【Linux学习】高并发服务器 socket+epoll封装服务器/客户端举例

前言

本文主要学习Linux内核编程，结合Visual Studio 2019进行跨平台编程，内容包括高并发服务器的介绍、服务器代码封装（socket+epoll）、服务器/客户端测试

一、高并发服务器

💻什么是高并发？

📘 高并发 是一种系统运行过程中遇到的一种 “短时间内遇到大量操作请求” 的情况

【主要发生在web系统集中大量访问收到大量请求】

🌰举个例子：12306的抢票情况；天猫双十一活动【突然下单一万张票，上万人下单购物】

该情况发生会导致系统在这段时间内执行大量操作，例如，对资源的请求，数据库的操作等

💻高并发的处理指标？

高并发相关常用的一些指标有：

1️⃣响应时间（Response Time）

📗含义：系统对请求做出响应的时间

🌰举个例子：系统处理一个HTTP请求需要200ms，这个200ms就是系统的响应时间

2️⃣吞吐量（Throughput）

📗含义：单位时间内处理的请求数量

3️⃣每秒查询率QPS（Query Per Second）

📗含义：每秒响应请求数

📖在互联网领域，这个指标和吞吐量区分的没有这么明显

4️⃣并发用户数

📗含义：同时承载正常使用系统功能的用户数量

🌰举个例子：例如一个即时通讯系统，同时在线量一定程度上代表了系统的并发用户数

💻高并发和多线程的关系和区别？

“高并发和多线程” 总是被一起提起，给人感觉两者好像相等，实则【高并发 ≠ 多线程】

1️⃣多线程

多线程是java的特性，因为现在CPU都是多核多线程的，可以同时执行几个任务，为了提高jvm的执行效率，java提供了这种多线程的机制，以增强数据处理效率
多线程对应的是CPU，高并发对应的是访问请求，可以用单线程处理所有访问请求，也可以用多线程同时处理访问请求
在过去单CPU时代，单任务在一个时间点只能执行单一程序。之后发展到多任务阶段，计算机能在同一时间点并行执行多任务或多进程
虽然并不是真正意义上的 “同一时间点”，而是多个任务或进程共享一个CPU，并交由操作系统来完成多任务间对CPU的运行切换，以使得每个任务都有机会获得一定的时间片运行
再后来发展到多线程技术，使得在一个程序内部能拥有多个线程并行执行。一个线程的执行可以被认为是一个CPU在执行该程序。当一个程序运行在多线程下，就好像有多个CPU在同时执行该程序
📗总结：多线程是处理高并发的一种编程方法，即并发需要用多线程实现

2️⃣高并发

高并发不是JAVA的专有的东西，是语言无关的广义的，为提供更好互联网服务而提出的概念
典型的场景：例如，12306抢火车票，天猫双十一秒杀活动等。该情况的发生会导致系统在这段时间内执行大量操作，例如对资源的请求，数据库的操作等。
如果高并发处理不好，不仅仅降低了用户的体验度（请求响应时间过长），同时可能导致系统宕机，严重的甚至导致OOM异常，系统停止工作等
如果，要想系统能够适应高并发状态，则需要从各个方面进行系统优化，包括，硬件、网络、系统架构、开发语言的选取、数据结构的运用、算法优化、数据库优化等，而多线程只是其中解决方法之一

二、搭建服务器/客户端

💻服务器代码（4种类的封装）

🍔地址类
🍟socket基类
🍕TCP派生类
🍿epoll类

🌈地址类【CHostAddress】

📍CHostAddress.h


#pragma once
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
 
class CHostAddress
{
public:
	CHostAddress(char* ip, unsigned short port);
	~CHostAddress();
 
	char* getIp();
	void setIp(char* ip);
 
	unsigned short getPort();
	void setPort(unsigned short port);
 
	struct sockaddr_in getAddr_in();
	struct sockaddr* getAddr();
 
	int getLength();
 
private:
	char ip[16]; //保存ip地址
	int length; //保存 sockaddr_in 结构体长度
	unsigned short port; //端口号
	struct sockaddr_in s_addr;
 
};

📍CHostAddress.cpp


#include "CHostAddress.h"
 
