TCP/IP 网络编程（六）

进程模型：

线程模型：

线程的创建和执行流程

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t * restrict thread, const pthread_attr_t * restrict attr,
void * (* start_routine)(void *), void * restrict arg); // 成功返回0， 失败返回其他值

~ thread: 保存新创建线程ID的变量地址值
~ attr: 用于传递线程属性的参数，NULL 表示默认
~ start_toutine: 线程单独的执行函数地址
~ arg: 第三个参数函数的参数信息变量地址值

线程使用示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
void *thread_main(void *arg);

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t t_id;
    int thread_param = 5;

    if(pthread_create(&t_id, NULL, thread_main, (void *)&thread_param) != 0)
    {
        puts("pthread_creat() error");
        return -1;
    }


    sleep(10);
    puts("free maoolc and end of main");
    return 0;
}
void *thread_main(void *arg)
{
    int i;
    int cnt = *((int *)arg);
    char * msg = (char *)malloc(sizeof(char) * 50);
    strcpy(msg, "Hello, I‘am thread ~ \n");
    for(i=0; i<16; i++)
    {
        sleep(1);
        puts("running thread");
    }
    return (void *)msg;
}

执行流程如下：

进程终止也会捎带线程结束。

上述实例要求：线程相关程序中必须适当调用sleep函数。很明显，这种需要预测和安排执行流是不安全的。

#include <pthread.h>

int pthread_join(pthread_t thread, void ** status); // 成功返回0， 失败返回其他值

~ thread: 指定线程终止后才会从该函数返回
~ status: 保存线程函数返回值的指针变量地址值

简言之，调用该函数的进程将进入等待状态，知道第一个参数指定的线程终止为止。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
void *thread_main(void *arg);

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t t_id;
    int thread_param = 5;
    void * thr_ret;

    if(pthread_create(&t_id, NULL, thread_main, (void *)&thread_param) != 0)
    {
        puts("pthread_creat() error");
        return -1;
    }

    if(pthread_join(t_id, &thr_ret) != 0)
    {
        puts("pthread_join() error");
        return -1;
    }

    printf("Thread return message : %s \n", (char *)thr_ret);
    free(thr_ret);
    puts("free maoolc and end of main");
    return 0;
}
void *thread_main(void *arg)
{
    int i;
    int cnt = *((int *)arg);
    char * msg = (char *)malloc(sizeof(char) * 50);
    strcpy(msg, "Hello, I‘am thread ~ \n");
    for(i=0; i<16; i++)
    {
        sleep(1);
        puts("running thread");
    }
    return (void *)msg;
}

执行模型如下：

线程存在的问题和临界区

临界区：函数内同时运行多个线程时引起问题的多条语句构成的代码块，也就是对共享资源访问并修改的代码。

同步：

• 同时访问同一内存空间
• 需要指定访问同一内存空间的线程的执行顺序

互斥量

互斥量的创建及销毁函数：

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * mutex, const pthread_mutexattr_t * attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

~ mutex: 互斥量的地址值
~ attr: 要创建的互斥量属性，默认NULL

对互斥量的锁定和释放:

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t * mutex);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t * mutex); // 成功返回0

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#define NUM_THREAD 100
void * thread_inc(void *arg);
void * thread_des(void *arg);

long long num;
pthread_mutex_t mutex;

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t thread_id[NUM_THREAD];
    int i;

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    for(i=0; i<NUM_THREAD; i++)
    {
        if(i%2)
            pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_inc, NULL);
        else
            pthread_create(&(thread_id[i]), NULL, thread_des, NULL);
    }

    for(i=0; i<NUM_THREAD; i++)
        pthread_join(thread_id[i], NULL);

    printf("result: %lld \n", num);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}
void * thread_inc(void *arg)
{
    int i;
    pthread_mutex_lock(&mutex); // 临界区划分范围较大
    for(i=0; i<50000000; i++)
        num += 1;
    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 最大限度减少 lock、unlock 的调用
    printf("Done ");
    return NULL;
}

void * thread_des(void *arg)
{
    int i;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    for(i=0; i<50000000; i++)
    {
        num -= 1;
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    puts("Done des");
    return NULL;
}

结果是0.

