1 前言 2 Socket編程 2.1 Socket通信機(jī)制 2.2 socket通信示例圖 2.3 Socket在不同平臺上的實現(xiàn) 2.3.1 Socket在Windows平臺中的實現(xiàn) 2.3.2 Socket在Linux/Unix平臺中的實現(xiàn) 2.3.3 可移植的啟動和結(jié)束調(diào)用代碼 2.3.4 其它移植問題 3 多線程編程 3.1 線程與進(jìn)程的不同 3.2 線程沖突與數(shù)據(jù)保護(hù) 3.3 Win32中的線程 3.3.1 線程同步 3.3.2 創(chuàng)建線程 3.4 Linux/Unix中的線程 3.5 可移植的線程代碼 4 程序?qū)嵗? 前言 Socket編程特別是多線程編程是一個很大的課題，本文針對公司最近將要實現(xiàn)的下載版和網(wǎng)頁版的CPR和CPE兩個軟件來講解socket和多線程的可移植編程技術(shù)，所涉及的是其中較基礎(chǔ)的部分，以盡量滿足當(dāng)前公司需要為準(zhǔn)。 Socket編程 Socket通信機(jī)制通過socket可實現(xiàn)點對點或廣播通信程序，兩者之間的區(qū)別不大，編程時其程序流程所用代碼幾乎相同，不同的地方在于目標(biāo)地址選擇的不同。本教材所舉實例為點對點的形式，即以客戶/服務(wù)器形式來實現(xiàn)一個socket通信程序，為描述方便，我們對兩點分別命名為Server和Client。Socket實現(xiàn)Server 與Client之間的通信的過程，非常象電信局的普通電話服務(wù)，為了更好的理解socket，以下就以電信局的電話服務(wù)作為類比來說明socket的通信機(jī)制： * 電信局提供電話服務(wù)類似我們這的Server，普通電話用戶類似我們這的Client。 * 首先電信局必須建立一個電話總機(jī)。這就如果我們必須在Server端建立一個Socket(套接字)，這一步通過調(diào)用socket()函數(shù)實現(xiàn)。 * 電信局必須給電話總機(jī)分配一個號碼，以便使用戶要撥找該號碼得到電話服務(wù)，同時接入該電信局的用戶必須知道該總機(jī)的號碼。同樣，我也在Server端也要為這一套接字指定一port(端口)，并且要連接該Server的Client必須知道該端口。這一步通過調(diào)用bind()函數(shù)實現(xiàn)。 * 接下來電信局必須使總機(jī)開通并使總機(jī)能夠高效地監(jiān)聽用戶撥號，如果電信局所提供服務(wù)的用戶數(shù)太多，你會發(fā)現(xiàn)撥打電信局總機(jī)老是忙音，通常電信局內(nèi)部會使該總機(jī)對應(yīng)的電話號碼連到好幾個負(fù)責(zé)交換的處理中心，在一個處理中心忙于處理當(dāng)前的某個用戶時，新到用戶可自動轉(zhuǎn)到一下處理中心得到服務(wù)。同樣我們的Server端也要使自己的套接口設(shè)置成監(jiān)聽狀態(tài)，這是通用listen()函數(shù)實現(xiàn)的，listen()的第二個參數(shù)是等待隊列數(shù)，就如同你可以指定電信局的建立幾個負(fù)責(zé)交換的處理中心。 * 用戶知道了電信局的總機(jī)號后就可以進(jìn)行撥打請求得到服務(wù)。在Winsock的世界里做為Client端是要先用socket()函數(shù)建立一個套接字，然后調(diào)connect()函數(shù)進(jìn)行連接。當(dāng)然和電話一樣，如果等待隊列數(shù)滿了、與Server的線路不通或是Server沒有提供此項服務(wù)時，連接就不會成功。 * 電信局的總機(jī)接受了這用戶撥打的電話后負(fù)責(zé)接通用戶的線路，而總機(jī)本身則再回到等待的狀態(tài)。Server也是一樣，調(diào)用accept()函數(shù)進(jìn)入監(jiān)聽處理過程，Server端的代碼即在中處暫停，一旦Server端接到申請后系統(tǒng)會建立一個新的套接字來對此連接做服務(wù)，而原先的套接字則再回到監(jiān)聽等待的狀態(tài)。 * 當(dāng)你電話掛完了，你就可以掛上電話，彼此間也就離線了。Client和Server間的套接字的關(guān)閉也是如此；這個關(guān)閉離線的動作，可由Client端或Server端任一方先關(guān)閉，這也與電話局的服務(wù)類似。 從以上情況可以看出在服務(wù)器端建立一個套接字，進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)到接收到一個客戶端的請求的過程如下： socket()->bind()->listen()->accept()->recv()->send() 在客戶端則要簡單得多，其調(diào)用過程如下： socket()->connect()->send()->recv() socket通信示例圖 下圖顯示的通信方式用在許多場合，比如HTTP協(xié)議中用的就是這種方式。