CHostAddress::CHostAddress(char* ip, unsigned short port)
{
    memset(this->ip, 0, sizeof(this->ip));
    strcpy(this->ip, ip);
 
    this->port = port;
 
    this->s_addr.sin_family = AF_INET; 
    this->s_addr.sin_port = htons(this->port); 
    this->s_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(this->ip);
 
    this->length = sizeof(this->s_addr);
}
 
CHostAddress::~CHostAddress()
{
 
}
 
char* CHostAddress::getIp()
{
    return this->ip;
}
 
void CHostAddress::setIp(char* ip)
{
    strcpy(this->ip, ip);
}
 
unsigned short CHostAddress::getPort()
{
    return this->port;
}
 
void CHostAddress::setPort(unsigned short port)
{
    this->port = port;
}
 
sockaddr_in CHostAddress::getAddr_in()
{
    return this->s_addr;
}
 
sockaddr* CHostAddress::getAddr()
{
    // bind函数需要用到struct sockaddr *，因此return类型转换之后数据
    return (struct sockaddr*)&(this->s_addr);
}
 
int CHostAddress::getLength()
{
    return this->length;
}

🌈socket类【CBaseSocket】

📍CBaseSocket.h


#pragma once
 
#include <sys/types.h> //socket头文件        
#include <sys/socket.h>//socket头文件  
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
 
class CBaseSocket
{
public:
	CBaseSocket(char* ip, unsigned short port);
	~CBaseSocket();
	void Start();
	int getSocketFd();
	virtual void Run() = 0;//写成纯虚函数，子类来实现
	virtual void Stop() = 0;//写成纯虚函数，子类来实现
 
protected:
	int socketFd;//写到受保护区，子类可以用到
 
};

📍CBaseSocket.cpp


#include "CBaseSocket.h"
 
CBaseSocket::CBaseSocket(char* ip, unsigned short port)
{
	this->socketFd = 0;
}
 
CBaseSocket::~CBaseSocket()
{
}
 
void CBaseSocket::Start()
{
	//打通网络通道
	this->socketFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//IPPROTO_TCP用0替换也行
 
	if (this->socketFd < 0)//大于0成功，小于0失败
	{
		perror("socket error");//socket创建失败
	}
 
	this->Run();//子类实现的run函数
}
 
int CBaseSocket::getSocketFd()
{
	return this->socketFd;
}

🌈TCP类【CTcpServer】

📍CTcpServer.h


#pragma once
 
#include<iostream>
#include "CBaseSocket.h"
#include "CHostAddress.h"
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
 
using namespace std;
 
#define LISTEN_MAX_NUM 10  
 
class CTcpServer :
    public CBaseSocket
{
public:
    CTcpServer(char* ip, unsigned short port);
    ~CTcpServer();
    void Run();
    void Stop();
    CHostAddress* getAddress();
    void setAddress(CHostAddress* address);
 
private:
    CHostAddress* address;//地址类
};

📍CTcpServer.cpp


#include "CTcpSever.h"
 
CTcpServer::CTcpServer(char* ip, unsigned short port)
    :CBaseSocket(ip, port)
{
    this->address = new CHostAddress(ip, port);
}
 
CTcpServer::~CTcpServer()
{
}
 
void CTcpServer::Run()
{
    int opt_val = 1;
    int res = 0;
 
    //端口复用 解决出现 adress already use的问题
    res = setsockopt(this->socketFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (const void*)&opt_val, sizeof(opt_val));
    if (res == -1)
    {
        perror("setsockopt error");
    }
    //绑定端口号和地址 协议族
    res = bind(this->socketFd, this->address->getAddr(), this->address->getLength());
    if (res == -1)
    {
        perror("bind error");
    }
    //监听这个地址和端口有没有客户端来连接
    res = listen(this->socketFd, LISTEN_MAX_NUM);
    if (res == -1)
    {
        perror("listen error");
    }
    cout << "Server start success socketFd = " << this->socketFd << endl;
}
 
void CTcpServer::Stop()
{
    if (this->socketFd != 0)
    {
        close(this->socketFd);
        this->socketFd = 0;
    }
}
 
CHostAddress* CTcpServer::getAddress()
{
    return this->address;
}
 
void CTcpServer::setAddress(CHostAddress* address)
{
    this->address = address;
}

🌈epoll类【CEpollServer】

📍CEpollServer.h


#pragma once
#include <sys/epoll.h>
#include <iostream>
#include "CTcpSever.h"
 
