[Linux環境編程] TCP通訊與多線程編程實現「多人在線聊天室」

時間 2019-12-20

標籤 linux 環境編程 tcp 通訊多線程實現多人在線聊天室欄目 Linux 简体版

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[linux環境編程] TCP通訊與多線程編程實現「多人在線聊天室」linux

1、基本概念

一、TCP通訊編程

　　TCP（Transmission Control Protocol）就是傳輸控制通信協議，是TCP/IP體系結構中最主要的傳輸協議。其「三次握手」提供了可靠的傳送，高可靠性保證了數據傳輸不會出現丟失與亂序，再加之TCP鏈接兩端設有緩存用來臨時存放雙向通訊的數據，因此能夠支持全雙工傳輸。很是貼合「多人在線聊天室」對數據傳輸的需求。緩存

二、多線程編程服務器

　　多線程是指從軟件或者硬件上實現多個線程併發執行的技術。簡單來講就是可以在同一時間執行多於一個線程，每一個線程處理各自獨立的任務，進而簡化處理異步事件的代碼，改善響應時間，提高總體處理性。多線程

　　一個進程的全部信息對該進程的全部線程都是共享的，包括可執行代碼、程序的全局內存和堆內存、棧以及文件描述符。所以，相比進程與進程之間，線程之間的通訊免去了繁雜的規則，但同時也面臨着線程同步的問題，須要多加註意。架構

2、程序實現效果

一、功能介紹併發

　　服務端：可限制聊天室在線最大人數與等待進入最大人數。當聊天室人數達到上限，申請進入聊天室的用戶將會排隊，聊天室內任意用戶退出時，排隊用戶會按照順序自動加入聊天室。框架

　　客戶端：實時顯示聊天室內成員所發消息以及成員暱稱，可主動退出聊天室，當聊天室有成員變更時會有系統提示。異步

二、測試流程：socket

2.1 編譯

　　-std=gnu99：以GNU99標準編譯代碼；

　　-o output_filename：將輸出文件的名稱命名爲output_filename，同時這個名稱不能和源文件同名。若是不給出這個選項，就會生成系統默認的「a.out」可執行文件，易被覆蓋。

　　-lpthread：在編譯的連接階段自動加載pthread庫。

        gcc -std=gnu99 server_tcp.c -o server -lpthread
        gcc -std=gnu99 client_tcp.c -o client -lpthread

2.2 開啓server服務端與三個客戶端（client1/2/3）

　　Ubuntu可經過Ctrl+Shift+T開啓多個終端標籤頁，分別執行如下四條指令。其中第一個參數爲可執行文件的路徑；第二個參數爲通信的串口號，1~1024已被系統使用，通常狀況下大於1024便可；第三個參數爲通信的IP地址，「127.0.0.1」會自動轉化爲本機的IP地址。

        ./server 2333 127.0.0.1
        ./client 2333 127.0.0.1
        ./client 2333 127.0.0.1
        ./client 2333 127.0.0.1

三、測試效果

　　服務端設置：最大在線人數2人，排隊最大人數1人（實際中至少要設置5個，排隊人數上限過低則無實際意義，這裏設置1人僅作演示）。開啓服務器後依次鏈接三個客戶端，輸入用戶名後申請進入聊天室，前兩個用戶進入聊天室，第三個用戶排隊等候。輸入字符‘q’退出聊天室。

server（服務器）：

client1（用戶123）：

client2（用戶456）：

client3（用戶789）：

3、代碼分析

一、客戶端（server_tcp.c）

1.1 main 主函數

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <sys/socket.h>
 3 #include <stdbool.h>
 4 #include <arpa/inet.h>
 5 #include <sys/types.h>
 6 #include <unistd.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <stdlib.h>
 9 #include <netinet/in.h>
10 #include <pthread.h>
11 
12 // 定義消息結構體，用於信息的傳輸
13 typedef struct Msg
14 {
15     char m_name[31];
16     char m_buf[255];
17 }Msg;
18 
19 Msg msg = {};
20 
21 bool quit = false;  // 該程序中暫無實際意義，用於後期拓展
22 int  sockfd = 0; // socket標識符
23 int main(int argc,char** argv)
24 {
25     pthread_t ptid[2] = {};
26 
27     // 建立socket對象
28     sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
29     if(0 > sockfd)
30     {
31         perror("socket");
32         return -1;
33     }
34 
35     // 準備通訊地址
36     struct sockaddr_in addr = {AF_INET};
37     addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
38     addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[2]);
39     
40     /*//等待鏈接
41     struct sockaddr_in src_addr = {};
42     socklen_t addr_len = sizeof(src_addr);*/
43 
44     // 鏈接
45     int ret = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
46     if(0 > ret)
47     {
48         perror("connect");
49         return -1;
50     }
51 
52     printf("請輸入您的暱稱：");
53     scanf("%s",msg.m_name);
54 
55     // 建立讀數據進程
56     ret = pthread_create(&ptid[0],NULL,pthread_read,NULL);
57     if(0 > ret)
58     {
59         perror("pthread_create");
60         return -1;
61     }
62 
63     // 建立寫數據進程
64     ret = pthread_create(&ptid[1],NULL,pthread_write,NULL);
65     if(0 > ret)
66     {
67         perror("pthread_create");
68         return -1;
69     }
70 
71     while(!quit);
72     close(sockfd);
73 }