FTP、TELNET等協(xié)議也與此大致相同，不同之外在于FTP、TELNET這類協(xié)議會多次重復(fù)send()和recv()的調(diào)用。 Socket在不同平臺上的實現(xiàn) Socket在Windows平臺中的實現(xiàn) Socket在Windows中的實現(xiàn)稱為Winsock，核心文件是winsock.dll(或winsock32.dll)。這個動態(tài)鏈接庫負(fù)責(zé)提供標(biāo)準(zhǔn)的socket調(diào)用API和其它幾個特定的Windows平臺專用API，另外它還實現(xiàn)了適用于Windows消息機(jī)制的同步socket通信機(jī)制。在Winsock中所有非標(biāo)準(zhǔn)的socket調(diào)用均以WSA三個字母開頭命名。 由于Win32的各個平臺均支持線程，我采用同步socket通信機(jī)制來編寫Winsock程序不可取。一是多線程的系統(tǒng)中對同步通信有更好的解決辦法，二是同步通信機(jī)制程序沒有很好的兼容性。 Winsock中有兩個比較重要的函數(shù)就是WSAStartup()和WSACleanup()，它們的作用在于對Winsock動態(tài)鏈接庫進(jìn)行一些初始化或清除工作。在一個進(jìn)程中，沒有調(diào)用WSAStartup()之前將無法正確調(diào)用任何其它標(biāo)準(zhǔn)的socket函數(shù)。 Socket在Linux/Unix平臺中的實現(xiàn) Socket最早是在Unix平臺上實現(xiàn)的，socket調(diào)用已是當(dāng)今Unix平臺的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用。Linux的網(wǎng)絡(luò)部分模塊幾乎是原封不動的從Unix中遷移過來的，其函數(shù)的調(diào)用方式基本與Unix相同。 在Linux/Unix平臺中，如果你正在向一個套接字發(fā)信息，而遠(yuǎn)端計算機(jī)又關(guān)閉了該端口，將產(chǎn)生一個SIGPIPE信號，該信號的默認(rèn)處理過程將中止當(dāng)前進(jìn)程，為使我們的socket程序能夠健壯的運(yùn)行，必須接管該信息的處理過程，一般情況使系統(tǒng)忽略該信號即可。 可移植的啟動和結(jié)束調(diào)用代碼 根據(jù)以上兩點所述的socket中不同平臺中的實現(xiàn)方式，可以編寫出可移植的socket初始化和結(jié)束調(diào)用代碼如下： bool bsocket_init() //初始化socket 調(diào)用 { #ifdef _WIN32 WSADATA wsad; WORD wVersionReq; wVersionReq=MAKEWORD(1,1); //清求不低于1.1版本的Winsock if(WSAStartup(wVersionReq,&wsad)) return false; return true; #else signal(SIGPIPE, SIG_IGN); //忽略SIGPIPE信號 return true; #endif } void bsocket_cleanup() //結(jié)束socket 調(diào)用 { #ifdef _WIN32 WSACleanup(); #else signal(SIGPIPE, SIG_DFL); //恢復(fù)SIGPIPE信號 return; #endif } 其它移植問題 關(guān)閉socket Windows中關(guān)閉socket的調(diào)用為closesocket(socket sock_in); Linux為close(socket sock_in); Socket地址長度類型 Socket的許多調(diào)用中均用到socket地址長度做為參數(shù)，該參數(shù)在Windows中為int類型，在Linux中為socklen_t類型。 無效的socket Windows中調(diào)用socket()和accept()時，如果返回的是無效的socket，則該值為INVALID_SOCKET，Linux中為-1。 調(diào)用錯誤返回 Windows中除上述的socket()和accept()以及幾個少數(shù)的調(diào)用外，大部分調(diào)用在出錯時返回值為SOCKET_ERROR，Linux中為-1。 多線程編程 線程與進(jìn)程的不同 當(dāng)把一個可執(zhí)行程序裝載在內(nèi)存中后，不管你是你是準(zhǔn)備它或是已經(jīng)執(zhí)行它或是被暫停執(zhí)行，它都被稱為一個進(jìn)程。你可以稱一個進(jìn)程為一個可執(zhí)行程序在內(nèi)存中的實例。雖然一個進(jìn)程可以復(fù)制自己，也可以調(diào)用其它進(jìn)程或與其它進(jìn)程通信，全基本上進(jìn)程是由操作系統(tǒng)直接管理的資源。每一個進(jìn)程均有一個與其它進(jìn)程獨立的操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，比如環(huán)境變量、當(dāng)前目錄等。 