类型 typedef void (*func_t)(void*); class Thread { public: Thread(int num = 0, func_t func = nullptr, void* args = nullptr) :_tid(0), _status(Status::NEW), _func(func), _args(args) { // 根据编号写入名字 char name[128]; snprintf(name, sizeof name, "thread-%d", num); _name = name; } ~Thread() {} // 获取 ID pthread_t getTID() const { return _tid; } // 获取线程名 std::string getName() const { return _name; } // 获取状态 Status getStatus() const { return _status; } // 回调方法 static void* runHelper(void* args) { Thread* myThis = static_cast BlockingQueue.hpp 生产者消费者模型头文件
#pragma once #include
#include #include #include "LockGuard.hpp" // 命名空间，避免冲突 namespace Yohifo { #define DEF_SIZE 10 template class BlockQueue { public: BlockQueue(size_t cap = DEF_SIZE) :_cap(cap) { // 初始化锁与条件变量 pthread_mutex_init(&_mtx, nullptr); pthread_cond_init(&_pro_cond, nullptr); pthread_cond_init(&_con_cond, nullptr); } ~BlockQueue() { // 销毁锁与条件变量 pthread_mutex_destroy(&_mtx); pthread_cond_destroy(&_pro_cond); pthread_cond_destroy(&_con_cond); } // 生产数据（入队） void Push(const T& inData) { // 加锁（RAII风格） LockGuard lock(&_mtx); // 循环判断条件是否满足 while(IsFull()) { pthread_cond_wait(&_pro_cond, &_mtx); } _queue.push(inData); // 可以加策略唤醒，比如生产一半才唤醒消费者 pthread_cond_signal(&_con_cond); // 自动解锁 } // 消费数据（出队） void Pop(T* outData) { // 加锁（RAII 风格） LockGuard lock(&_mtx); // 循环判读条件是否满足 while(IsEmpty()) { pthread_cond_wait(&_con_cond, &_mtx); } *outData = _queue.front(); _queue.pop(); // 可以加策略唤醒，比如消费完后才唤醒生产者 pthread_cond_signal(&_pro_cond); // 自动解锁 } private: // 判断是否为满 bool IsFull() { return _queue.size() == _cap; } // 判断是否为空 bool IsEmpty() { return _queue.empty(); } private: std::queue _queue; size_t _cap; // 阻塞队列的容量 pthread_mutex_t _mtx; // 互斥锁 pthread_cond_t _pro_cond; // 生产者条件变量 pthread_cond_t _con_cond; // 消费者条件变量 }; } LockGuard.hpp 自动化锁头文件
#pragma once #include
class LockGuard { public: LockGuard(pthread_mutex_t*pmtx) :_pmtx(pmtx) { // 加锁 pthread_mutex_lock(_pmtx); } ~LockGuard() { // 解锁 pthread_mutex_unlock(_pmtx); } private: pthread_mutex_t* _pmtx; }; 现在需要修改 Task.hpp 任务头文件中的 Task 任务类，将其修改为一个服务于 网络通信中业务处理 的任务类（也就是 Service() 业务处理函数）
在 Service() 业务处理函数中，需要包含 socket 套接字、客户端 IP、客户端端口号 等必备信息，除此之外，我们还可以将 可调用对象（Service() 业务处理函数） 作为参数传递给 Task 对象
Task.hpp 任务类
#pragma once #include
#include namespace Yohifo { // Service() 业务处理函数的类型 using cb_t = std::function 准备工作完成后，接下来就是往 server.hpp 服务器头文件中添加组件了
