Linux利用多線程和線程同步實現一個簡單的聊天服務器

1. 概述

本文實現一個基于TCP/IP的簡單多人聊天室程序。它包含一個服務器端和一個客戶端：服務器能夠接收多個客戶端的連接，并將任何一個客戶端發來的消息廣播給所有其他連接的客戶端；客戶端則可以連接到服務器，發送消息并接收來自其他人的消息。該Demo運用了網絡編程（Socket API）、多線程（Pthreads）以及線程同步（互斥鎖）技術，以實現并發處理和數據共享安全。

2. 核心技術

  • 網絡編程(Sockets)

    • TCP/IP: 選擇面向連接的TCP協議，保證數據傳輸的可靠性。
    • 服務器端流程:
      1. socket(): 創建套接字。
      2. memset()/struct sockaddr_in: 配置服務器地址和端口。
      3. bind(): 綁定套接字到指定地址和端口。
      4. listen(): 設置套接字為監聽狀態，等待連接。
      5. accept(): 接受客戶端連接，為每個連接創建一個新的套接字。
    • 客戶端流程:
      1. socket(): 創建套接字。
      2. memset()/struct sockaddr_in: 配置服務器地址和端口。
      3. connect(): 連接到服務器。
    • 數據傳輸: read() 和 write() 用于雙向通信。

  • 多線程 (Pthreads)

    • 服務器端:
      • 主線程負責 accept() 連接。
      • 每接受一個新客戶端，使用 pthread_create() 創建一個新的處理線程 (handle_clnt)。
      • 使用 pthread_detach() 將子線程設置為分離狀態，使其結束后資源能自動回收，主線程無需 join。
    • 客戶端:
      • 創建兩個核心線程：
        • send_msg 線程：負責獲取用戶鍵盤輸入并將其發送到服務器。
        • recv_msg 線程：負責接收服務器廣播的消息并顯示在控制臺。
      • 這種設計使得用戶輸入和消息接收可以并行進行，互不阻塞。

  • 線程同步 (Mutex)

    • 場景: 服務器端多個 handle_clnt 線程會并發訪問和修改共享資源（如客戶端套接字數組 clnt_socks 和當前客戶端計數 clnt_cnt）。
    • 機制: 使用互斥鎖 (mutx) 保護這些臨界區。
      • pthread_mutex_init(): 初始化互斥鎖。
      • pthread_mutex_lock(): 在訪問共享資源前加鎖。
      • pthread_mutex_unlock(): 訪問完畢后解鎖。
    • 關鍵操作加鎖:
      • 添加新客戶端到 clnt_socks。
      • 從 clnt_socks 移除斷開連接的客戶端。
      • send_msg (服務器端廣播函數) 遍歷 clnt_socks 時。

3. 主要模塊實現

A. 服務器端 (server)
  • main() 函數:
    • 參數解析 (端口號)。
    • 初始化互斥鎖。
    • 完成socket的創建、綁定、監聽。
    • 進入無限循環，通過 accept() 接收客戶端連接。
    • 為每個連接創建 handle_clnt 線程并分離。
  • handle_clnt(void* arg) 函數:
    • 獲取傳遞過來的客戶端套接字。
    • 循環調用 read() 接收該客戶端的消息。
    • 若 read() 成功，則調用 send_msg() (服務器的) 廣播此消息。
    • 若 read() 返回0 (客戶端關閉連接)，則執行清理：加鎖 -> 從 clnt_socks 移除 -> clnt_cnt-- -> 解鎖 -> close() 該客戶端套接字。
  • send_msg(char* msg, int len) 函數 (服務器端):
    • 加鎖。
    • 遍歷 clnt_socks 數組，將消息 write() 給每一個已連接的客戶端。
    • 解鎖。
B. 客戶端 (client)
  • main() 函數:
    • 參數解析 (服務器IP, 端口號, 用戶名)。
    • 創建socket并 connect() 到服務器。
    • 創建 send_msg 和 recv_msg 兩個線程。
    • pthread_join() 等待這兩個線程結束（雖然當前 send_msg 中的 exit(0) 會提前終止）。
  • send_msg(void* arg) 函數:
    • 循環獲取用戶標準輸入 (fgets)。
    • 檢測到 "q" 或 "Q" 時，close(sock) 并 exit(0) (可改進點)。
    • 將用戶名和消息格式化后通過 write() 發送給服務器。
  • recv_msg(void* arg) 函數:
    • 循環調用 read() 從服務器接收消息。
    • 將接收到的消息 fputs() 到標準輸出。