　　客戶端主函數主要用於創建起客戶端和服務器的鏈接，客戶端在申請鏈接後可能出現「進入聊天室（num<nmax_chat）」、「等待進入聊天室（num<nmax_chat+nmax_wait）」和「鏈接被拒（num>=nmax_chat+nmax_wait）」三種狀況。客戶端在獲取用戶的用戶名後將會創建起讀、寫數據兩個線程，實時接收和發送數據。

1.2 pthread_read 讀線程

 1 void* pthread_read(void* arg)
 2 {
 3     while(1)
 4     {
 5         bzero(&msg.m_buf,sizeof(msg.m_buf));
 6         int ret = recv(sockfd,&msg,sizeof(msg),0);
 7         if (0 < strlen(msg.m_buf))
 8         {
 9             printf("%s:%s\n",msg.m_name,msg.m_buf);
10         }
11         /*if(!strcmp("q",msg))
12         {
13             break;
14         }*/
15     }
16     close(sockfd);
17 }

　　讀線程實時接收數據並顯示數據發送者的用戶名及其所發送的數據。

1.3 pthread_write 寫線程

 1 void* pthread_write(void* arg)
 2 {
 3     while(1)
 4     {
 5         gets(msg.m_buf);
 6         //sprintf(msg,"%s:%s",name,msg); // name貼進去時msg已經改變
 7         printf("\33[1A");
 8         printf("\r                                   \r");
 9         fflush(stdout);
10         send(sockfd,&msg,sizeof(msg),0);
11         if(!strcmp("q",msg.m_buf))
12         {
13             quit = true;
14             break;
15         }        
16     }
17 }

　　寫線程與讀線程之間存在互相干擾，由於兩者都必須保證明時性，因此沒法採用互斥鎖來保護數據，這裏將全局變量msg改成局部變量便可解決問題。而主函數中的msg.m_name則能夠經過線程建立函數傳遞給寫線程，但願代碼更加嚴謹的話能夠自行更改。

　　7~9行代碼組合實現了「消除己方殘留在終端顯示界面的所發送的數據」。

　　第7行代碼：將光標上移一行，即殘留顯示數據的行列；

　　第8行代碼：將光標移至該行行首，再輸出一段空格覆蓋原有數據，最後將光標移回行首；

　　第9行代碼：刷新標準輸出緩衝區，把輸出緩衝區裏的東西打印到標準輸出設備上（顯示終端）。目的是使七、8行代碼當即生效。

二、服務端

2.1 main 主函數

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <sys/socket.h>
 3 #include <stdbool.h>
 4 #include <arpa/inet.h>
 5 #include <sys/types.h>
 6 #include <unistd.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <stdlib.h>
 9 #include <netinet/in.h>
10 #include <pthread.h>
11 
12 typedef struct Msg
13 {
14     char m_name[31];
15     char m_buf[255];
16 }Msg;
17 
18 typedef struct Client
19 {
20     int  c_fd;
21     bool c_flag;
22 }Client;
23 
24 const int nmax_chat = 2;
25 const int nmax_wait = 1;
26 int num_chat = 0;
27 int num_wait = 0;
28 Client client[4] = {}; // nmax_wait + nmax_chat + 1;
29 
30 bool quit = false;
31 int  sockfd = 0;
32 pthread_t ptid[3] = {};
33 
34 int main(int argc,char** argv)
35 {
36     // 建立socket對象
37     sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
38     if(0 > sockfd)
39     {
40         perror("socket");
41         return -1;
42     }
43 
44     // 準備通訊地址
45     struct sockaddr_in addr = {AF_INET};
46     addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
47     addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[2]);
48 
49     // 綁定對象與地址
50     int ret = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
51     if(0 > ret)
52     {
53         perror("bind");
54         return -1;
55     }
56 
57     // 設置排隊數量
58     listen(sockfd,num_wait);
59     
60     // 建立線程
61     ret = pthread_create(&ptid[0],NULL,pthread_accept,NULL);
62     if(0 > ret)
63     {
64         perror("pthread_create");
65         return -1;
66     }
67 
68     while(!quit);
69     // 關閉鏈接
70     close(sockfd);
71 }