注意：
- 在构建 Task 对象时，需要使用 bind 绑定类内函数，避免参数不匹配
- 当前的线程池是单例模式，在 Task 任务对象构建后，通过线程池操作句柄 push 对象即可
其实也就是在 StartServer.hpp 中增加了这两句代码
// 3.构建任务对象 注意：使用 bind 绑定 this 指针 Yohifo::Task t(sock, clientip, clientport, std::bind(&TcpServer::Service, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_3)); // 4.通过线程池操作句柄，将任务对象 push 进线程池中处理 Yohifo::ThreadPool
完整的服务器代码如下
server.hpp 服务器头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include "err.hpp" #include "ThreadPool.hpp" // 线程池 #include "Task.hpp" // 任务类 namespace nt_server { const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号 const int backlog = 32; // 全连接队列的最大长度 using func_t = std::function 接下来编译并运行程序，当服务器启动后（此时无客户端连接），只有一个线程，这是因为我们当前的 线程池 是基于 懒汉模式 实现的，只有当第一次使用时，才会创建线程
接下来启动客户端，可以看到确实创建了一批次线程（十个）
当然可以支持多客户端同时通信
看似程序已经很完善了，其实隐含着一个大问题：当前线程池中的线程，本质上是在回调一个 while(true) 死循环函数，当连接的客户端大于线程池中的最大线程数时，会导致所有线程始终处于满负载状态，直接影响就是连接成功后，无法再创建通信会话（倘若客户端不断开连接，线程池中的线程就无力处理其他客户端的会话）
说白了就是 线程池 比较适合用于处理短任务，对于当前的场景来说，线程池 不适合建立持久通信会话，应该将其用于处理 read 读取、write 写入 任务
如果想解决这个问题，有两个方向：Service() 函数中支持一次 [收 / 发]，或者多线程+线程池，多线程用于构建通信会话，线程池则用于处理 [收 / 发] 任务
前者实现起来比较简单，无非就是把 Service() 业务处理函数中的 while(true) 循环去掉
Service() 业务处理函数
// 业务处理 void Service(int sock, const std::string &clientip, const uint16_t &clientport) { char buff[1024]; std::string who = clientip + "-" + std::to_string(clientport); ssize_t n = read(sock, buff, sizeof(buff) - 1); // 预留 '\0' 的位置 if (n > 0) { // 读取成功 buff[n] = '\0'; std::cout << "Server get: " << buff << " from " << who << std::endl; std::string respond = func_(buff); // 实际业务处理由上层指定 // 发送给服务器 write(sock, buff, strlen(buff)); } else if (n == 0) { // 表示当前读取到文件末尾了，结束读取 std::cout << "Client " << who << " " << sock << " quit!" << std::endl; close(sock); // 关闭文件描述符 } else { // 读取出问题（暂时） std::cerr << "Read Fail!" << strerror(errno) << std::endl; close(sock); // 关闭文件描述符 } }至于后者就比较麻烦了，需要结合 高级IO 相关知识，这里不再阐述
4.日志输出
4.1.日志的重要性
在之前的编程经历中，如果我们的程序运行出现了问题，都是通过 标准输出 或 标准错误 将 错误信息 直接输出到屏幕上，debug 阶段这样使用没啥问题，但如果出错的是一个不断在运行中的服务，那问题就大了，因为服务器是不间断运行中，直接将 错误信息 输出到屏幕上，会导致错误排查变得极为困难
将各种 错误信息 组织管理，就形成了日志，日志有属于自己的格式（包括时间、文件名及行号、错误等级等），利于排查问题
所以接下来我们将会实现一个简易版日志器，用于定向输出我们的日志信息
4.2.可变参数
日志需要我们指定格式并输出，依赖于可变参数
在编写简易版日志器之前，需要先认识一下 C语言 中有关可变参数的使用，主要包括这几个 宏
#include
va_list // 指向可变参数列表的指针 va_start() // 将指针指向起始地址 va_arg() // 根据类型，提取可变参数列表中的参数 va_end() // 将指针置为空 关于 可变参数 更多知识详见 《【C语言】可变参数列表》