4. 總結

  • 互斥鎖的必要性: 在多線程環境下，若不使用同步機制保護共享數據，會導致數據競爭和不可預期的結果。clnt_socks 和 clnt_cnt 的并發修改是典型場景。
  • 線程分離 vs. 等待: 服務器端 pthread_detach 的使用簡化了主線程的管理，適用于這種“即發即忘”的獨立工作單元。客戶端 pthread_join 的意圖是等待線程完成，但需配合更優雅的線程退出信號。
  • 阻塞I/O與多線程: 每個客戶端一個線程，每個線程中的 read() 是阻塞的。這簡化了單個線程的邏輯，但當連接數非常大時，線程資源開銷會成為瓶頸。
  • 客戶端非阻塞體驗: 通過發送和接收分離到不同線程，客戶端用戶體驗得到了提升，不會因為等待網絡消息而卡住輸入。
  • 基本通信協議: 客戶端在發送消息前簡單地將用戶名預置到消息體中，服務器直接轉發這個消息體。這是一個非常初級的“協議”。

?具體代碼如下：

?服務端代碼：網絡編程 + 多線程 + 線程同步

// 網絡編程+多線程+線程同步實現的聊天服務器和客戶端#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <pthread.h>#define BUF_SIZE 100  // 定義緩沖區大小
#define MAX_CLNT 256  // 最大客戶端數量// 函數聲明
void * handle_clnt(void * arg);  // 處理客戶端連接的線程函數
void send_msg(char * msg, int len);  // 向所有客戶端發送消息
void error_handling(char * msg);  // 錯誤處理函數int clnt_cnt = 0;  // 當前客戶端連接數量
int clnt_socks[MAX_CLNT];  // 存儲所有客戶端的socket描述符
pthread_mutex_t mutx;  // 互斥鎖，用于同步對共享資源的訪問（客戶端數組）int main(int argc, char *argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;  // 服務端socket和客戶端socketstruct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;  // 服務端和客戶端地址int clnt_adr_sz;  // 客戶端地址結構的大小pthread_t t_id;  // 線程IDif(argc != 2) {printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);  // 檢查輸入的端口號參數exit(1);}pthread_mutex_init(&mutx, NULL);  // 初始化互斥鎖serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);  // 創建服務端socketif(serv_sock == -1) {error_handling("socket() error");}memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));  // 初始化服務端地址結構serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 綁定到所有可用接口serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));  // 使用命令行提供的端口號if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)  // 綁定服務端socketerror_handling("bind() error");if(listen(serv_sock, 5) == -1)  // 開始監聽error_handling("listen() error");while(1){clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);  // 獲取客戶端地址大小clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);  // 接受客戶端連接// 添加新的客戶端socket到數組pthread_mutex_lock(&mutx);  // 獲取互斥鎖，確保線程安全clnt_socks[clnt_cnt++] = clnt_sock;  // 增加客戶端到客戶端數組pthread_mutex_unlock(&mutx);  // 釋放互斥鎖// 創建新線程來處理客戶端pthread_create(&t_id, NULL, handle_clnt, (void*)&clnt_sock);pthread_detach(t_id);  // 將線程分離，避免主線程等待printf("Connected client IP: %s \n", inet_ntoa(clnt_adr.sin_addr));  // 輸出客戶端IP地址}close(serv_sock);  // 關閉服務端socketreturn 0;}// 處理客戶端的函數
void * handle_clnt(void * arg)
{int clnt_sock = *((int*)arg);  // 獲取客戶端socketint str_len = 0, i;char msg[BUF_SIZE];  // 緩沖區while((str_len = read(clnt_sock, msg, sizeof(msg))) != 0)  // 讀取客戶端發送的消息send_msg(msg, str_len);  // 將消息轉發給所有客戶端// 客戶端斷開連接后，移除客戶端pthread_mutex_lock(&mutx);  // 獲取互斥鎖for(i = 0; i < clnt_cnt; i++)  // 查找并移除斷開的客戶端{if(clnt_sock == clnt_socks[i]){while(i++ < clnt_cnt - 1)  // 將后續客戶端前移clnt_socks[i] = clnt_socks[i + 1];break;}}clnt_cnt--;  // 客戶端數量減一pthread_mutex_unlock(&mutx);  // 釋放互斥鎖close(clnt_sock);  // 關閉客戶端socketreturn NULL;}// 向所有客戶端發送消息
void send_msg(char * msg, int len)
{int i;pthread_mutex_lock(&mutx);  // 獲取互斥鎖，保護共享資源（客戶端socket數組）for(i = 0; i < clnt_cnt; i++)  // 向所有連接的客戶端發送消息write(clnt_socks[i], msg, len);pthread_mutex_unlock(&mutx);  // 釋放互斥鎖
}// 錯誤處理函數
void error_handling(char * msg)
{fputs(msg, stderr);  // 輸出錯誤信息fputc('\n', stderr);exit(1);  // 退出程序
}