線程是一種可執(zhí)行體，它表示對CPU運(yùn)行時間的占有權(quán)，線程也是操作系統(tǒng)中的一種資源，它的創(chuàng)建、中止最終要由操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。但線程每一個線程更多表現(xiàn)為由一個進(jìn)程直接來管理。每一個線程均有一個與其它線程不同的硬件運(yùn)行環(huán)境，比如各CPU中通用寄存器和狀態(tài)寄存器的值。 一個進(jìn)程的創(chuàng)建需要操作系統(tǒng)做大量工作，如設(shè)置環(huán)境變量、裝裁可執(zhí)行代碼、分配進(jìn)程資源等，進(jìn)程間的切換也需做大量工作。而線程的創(chuàng)建的切換相對來說要簡單得多，操作也能夠以最快的速度來實現(xiàn)不同執(zhí)行體之間的切換。 另一方面，由于所有線程共享一個進(jìn)程空間，線程間的通信變得十分簡單；而進(jìn)程之間由于各自內(nèi)存相互隔離，進(jìn)程之間通信只能通過管道、發(fā)送系統(tǒng)消息或信號來實現(xiàn)。 線程沖突與數(shù)據(jù)保護(hù) 由于同一進(jìn)程中的線程由操作系統(tǒng)并發(fā)執(zhí)行。當(dāng)一個進(jìn)程中的許多線程要修改某些公用變量時就存在數(shù)據(jù)保護(hù)問題。解決這個問題的通常辦法是向操作系統(tǒng)申請一個線程同步對象，操作系統(tǒng)只允許同時有一個少數(shù)個線程訪問受保護(hù)的數(shù)據(jù)。 Win32中的線程 線程同步 Win32中可用于線程同步的對象有CRITICAL_SECTION, Event, Mutex, Semaphore和Waitable timer等。 其中CRITICAL_SECTION比較適于解決在單一進(jìn)程多線程的沖突問題。 與CRITICAL_SECTION有關(guān)的幾個函數(shù)為: * InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection); 該函數(shù)初始化一個CRITICAL_SECTION。 * DeleteCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection); 該函數(shù)清除一個CRITICAL_SECTION。 * EnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection); 該函數(shù)使本線程取得CRITICAL_SECTION控制權(quán)，代碼進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。 * LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection); 該函數(shù)使本線程放棄CRITICAL_SECTION控制權(quán)，代碼退出保護(hù)狀態(tài)。 創(chuàng)建線程 Win32中最常用的創(chuàng)建線程的函數(shù)為CreateThread()，該函數(shù)的格式為： HANDLE CreateThread( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, DWORD dwStackSize, LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress, LPVOID lpParameter, DWORD dwCreationFlags, LPDWORD lpThreadId); * lpThreadAttributes: 輸入?yún)?shù)。指定是否本次函數(shù)返回的線程句柄可以被子進(jìn)程繼承，可以為NULL。在CPR/CPE兩個產(chǎn)品下載版和網(wǎng)頁版的開發(fā)過程代碼使用NULL應(yīng)可滿足需要。 * dwStackSize : 輸入?yún)?shù)。指定指定的線程堆棧大小，可以為0，如果為0，使用默認(rèn)堆棧大小。在CPR/CPE兩個產(chǎn)品下載版和網(wǎng)頁版的開發(fā)過程代碼使用0應(yīng)可滿足需要。 * lpStartAddress : 輸入?yún)?shù)。指向線程函數(shù)，該函數(shù)包含線程的執(zhí)行代碼。 * lpParameter : 輸入?yún)?shù)。指定要傳給線程的參數(shù)塊內(nèi)存地址。 * lpThreadId : 輸出參數(shù)。該參數(shù)在調(diào)用結(jié)束后將包含被創(chuàng)建線程的ID。 Linux/Unix中的線程 當(dāng)前各版本的Linux和Unix本身并不支持線程，但在Linux/Unix各版本均自帶pthread線程包及它們的開發(fā)運(yùn)行頭文件和庫文件。 