TCP服务器的演变过程：多进程实现一对多的TCP服务器

一、前言

手把手教你从0开始编写TCP服务器程序，体验开局一块砖，大厦全靠垒。

为了避免篇幅过长使读者感到乏味，对【TCP服务器的开发】进行分阶段实现，一步步进行优化升级。本节在上一章节的基础上，改为多进程方式实现TCP服务器，为每个新接入的客户端分配进程，实现一个服务器程序处理多个客户端连接。主要目的是比较不同方式的利弊关系。

二、新增使用的fork()函数

函数原型：

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

fork（）通过复制调用进程来创建一个新进程。新进程被称为子进程。调用进程被称为父进程。

子进程和父进程在单独的内存空间中运行。在执行fork（）时，两个内存空间都具有相同的内容。其中一个进程执行的内存写入、文件映射（mmap）和取消映射（munmap），不会影响另一个进程。

返回值：

• 返回0，代表子进程。
• 返回非零，代表是父进程。

三、实现步骤

使用多进程方案，来一个连接请求则克隆一个子进程。

（1）创建socket。

int listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(listenfd==-1){
    printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
    return SOCKET_CREATE_FAILED;
}

（2）绑定地址。

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

server.sin_family=AF_INET;
server.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
server.sin_port=htons(LISTEN_PORT);

if(-1==bind(listenfd,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))){
    printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
    close(listenfd);
    return SOCKET_BIND_FAILED;
}

（3）设置监听。

if(-1==listen(listenfd,BLOCK_SIZE)){
   printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
   close(listenfd);
   return SOCKET_LISTEN_FAILED;
}

（4）接收连接。

struct sockaddr_in client;
memset(&client,0,sizeof(client));
socklen_t len=sizeof(client);
    
int clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
if(clientfd==-1){
    printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
    close(listenfd);
    return SOCKET_ACCEPT_FAILED;
}

（5）为每个连接克隆子进程。

pid_t pid=fork();
if(pid==0)
{
     routine(clientfd);
     break;
}
else
{
     printf("pid = %d\n",pid);
}

（6）在子进程里面接收数据。

char buf[BUFFER_LENGTH]={0};
ret=recv(clientfd,buf,BUFFER_LENGTH,0);
if(ret==0) {
     printf("connection dropped\n");

}
printf("recv --> %s\n",buf);

（7）在子进程里面发送数据。

if(-1==send(clientfd,buf,ret,0))
{
    printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
}

（8）关闭文件描述符。

close(listenfd);

四、完整代码

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>

#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#define LISTEN_PORT     8888
#define BLOCK_SIZE      10
#define BUFFER_LENGTH   1024

enum ERROR_CODE{
    SOCKET_CREATE_FAILED=-1,
    SOCKET_BIND_FAILED=-2,
    SOCKET_LISTEN_FAILED=-3,
    SOCKET_ACCEPT_FAILED=-4
};

void routine(int clientfd)
{
    while(1)
    {
        // 5.
        char buf[BUFFER_LENGTH]={0};
        int ret=recv(clientfd,buf,BUFFER_LENGTH,0);
        if(ret==0) {
            printf("connection dropped\n");
            break;
        }
        
        printf("fd=%d recv --> %s\n",clientfd,buf);
        send(clientfd,buf,ret,0);
        
    }
    

    close(clientfd);
}

int main(int argc,char **argv)
{
    // 1.
    int listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(listenfd==-1){
        printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
        return SOCKET_CREATE_FAILED;
    }

    // 2.
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server,0,sizeof(server));

    server.sin_family=AF_INET;
    server.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    server.sin_port=htons(LISTEN_PORT);

    if(-1==bind(listenfd,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))){
        printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
        close(listenfd);
        return SOCKET_BIND_FAILED;
    }

    // 3.
    if(-1==listen(listenfd,BLOCK_SIZE)){
        printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
        close(listenfd);
        return SOCKET_LISTEN_FAILED;
    }

    printf("listen port: %d\n",LISTEN_PORT);
    struct sockaddr_in client;
    socklen_t len=sizeof(client);
    int clientfd=-1;
    
    while(1)
    {
        // 4.
        memset(&client,0,sizeof(client));
        clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&client,&len);
        if(clientfd==-1){
            printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
            continue;
        }

        printf("accept successdul, fd = %d\n",clientfd);
        pid_t pid=fork();
        if(pid==0)
        {
            routine(clientfd);
            break;
        }
        else
        {
            printf("pid = %d\n",pid);
        }
    }

    
    close(listenfd);

    return 0;
}

编译：

gcc -o server server.c

五、TCP客户端

5.1、自己实现一个TCP客户端

自己实现一个TCP客户端连接TCP服务器的代码：

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

#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <errno.h>
#include <string.h>

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

#define BUFFER_LENGTH   1024

enum ERROR_CODE{
    SOCKET_CREATE_FAILED=-1,
    SOCKET_CONN_FAILED=-2,
    SOCKET_LISTEN_FAILED=-3,
    SOCKET_ACCEPT_FAILED=-4
};

int main(int argc,char** argv)
{
    if(argc<3)
    {
        printf("Please enter the server IP and port.");
        return 0;
    }
    printf("connect to %s, port=%s\n",argv[1],argv[2]);

    int connfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(connfd==-1)
    {
        printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
        return SOCKET_CREATE_FAILED;

    }
    struct sockaddr_in serv;
    serv.sin_family=AF_INET;
    serv.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
    serv.sin_port=htons(atoi(argv[2]));
    socklen_t len=sizeof(serv);
    int rwfd=connect(connfd,(struct sockaddr*)&serv,len);
    if(rwfd==-1)
    {
        printf("errno = %d, %s\n",errno,strerror(errno));
        close(rwfd);
        return SOCKET_CONN_FAILED;
    }
    int ret=1;
    while(ret>0)
    {
        char buf[BUFFER_LENGTH]={0};
        printf("Please enter the string to send:\n");
        scanf("%s",buf);
        send(connfd,buf,strlen(buf),0);

        memset(buf,0,BUFFER_LENGTH);
        printf("recv:\n");
        ret=recv(connfd,buf,BUFFER_LENGTH,0);
        printf("%s\n",buf);
        
    }
    close(rwfd);
    return 0;
}

编译：

gcc -o client client.c

5.2、Windows下可以使用NetAssist的网络助手工具

下载地址：http://old.tpyboard.com/downloads/NetAssist.exe

小结

这里基于上一个章节的内容进行了升级，可以接受多个客户端同时连接，并为每个连接克隆一个子进程进行通信。

但是，使用多进程会非常消耗资源，特别是高并发的时候，会是系统内存爆满，开销巨大。那么有没有办法在一个线程中就可以完成高并发通信呢？答案是可以的，下一章节将介绍使用select实现一个线程完成多个连接的通信，也就是IO多路复用技术。