客戶端代碼：網絡編程 + 多線程

// 客戶端程序：網絡編程+多線程實現的聊天客戶端#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h> 
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <pthread.h>#define BUF_SIZE 100  // 定義消息的最大長度
#define NAME_SIZE 20  // 定義用戶名的最大長度// 函數聲明
void * send_msg(void * arg);  // 發送消息的線程函數
void * recv_msg(void * arg);  // 接收消息的線程函數
void error_handling(char * msg);  // 錯誤處理函數// 用戶名和消息緩沖區
char name[NAME_SIZE] = "[DEFAULT]";  // 默認用戶名
char msg[BUF_SIZE];  // 用于存儲用戶輸入的消息int main(int argc, char *argv[])
{int sock;struct sockaddr_in serv_addr;  // 服務器地址結構pthread_t snd_thread, rcv_thread;  // 發送和接收消息的線程void * thread_return;// 檢查命令行參數，確保提供了 IP、端口和用戶名if(argc != 4) {printf("Usage : %s <IP> <port> <name>\n", argv[0]);exit(1);}// 設置客戶端用戶名sprintf(name, "[%s]", argv[3]);// 創建客戶端socketsock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 初始化服務器地址結構memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  // 獲取服務器的IP地址serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));  // 獲取服務器的端口號// 連接到服務器if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)error_handling("connect() error");// 創建發送和接收消息的線程pthread_create(&snd_thread, NULL, send_msg, (void*)&sock);pthread_create(&rcv_thread, NULL, recv_msg, (void*)&sock);// 等待兩個線程結束pthread_join(snd_thread, &thread_return);pthread_join(rcv_thread, &thread_return);close(sock);  // 關閉客戶端socketreturn 0;}// 發送消息的線程函數
void * send_msg(void * arg)
{int sock = *((int*)arg);  // 獲取客戶端socketchar name_msg[NAME_SIZE + BUF_SIZE];  // 用于存儲帶有用戶名的消息while(1) {fgets(msg, BUF_SIZE, stdin);  // 獲取用戶輸入的消息// 如果輸入為 "q" 或 "Q"，則退出程序if(!strcmp(msg, "q\n") || !strcmp(msg, "Q\n")) {close(sock);  // 關閉socket連接exit(0);  // 退出程序}// 將用戶名和消息合并成一個字符串sprintf(name_msg, "%s %s", name, msg);// 發送合并后的消息到服務器write(sock, name_msg, strlen(name_msg));}return NULL;  // 返回空值}// 接收消息的線程函數
void * recv_msg(void * arg)
{int sock = *((int*)arg);  // 獲取客戶端socketchar name_msg[NAME_SIZE + BUF_SIZE];  // 用于存儲帶有用戶名的消息int str_len;while(1){// 從服務器讀取消息str_len = read(sock, name_msg, NAME_SIZE + BUF_SIZE - 1);if(str_len == -1)  // 如果讀取失敗，返回錯誤return (void*)-1;name_msg[str_len] = 0;  // 將讀取的字符串以 null 結尾fputs(name_msg, stdout);  // 輸出服務器發來的消息}return NULL;  // 返回空值}// 錯誤處理函數
void error_handling(char *msg)
{fputs(msg, stderr);  // 將錯誤消息輸出到標準錯誤fputc('\n', stderr);  // 輸出換行符exit(1);  // 退出程序
}

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