比如我们可以通过 可变参数 实现参数遍历
#include
#include void foreach(int format, ...) { va_list p; va_start(p, format); // 接下来就是获取其中的每一个参数 for(int i = 0; i < format; i++) printf("%d ", va_arg(p, int)); printf("\n"); // 置空 va_end(p); } int main() { foreach(5, 1,2,3,4,5); return 0; } 这种依靠自己动手的方法比较麻烦，我们也可以借助标准库提供的 vsnprintf() 函数进行参数解析
4.3.日志器实现
日志是有等级的，一般分为五级：
- Debug 用于调试
- Info 提示信息
- Warning 警告
- Errorr 错误
- Fatal 致命错误
错误等级越高，代表影响越大
当然难免有不明确的错误，可以再添加一级：UnKnow 未知错误
// 日志等级 enum { Debug = 0, Info, Warning, Error, Fatal }; string getLevel(int level) { vectorvs = {" ", " ", " ", " ", " ", " "}; //避免非法情况 if(level < 0 || level >= vs.size() - 1) return vs[vs.size() - 1]; return vs[level]; } 接下来是获取时间信息，可以通过 time() 函数获取当前时间戳，然后再利用 localtime() 函数构建 struct tm 结构体对象，这个对象会将时间戳解析成 年月日 时分秒 等详细信息，直接获取即可
strcut tm 结构体的信息如下，细节：年份已经 -1900 了，使用时需要加上 1900；月份从 0 开始，使用时需要 +1
/* Used by other time functions. */ struct tm { int tm_sec; /* Seconds. [0-60] (1 leap second) */ int tm_min; /* Minutes. [0-59] */ int tm_hour; /* Hours. [0-23] */ int tm_mday; /* Day. [1-31] */ int tm_mon; /* Month. [0-11] */ int tm_year; /* Year - 1900. */ int tm_wday; /* Day of week. [0-6] */ int tm_yday; /* Days in year.[0-365] */ int tm_isdst; /* DST. [-1/0/1]*/ # ifdef __USE_BSD long int tm_gmtoff; /* Seconds east of UTC. */ const char *tm_zone; /* Timezone abbreviation. */ # else long int __tm_gmtoff; /* Seconds east of UTC. */ const char *__tm_zone; /* Timezone abbreviation. */ # endif };可以这样获取当前时间
// 获取当前时间 string getTime() { time_t t = time(nullptr); //获取时间戳 struct tm *st = localtime(&t); //获取时间相关的结构体 char buff[128]; snprintf(buff, sizeof(buff), "%d-%d-%d %d:%d:%d", st->tm_year + 1900, st->tm_mon + 1, st->tm_mday, st->tm_hour, st->tm_min, st->tm_sec); return buff; }接下来就是获取进程 PID，这个简单，直接使用 getpid() 函数获取即可，最后是解析参数，需要用到 vsnprintf() 函数，只要传入缓冲区和 va_list 指针，该函数就可以自动解析出参数，并存入缓冲区中
void logMessage(int level, const char* format, ...) { //截获主体消息 char msgbuff[1024]; va_list p; va_start(p, format); //将 p 定位至 format 的起始位置 vsnprintf(msgbuff, sizeof(msgbuff), format, p); //自动根据格式进行读取 va_end(p); }接下来就是将 日志等级 时间 PID 与 参数 进行拼接，形成日志