與Win32類似，pthread包中用于線程同步的對象也有多種，在我們的開發(fā)應(yīng)用中，使用pthread_mutex_t即可滿足需求。與pthread_mutex_t相關(guān)的幾個函數(shù)為： * pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * p, pthread_mutexattr_t * pa); 該函數(shù)初始化一個pthread_mutex_t，其中pa參數(shù)可以設(shè)置pthread_mutex_t的屬性。與Win32中多線程的機(jī)制稍有不同，在默認(rèn)情況下，pthread中對同一線程的多次保護(hù)請求會造成互鎖，以我們產(chǎn)品開發(fā)的情況來看，要修改pthread的屬性方可滿足實際需要，但pthread中設(shè)置多線程同步屬性的方法的可移植性不高。對同一線程多次申請保護(hù)的問題可以記錄線程ID的辦法來解決。 * pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t * p); 清除一個已初始化的pthread_mutex_t。 * pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t * p); 請求取得pthread_mutex_t控制權(quán)，進(jìn)入代碼保護(hù)。 * pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * p); 放棄一個pthread_mutex_t控制權(quán)，退出代碼保護(hù)。 可移植的線程代碼 (參見程序?qū)嵗? 程序?qū)嵗? #include #ifdef _WIN32 #include #define socklen_t int #else #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define closesocket(_x) close(_x) #endif #ifdef _WIN32 #define THREAD_PROC WINAPI #define THREAD_RETURN DWORD #define THREAD_PARAM void * #define THREAD_ID DWORD #define CPO CRITICAL_SECTION #define CPO_Init(_x) InitializeCriticalSection(&_x) #define CPO_Dele(_x) DeleteCriticalSection(&_x) #define CPO_Enter(_x) EnterCriticalSection(&_x) #define CPO_Leave(_x) LeaveCriticalSection(&_x) #else struct CPO { pthread_mutex_t m; pthread_t t;}; #define THREAD_PROC #define THREAD_RETURN void * #define THREAD_PARAM void * #define THREAD_ID pthread_t #define CPO_Init(_x) { _x.t=0; pthread_mutex_init(&_x.m, NULL); } #define CPO_Dele(_x) { pthread_mutex_destroy(&_x.m); } #define CPO_Enter(_x) while(true) \ { \ if(_x.t==0) \ { \ pthread_mutex_lock(&_x.m); \ _x.t=pthread_self(); \ break;\ }\ if(pthread_self()==_x.t)\ break; \ pthread_mutex_lock(&_x.m); \ _x.t=pthread_self();\ break; \ } #define CPO_Leave(_x) { pthread_mutex_unlock(&_x.m); _x.t=0; } #endif typedef THREAD_RETURN THREAD_PROC THREAD_FUNCTION(THREAD_PARAM thread_param); #ifdef _WIN32 THREAD_ID bcreate_thread(THREAD_FUNCTION pfun, void * pparam) { THREAD_ID tid; if(CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)pfun, (LPVOID)pparam, 0, &tid)==NULL) return (THREAD_ID)-1; return tid; } #else THREAD_ID bcreate_thread(THREAD_FUNCTION pfun, void * pparam) { THREAD_ID tid; if(pthread_create(&tid, NULL, (void * (*)(void *))pfun, pparam)<1) return (THREAD_ID)-1; pthread_detach(tid); return tid; } #endif #ifndef SOCKET #define SOCKET int #endif #ifndef SOCKET_ERROR #define SOCKET_ERROR -1 #endif #ifndef INVALID_SOCKET #define INVALID_SOCKET -1 #endif bool bsocket_init() { #ifdef _WIN32 WSADATA wsad; WORD wVersionReq; wVersionReq=MAKEWORD(1,1); if(WSAStartup(wVersionReq,&wsad)) return false; return true; #else signal(SIGPIPE, SIG_IGN); return true; #endif } void bsocket_cleanup() { #ifdef _WIN32 WSACleanup(); #else signal(SIGPIPE, SIG_DFL); return; #endif } #define WEB_SERVER_PORT 90 #define WEB_SERVER_IP "127.0.0.1" #define HTTP_HEAD "HTTP/1.0 200 OK\x0d\x0a""Content-type: text/html\x0d\x0a\x0d\x0a" #define WELCOME_HTML "\n\nWelcome to my Website!

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\ng_hits: %d\n\n\n" CPO g_cpo; int g_hits; THREAD_RETURN THREAD_PROC do_accept(THREAD_PARAM param) { SOCKET sock=((SOCKET *)param)[0]; char ptmp[2048]; recv(sock, ptmp, 2048, 0); CPO_Enter(g_cpo); int a=g_hits; sprintf(ptmp, WELCOME_HTML, a++); g_hits=a; CPO_Leave(g_cpo); send(sock, HTTP_HEAD, strlen(HTTP_HEAD), 0); send(sock, ptmp, strlen(ptmp), 0); closesocket(sock); return 0; } main(int argc,char ** argv) { char perror[1024]; SOCKET s,rs; sockaddr_in sin,rsin; socklen_t slen; bool result=false; perror[0]=0; CPO_Init(g_cpo); g_hits=0; if(!bsocket_init()) { strcpy(perror, "Can't init socket!"); goto error_out; } s=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0); if(s==INVALID_SOCKET) { strcpy(perror, "Can't create socket!"); goto error_out; } sin.sin_family=AF_INET; sin.sin_port=htons(WEB_SERVER_PORT); sin.sin_addr.s_addr=inet_addr(WEB_SERVER_IP); slen=sizeof(sin); if(bind(s,(sockaddr *)&sin,slen)==SOCKET_ERROR) { strcpy(perror, "Can't bind socket!"); goto error_out; } if(listen(s,5)==SOCKET_ERROR) { strcpy(perror, "Can't listen on this socket!"); goto error_out; } printf("web server running......\n"); slen=sizeof(rsin); while(true) { rs=accept(s,(sockaddr *)&rsin,&slen); if(rs==INVALID_SOCKET) { strcpy(perror, "accept() a INVALID_SOCKET!"); break; } bcreate_thread(do_accept, &rs); } result=true; error_out: if(s!=INVALID_SOCKET) closesocket(s); if(rs!=INVALID_SOCKET) closesocket(rs); if(!result) { printf(perror); printf("\n"); } CPO_Dele(g_cpo); bsocket_cleanup(); return 0; }