　　功能與客戶端主函數相似，主要用於創建起客戶端和服務器的鏈接的準備工做。客戶端在設立監聽數量（等待鏈接最大數量nmax_wait）後將會創建起接收線程。

2.2 pthread_accep 接收線程

 1 void* pthread_accept(void* arg)
 2 {    
 3     // 等待鏈接
 4     struct sockaddr_in src_addr = {};
 5     socklen_t addr_len = sizeof(src_addr);
 6 
 7     //printf("聊天室已建立！\n");
 8     while(1)
 9     {
10         if (nmax_chat > num_chat)
11         {
12             int i = 0;
13             for ( i = 0; i < nmax_chat; i++)
14             {
15                 if (false == client[i].c_flag)
16                 {
17                     client[i].c_fd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&src_addr,&addr_len);
18                     client[i].c_flag = true;
19                     break;
20                 }
21             }    
22             num_chat++;
23             // 建立線程
24             //printf("chat[%d] fd:%d flag:%d num_chat:%d\n",i,client[i].c_fd,client[i].c_flag,num_chat);
25             int ret = pthread_create(&ptid[1],NULL,pthread_com,&client[i]);
26             if(0 > ret)
27             {
28                 perror("pthread_create");
29                 pthread_exit(NULL);
30             }
31         }
32     }
33     pthread_exit(NULL);
34 }

　　接收線程能夠實時接收申請鏈接服務器的客戶端，創建起服務器和客戶端的鏈接，經過for循環與標識符c_flag來判斷是否鏈接申請的客戶端。打個比方，就好像你去飯店吃飯，當你想進入飯店時，門口店員會先環視店內（for循環）、確認是否有座（num_chat<nmax_chat？）、有無被預約（client[i].flag），有則安排進店，無則確認店外的等候座椅是否還有空位（num_wait<nmax_wait？），有則安排座位在店外等候（listen（nmax_wait）），無則沒法安排。對於能夠進店的用戶，店員會安排好座位（client[i].c_fd）並遞上菜單（client[i].c_flag），點好菜後準備上菜（pthread_com）。

2.3 pthread_com 信息傳輸線程

void* pthread_com(void* arg)
{ 
    Client* client2 = arg;
    Msg msg = {}; // 發送該線程對應用戶消息及進出聊天室狀況
    char name[31] = {}; // 記錄、發送該線程對應用戶暱稱

    int ret = recv(client2->c_fd,&msg,sizeof(msg),0);
    strcpy(name,msg.m_name);
    //printf("name:%s fd:%d flag:%d num_chat:%d\n",name,client2->c_fd,client2->c_flag,num_chat);

    char buf[34] = "***"; // sizeof(buf) = sizeof(name) + 3
    bzero(&msg,sizeof(msg));
    strcpy(msg.m_name,strcat(buf,name));
    sprintf(msg.m_buf,"已進入聊天室[%d人]***",num_chat);        
    for (int i = 0; i < nmax_chat; i++)
    {
        if(client[i].c_flag == true)
            send(client[i].c_fd,&msg,sizeof(msg),0);
    }

    //通訊
    while(1)
    {
        bzero(&msg,sizeof(msg));
        int ret = recv(client2->c_fd,&msg,sizeof(msg),0);
        if (0 < strlen(msg.m_buf))
        {
            if(!strcmp("q",msg.m_buf))
            {
                num_chat--;     
                client2->c_flag = false;
                //printf("name:%s fd:%d flag:%d num_chat:%d\n",name,client2->c_fd,client2->c_flag,num_chat);
                char buf[34] = "***"; // sizeof(buf) = sizeof(name) + 3
                bzero(&msg,sizeof(msg));
                strcpy(msg.m_name,strcat(buf,name));
                sprintf(msg.m_buf,"已退出聊天室[%d人]***",num_chat);        
                for (int i = 0; i < nmax_chat; i++)
                {
                    if(client[i].c_flag == true)
                        send(client[i].c_fd,&msg,sizeof(msg),0);
                }    
                break;
            }    
            else
            {
                for (int i = 0; i < nmax_chat; i++)
                {
                    //printf("返回了數據:%s\n",msg.m_buf);
                    strcpy(msg.m_name,name);
                    if(client[i].c_flag == true)
                        send(client[i].c_fd,&msg,sizeof(msg),0);
                }
            }
        }
    }
    pthread_exit(NULL);
}

　　信息傳輸線程主要承擔起郵局的功能，將各個客戶端投遞到郵局的信件（msg）配送至收件人（client n）手中，同時將一些意外事件（人員變更）轉達給寄件人收件人（client n）。不過相比真正的郵局仍是有很大差異的，這家郵局不只會複製你的信件（strcpy），還有可能夾雜私貨、更改內容（敏感詞屏蔽（未實現））。

4、總結

　　總的來講，最近此次編程讓我意識到一個很大的問題。之前老是在作以前想太多，老是但願可以一次性設計好整個架構，然而這是創建在必定的項目經驗上的。就我目前而言暫不具有這樣的水平，因此在編寫程序時就很容易致使代碼臃腫、邏輯混亂，從而致使難以調試。

　　因此此次編程更改了思路：先將項目拆分紅一個個小的功能模塊，底層搭好後再按照功能層級逐個實現，一個一個拼接、一塊磚一塊磚的搭建，邊搭建邊微調框架，最終完成程序的編寫。這種編程思路在此次練習中起到了很大的做用。整個編程過程思路清晰、編寫流暢，代碼的調試也輕鬆許多。

　　以上即是我此次練習的總結，發佈博客以供記錄、總結，博客中若有紕漏歡迎指出，歡迎討論、共同進步。