log.hpp 日志头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include #include using namespace std; enum { Debug = 0, Info, Warning, Error, Fatal }; string getLevel(int level) { vector vs = {" ", " ", " ", " ", " ", " "}; //避免非法情况 if(level < 0 || level >= vs.size() - 1) return vs[vs.size() - 1]; return vs[level]; } string getTime() { time_t t = time(nullptr); //获取时间戳 struct tm *st = localtime(&t); //获取时间相关的结构体 char buff[128]; snprintf(buff, sizeof(buff), "%d-%d-%d %d:%d:%d", st->tm_year + 1900, st->tm_mon + 1, st->tm_mday, st->tm_hour, st->tm_min, st->tm_sec); return buff; } //处理信息 void logMessage(int level, const char* format, ...) { //日志格式：<日志等级> [时间] [PID] {消息体} string logmsg = getLevel(level); //获取日志等级 logmsg += " " + getTime(); //获取时间 logmsg += " [" + to_string(getpid()) + "]"; //获取进程PID //截获主体消息 char msgbuff[1024]; va_list p; va_start(p, format); //将 p 定位至 format 的起始位置 vsnprintf(msgbuff, sizeof(msgbuff), format, p); //自动根据格式进行读取 va_end(p); logmsg += " {" + string(msgbuff) + "}"; //获取主体消息 printf("%s\n", logmsg); } 为什么日志消息最后还是向屏幕输出？这样组织日志消息的好处是什么？
因为现在还在测试阶段，等测试完成后，可以将日志消息存入文件中，做到持久化存储；至于统一组织的好处不言而喻，能够确保每条日志消息都包含必要信息，便于排查错误
简单测试的效果如下
4.4.应用于程序中
接下来可以包含 log.hpp 这个日志器头文件，并进行日志输出了，比如先将 client.hpp 客户端头文件中的错误信息日志化（代码少一些，比较好改）
client.hpp 客户端头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include #include #include #include "err.hpp" #include "log.hpp" namespace nt_client { class TcpClient { public: TcpClient(const std::string& ip, const uint16_t port) :server_ip_(ip), server_port_(port) {} ~TcpClient() {} // 初始化客户端 void InitClient() { // 创建套接字 sock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (sock_ == -1) { logMessage(Fatal, "Create Socket Fail! %s", strerror(errno)); exit(SOCKET_ERR); } logMessage(Debug, "Create Sock Succeess! %d", sock_); } // 启动客户端 void StartClient() { // 填充服务器的 sockaddr_in 结构体信息 struct sockaddr_in server; socklen_t len = sizeof(server); memset(&server, 0, len); server.sin_family = AF_INET; inet_aton(server_ip_.c_str(), &server.sin_addr); // 将点分十进制转化为二进制IP地址的另一种方法 server.sin_port = htons(server_port_); // 尝试重连 5 次 int n = 5; while(n) { int ret = connect(sock_, (const struct sockaddr*)&server, len); if(ret == 0) { // 连接成功，可以跳出循环 break; } // 尝试进行重连 logMessage(Warning, "网络异常，正在进行重连... 