信号量

信号量的创建和销毁：

#include <semaphore.h>

int sem_init(sem_t * sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t * sem); // 成功返回0

~ sem: 信号量的变量地址值
~ pshared: 创建可有多个进程共享的信号量，0代表在同一进程中使用
~ value: 信号量初始值

对信号量的操作：

int sem_post(sem_t * sem);
int sem_wait(sem_t * sem); // 成功返回0

示例代码：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

void * read(void * arg);
void * accu(void *arg);
static sem_t sem_one;
static sem_t sem_two; // 两个信号量
static int num;

int main(int argc, char *atgv[])
{
    pthread_t id_t1, id_t2; //两个线程
    sem_init(&sem_one, 0, 0); //信号量初始化为0
    sem_init(&sem_two, 0, 1);

    pthread_create(&id_t1, NULL, read, NULL);
    pthread_create(&id_t2, NULL, accu, NULL); // 创建线程

    pthread_join(id_t1, NULL);
    pthread_join(id_t2, NULL); // 等待线程结束

    sem_destroy(&sem_one);
    sem_destroy(&sem_two); //销毁信号量

    return 0;
}
void * read(void * arg)
{
    int i;
    for(i=0; i<5; i++)
    {
        fputs("Input num : ", stdout);
        sem_wait(&sem_two); // 对信号量执行 V 操作
        scanf("%d", &num);
        sem_post(&sem_one); // 对信号量执行 P 操作
    }
    return NULL;
}

void * accu(void * arg)
{
    int sum=0, i;
    for(i=0; i<5; i++)
    {
        sem_wait(&sem_one);
        sum += num;
        sem_post(&sem_two);
    }
    printf("Resule : %d \n", sum);
    return NULL;
}

线程的销毁和多线程服务器的实现

• 调用pthread_join函数，不仅会等待线程结束还会引导线程销毁。线程终止前，调用该函数的进程将阻塞
• 调用pthread_detach函数, 不会引起线程终止或者进入阻塞状态

#include <pthread.h>

int pthread_detach(pthread_t pthread); // 成功返回0

多线程服务器端实现代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define BUF_SIZE 100
#define MAX_CLNT 256

void * handle_clnt(void *arg);
void send_msg(char *msg, int len);
void error_handling(char *msg);

int clnt_cnt = 0;
int clnt_socks[MAX_CLNT];
pthread_mutex_t mutx;

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    int clnt_adr_sz;
    pthread_t t_id;;

    if(argc != 2)
    {
        printf("Usage : %s <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    pthread_mutex_init(&mutx, NULL); // 初始化互斥信号量
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);  // 创建 socket 套接字

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr)); // 将服务器端套接字地址信息结构体初始化为全 0
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if(bind(serv_sock,(struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("bind() error");
    if(listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handling("listen() error");

    while(1)
    {
        clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
        if(clnt_sock == -1)
            error_handling("accept() error");

        pthread_mutex_lock(&mutx); // 对互斥量加锁访问
        clnt_socks[clnt_cnt++] = clnt_sock;
        pthread_mutex_unlock(&mutx);

        pthread_create(&t_id, NULL, handle_clnt, (void *)&clnt_sock);
        pthread_detach(t_id); //线程销毁方式
        printf("Connected client IP : %s \n", inet_ntoa(clnt_adr.sin_addr));
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}

void * handle_clnt(void * arg)
{
    int clnt_sock = *((int*)arg);
    int str_len = 0;
    int i;
    char msg[BUF_SIZE];

    while((str_len = read(clnt_sock, msg, sizeof(msg))) != 0)
        send_msg(msg, str_len);

    // 执行到这里的时候就说明客户端请求断开连接
    pthread_mutex_lock(&mutx);

    // remove disconnected client
    // 在 clnt_socks 数组中保存所有的客户端套接字，移除一个之后
    // 要将该套接字后面的前移一位，因此这不是个合适的数据结构

    for(i=0; i<clnt_cnt; i++)
    {
        if(clnt_sock == clnt_socks[i])
        {
            while(i++ < clnt_cnt-1)
                clnt_socks[i] = clnt_socks[i+1];
            break;
        }
    }
    clnt_cnt--;
    pthread_mutex_unlock(&mutx);
    close(clnt_sock);
    return NULL;
}

void send_msg(char *msg, int len) // send to all
{
    int i;
    pthread_mutex_lock(&mutx);
    for(i=0; i<clnt_cnt; i++)
        write(clnt_socks[i], msg, len);
    pthread_mutex_unlock(&mutx);
}

void error_handling(char * msg)
{
    fputs(msg, stderr);
    fputc(‘\n‘, stderr);
    exit(1);
}