剩余连接次数: %d", --n); sleep(1); } // 如果剩余重连次数为 0，证明连接失败 if(n == 0) { logMessage(Fatal, "连接失败! %s", strerror(errno)); close(sock_); exit(CONNECT_ERR); } // 连接成功 logMessage(Info, "连接成功!"); // 进行业务处理 Service(); } // 业务处理 void Service() { char buff[1024]; std::string who = server_ip_ + "-" + std::to_string(server_port_); while(true) { // 由用户输入信息 std::string msg; std::cout << "Please Enter >> "; std::getline(std::cin, msg); // 发送信息给服务器 write(sock_, msg.c_str(), msg.size()); // 接收来自服务器的信息 ssize_t n = read(sock_, buff, sizeof(buff) - 1); if(n > 0) { // 正常通信 buff[n] = '\0'; std::cout << "Client get: " << buff << " from " << who << std::endl; } else if(n == 0) { // 读取到文件末尾（服务器关闭了） logMessage(Error, "Server %s quit! %s", who.c_str(), strerror(errno)); close(sock_); // 关闭文件描述符 break; } else { // 读取异常 logMessage(Error, "Read Fail! %s", strerror(errno)); close(sock_); // 关闭文件描述符 break; } } } private: int sock_; // 套接字 std::string server_ip_; // 服务器IP uint16_t server_port_; // 服务器端口号 }; } 效果就是这个样子，至于代码中其他输出错误的地方，都可以采用 简易版日志器 进行统一输出
改造完成的程序长这个样子
4.5.持久化存储
所谓持久化存储就是将日志消息输出至文件中，修改 log.hpp 中的代码即可
- 指定日志文件存放路径
- 打开文件，将日志消息追加至文件中
注意： 当前的改动中并未涉及目录创建，所以需要手动创建相关目录
log.hpp 日志头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include #include using namespace std; enum { Debug = 0, Info, Warning, Error, Fatal }; static const string file_name = "log/TcpServer.log"; string getLevel(int level) { vector vs = {" ", " ", " ", " ", " ", " "}; //避免非法情况 if(level < 0 || level >= vs.size() - 1) return vs[vs.size() - 1]; return vs[level]; } string getTime() { time_t t = time(nullptr); //获取时间戳 struct tm *st = localtime(&t); //获取时间相关的结构体 char buff[128]; snprintf(buff, sizeof(buff), "%d-%d-%d %d:%d:%d", st->tm_year + 1900, st->tm_mon + 1, st->tm_mday, st->tm_hour, st->tm_min, st->tm_sec); return buff; } //处理信息 void logMessage(int level, const char* format, ...) { //日志格式：<日志等级> [时间] [PID] {消息体} string logmsg = getLevel(level); //获取日志等级 logmsg += " " + getTime(); //获取时间 logmsg += " [" + to_string(getpid()) + "]"; //获取进程PID //截获主体消息 char msgbuff[1024]; va_list p; va_start(p, format); //将 p 定位至 format 的起始位置 vsnprintf(msgbuff, sizeof(msgbuff), format, p); //自动根据格式进行读取 va_end(p); logmsg += " {" + string(msgbuff) + "}"; //获取主体消息 //持久化。写入文件中 FILE* fp = fopen(file_name.c_str(), "a"); //以追加的方式写入 if(fp == nullptr) return; //不太可能出错 fprintf(fp, "%s\n", logmsg.c_str()); fflush(fp); //手动刷新一下 fclose(fp); fp = nullptr; } 
5.守护进程
5.1.会话、进程组、进程
接下来进入本文中的最后一个小节： 守护进程
守护进程 的意思就是让进程不间断的在后台运行，即便是 bash 关闭了，也能照旧运行。守护进程 就是现实生活中的服务器，因为服务器是需要 24H 不间断运行的
当前我们的程序在启动后属于 前台进程，前台进程 是由 bash 进程替换而来的，因此会导致 bash 暂时无法使用
如果在启动程序时，带上 & 符号，程序就会变成 后台进程，后台进程 并不会与 bash 进程冲突，bash 仍然可以使用
后台进程 也可以实现服务器不间断运行，但问题在于 如果当前 bash 关闭了，那么运行中的后台进程也会被关闭，最好的解决方案是使用 守护进程
在正式学习 守护进程 之前，需要先了解一组概念：会话、进程组、进程
分别运行一批 前台、后台进程，并通过指令查看进程运行情况
sleep 1000 | sleep 2000 | sleep 3000 & sleep 100 | sleep 200 | sleep 300 ps -ajx | head -1 && ps -ajx | grep sleep | grep -v grep
其中 会话 <-> SID、进程组 <-> PGID、进程 <-> PID，显然，sleep 1000、2000、3000 处于同一个管道中（有血缘关系），属于同一个 进程组，所以他们的 PGID 都是一样的，都是 4261；至于 sleep 100、200、300 属于另一个 进程组，PGID 为 4308；再仔细观察可以发现 每一组的进程组 PGID 都与当前组中第一个被创建的进程 PID 一致，这个进程被称为 组长进程
会话 >= 进程组 >= 进程
无论是 后台进程 还是 前台进程，都是从同一个 bash 中启动的，所以它们处于同一个 会话 中，SID 都是 1939，并且关联的 终端文件 TTY 都是 pts/1
Linux 中一切皆文件，终端文件也是如此，这里的终端其实就是当前 bash 输出结果时使用的文件（也就是屏幕），终端文件位于 dev/pts 目录下，如果向指定终端文件中写入数据，那么对方也可以直接收到
(关联终端文件说白了就是打开了文件，一方写，一方读，不就是管道吗)
根据当前的 会话 SID 查找目标进程，发现这玩意就是 bash 进程，bash 进程本质上就是一个不断运行中的 前台进程，并且自成 进程组
在同一个 bash 中启动前台、后台进程，它们的 SID 都是一样的，属于同一个 会话，关联了同一个 终端 （SID 其实就是 bash 的 PID）
我们使用 XShell 等工具登录 Linux 服务器时，会在服务器中创建一个 会话（bash），可以在该会话内创建 进程，当 进程 间有关系时，构成一个 进程组，组长 进程的 PID 就是该 进程组 的 PGID
Linux 中的登录操作实际上就是创建了一个会话，Windows 中也是如此，当你的 Windows 变卡时，可以使用 [注销] 按钮结束整个会话，重新登录，电脑就会流畅如初
在同一个会话中，只允许一个前台进程在运行，默认是 bash，如果其他进程运行了，bash 就会变成后台进程（暂时无法使用），让出前台进程这个位置（后台进程与前台进程之前是可以进程切换）
如何将一个 后台进程 变成 前台进程？
首先通过指令查看当前 会话 中正在运行的 后台进程，获取 任务号
jobs
接下来通过 任务号 将 后台进程 变成 前台进程，此时 bash 就无法使用了
fg 1
那如何将 前台进程 变成 后台进程 ？
首先是通过 ctrl + z 发送 19 号 SIGSTOP 信号，暂停正在运行中的 前台进程
键盘输入 ctrl + z
然后通过 任务号，可以把暂停中的进程变成 后台进程
bg 1
5.2.守护进程化
一般网络服务器为了不受到用户登录重启的影响，会以 守护进程 的形式运行，有了上面那一批前置知识后，就可以很好的理解 守护进程 的本质了
守护进程：进程单独成一个会话，并且以后台进程的形式运行
说白了就是让服务器不间断运行，可以直接使用 daemon() 函数完成 守护进程化
#include
int daemon(int nochdir, int noclose); 参数解读：
- nochdir 改变进程的工作路径
- noclose 重定向标准输入、标准输出、标准错误
返回值：成功返回 0，失败返回 -1
一般情况下，daemon() 函数的两个参数都只需要传递 0，默认工作在 / 路径下，默认重定向至 /dev/null
/dev/null 就像是一个 黑洞，可以把所有数据都丢入其中，相当于丢弃数据
使用 damon() 函数使之前的server.cc 守护进程化
server.cc 服务器源文件
#include
// 智能指针头文件 #include #include #include "server.hpp" using namespace std; using namespace nt_server; // 业务处理回调函数（字符串回响） string echo(string request) { return request; } int main() { // 直接守护进程化 daemon(0, 0); unique_ptr usvr (new TcpServer(echo)); // 将回调函数进行传递 usvr->InitServer(); usvr->StartServer(); return 0; } 现在服务器启动后，会自动变成 后台进程，并且自成一个 新会话，归操作系统管（守护进程 本质上是一种比较坚强的 孤儿进程）
注意： 现在标准输出、标准错误都被重定向至 /dev/null 中了，之前向屏幕输出的数据，现在都会直接被丢弃，如果想保存数据，可以选择使用日志
如果想终止 守护进程，需要通过 kill pid 杀死目标进程
使用系统提供的接口一键 守护进程化 固然方便，不过大多数程序员都会选择手动 守护进程化（可以根据自己的需求定制操作）
原理是 使用 setsid() 函数新设一个会话，谁调用，会话 SID 就是谁的，成为一个新的会话后，不会被之前的会话影响
#include
pid_t setsid(void); 返回值：成功返回该进程的 pid，失败返回 -1
注意： 调用该函数的进程，不能是组长进程，需要创建子进程后调用
手动实现守护进程时需要注意以下几点：
- 忽略异常信号
- 0、1、2 要做特殊处理（文件描述符）
- 进程的工作路径可能要改变（从用户目录中脱离至根目录）
具体实现步骤如下：
1、忽略常见的异常信号：SIGPIPE、SIGCHLD
2、如何保证自己不是组长？ 创建子进程 ，成功后父进程退出，子进程变成守护进程
3、新建会话，自己成为会话的 话首进程
4、（可选）更改守护进程的工作路径：chdir
5、处理后续对于 0、1、2 的问题
对于 标准输入、标准输出、标准错误 的处理方式有两种
暴力处理：直接关闭 fd
优雅处理：将 fd 重定向至 /dev/null，也就是 daemon() 函数的做法
这里我们选择后者，守护进程 的函数实现如下
Daemon.hpp 守护进程头文件
#pragma once #include
#include #include #include #include #include #include #include #include "err.hpp" #include "log.hpp" static const char *path = "/home/Yohifo"; void Daemon() { // 1、忽略常见信号 signal(SIGPIPE, SIG_IGN); signal(SIGCHLD, SIG_IGN); // 2、创建子进程，自己退休 pid_t id = fork(); if (id > 0) exit(0); else if (id < 0) { // 子进程创建失败 logMessage(Error, "Fork Fail: %s", strerror(errno)); exit(FORK_ERR); } // 3、新建会话，使自己成为一个单独的组 pid_t ret = setsid(); if (ret == -1) { // 守护化失败 logMessage(Error, "Setsid Fail: %s", strerror(errno)); exit(SETSID_ERR); } // 4、更改工作路径 int n = chdir(path); if (n == -1) { // 更改路径失败 logMessage(Error, "Chdir Fail: %s", strerror(errno)); exit(CHDIR_ERR); } // 5、重定向标准输入输出错误 int fd = open("/dev/null", O_RDWR); if (fd == -1) { // 文件打开失败 logMessage(Error, "Open Fail: %s", strerror(errno)); exit(OPEN_ERR); } // 重定向标准输入、标准输出、标准错误 dup2(fd, 0); dup2(fd, 1); dup2(fd, 2); close(fd); } 当然相应的错误码也需要更新
err.hpp 错误码头文件
#pragma once enum { USAGE_ERR = 1, SOCKET_ERR, BIND_ERR, LISTEN_ERR, CONNECT_ERR, FORK_ERR, SETSID_ERR, CHDIR_ERR, OPEN_ERR };接下来就是在服务启动成功后，将其 守护进程化
StartServer() 服务器启动函数 — 位于 server.hpp 服务器头文件中的 TcpServer 类
#include "myDaemon.hpp" // 启动服务器 void StartServer() { // 守护进程化 Daemon(); // ... }现在服务器在启动后，会自动新建会话，以 守护进程 的形式运行
关于 inet_ntoa 函数的返回值（该函数的作用是将四字节的 IP 地址转化为点分十进制的 IP 地址）
inet_ntoa 返回值为 char*，转化后的 IP 地址存储在静态区，二次调用会覆盖上一次的结果，多线程场景中不是线程安全的
- 不过在 CentOS 7 及更高版本中，接口进行了更新，新增了互斥锁，多线程场景中测试没问题
6.完整代码
下面是不同版本服务器的完整代码
「朴素版，支持单客户端连接」
「多进程版，支持多客户端连接」
「多线程版（原生线程库），支持多客户端连接」
「多线程版（线程池），支持多客户端连接」
「日志版，支持简易日志输出」
「守护进程版，支持服务部署」
🌨️总结
以上是关于『简易TCP网络程序』的全部内容，作为上一篇博客的延伸，本文重新实现了字符串回响网络程序，基于TCP协议逐步改造并引入多进程、多线程、线程池、日志输出、守护进程等技术。这使得网络程序更为成熟，为后续网络和高级IO的学习提供了有力支持。同时，对套接字编程的重要性也得到了充分体现。希望本文能为读者在网络编程领域的深入学习提供实质性帮助。
相关文章推荐 网络编程『socket套接字 ‖ 简易UDP网络程序』 网络基础『发展 ‖ 协议 ‖ 传输 ‖ 地址』
- 可以把次线程进行分离
- 不需要，线程之间是可以共享这些资源的，无需关闭
猜你喜欢
网友评论
- 搜索
- 最新文章
- 热门文章