#define EPOLL_SIZE 5
 
using namespace std;
 
class CEpollServer
{
public:
	CEpollServer(char* ip, unsigned short port);
	~CEpollServer();
	void Start();
 
private:
	int epollfd;
	int epollwaitefd;
	int acceptFd;
	char buf[1024]; //存放客户端发来的消息
	struct epoll_event epollEvent;
	struct epoll_event epollEventArray[5];
	CTcpServer* tcp;//TCP类
 
};

📍 CEpollServer.cpp


#include "CEpollServer.h"
 
CEpollServer::CEpollServer(char* ip, unsigned short port)
{
	//初始化 TcpServer类
	this->tcp = new CTcpServer(ip, port);
	this->tcp->Start();
	cout << "socketFd = " << this->tcp->getSocketFd() << endl;
 
	//初始化数据成员
	this->epollfd = 0;
	this->epollwaitefd = 0;
	this->acceptFd = 0;
	bzero(this->buf, sizeof(this, buf));
 
	//事件结构体初始化
	bzero(&(this->epollEvent), sizeof(this->epollEvent));
	//绑定当前准备好的sockedfd（可用网络对象）
	this->epollEvent.data.fd = this->tcp->getSocketFd();
	//绑定事件为客户端接入事件
	this->epollEvent.events = EPOLLIN;
	//创建epoll
	this->epollfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);
	//将已经准备好的网络描述符添加到epoll事件队列中
	epoll_ctl(this->epollfd, EPOLL_CTL_ADD, this->tcp->getSocketFd(), &(this->epollEvent));
}
 
CEpollServer::~CEpollServer()
{
}
 
void CEpollServer::Start()
{
	while (1)
	{
		cout << "epoll wait client" << endl;
		this->epollwaitefd = epoll_wait(this->epollfd, epollEventArray, EPOLL_SIZE, -1);
		if (this->epollwaitefd < 0)
		{
			perror("epoll wait error");
		}
		for (int i = 0; i < this->epollwaitefd; i++)
		{
			//判断是否有客户端上线
			if (epollEventArray[i].data.fd == this->tcp->getSocketFd())
			{
				cout << "网络_开始工作_等待客户端_上线" << endl;
				this->acceptFd = accept(this->tcp->getSocketFd(), NULL, NULL);
				cout << "acceptfd = " << this->acceptFd << endl;
 
				//上线的客户端描述符是acceptfd 绑定事件添加到epoll
				epollEvent.data.fd = this->acceptFd;
				epollEvent.events = EPOLLIN; //EPOLLIN表示对应的文件描述符可以读
				epoll_ctl(this->epollfd, EPOLL_CTL_ADD, this->acceptFd, &epollEvent);
			}
			else if (epollEventArray[i].events & EPOLLIN)
			{
				bzero(this->buf, sizeof(this->buf));
				int res = read(epollEventArray[i].data.fd, this->buf, sizeof(this->buf));
				if (res > 0)
				{
					cout << "服务器_收到 fd = " << epollEventArray[i].data.fd << "  送达数据: buf = " << this->buf << endl;
				}
				else if (res <= 0)
				{
					cout << "客户端 fd = " << epollEventArray[i].data.fd << " _掉线_" << endl;
					close(epollEventArray[i].data.fd);
 
					//从epoll中删除客户端描述符
					epollEvent.data.fd = epollEvent.data.fd;
					epollEvent.events = EPOLLIN;
					epoll_ctl(this->epollfd, EPOLL_CTL_DEL, epollEventArray[i].data.fd, &epollEvent);
				}
			}
		}
	}
}

💻客户端代码


#include <iostream>
#include <sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
 
using namespace std;
 
int main()
{
	int socketfd = 0;
	int acceptfd = 0;
	int len = 0;
	int res = 0;
	char buf[255] = { 0 };//初始化
 
	//初始化网络
	socketfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (socketfd == -1)
	{
		perror("socket error");
	}
	else
	{
		struct sockaddr_in s_addr;
		//确定使用哪个协议族  ipv4
		s_addr.sin_family = AF_INET;
 
		//填入服务器的ip地址  也可以是  127.0.0.1 （回环地址）
		s_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.48.129");
 
		//端口一个计算机有65535个  10000以下是操作系统自己使用的，自己定义的端口号为10000以后
		s_addr.sin_port = htons(12345);  //自定义端口号为12345
 
		len = sizeof(s_addr);
 
		//绑定ip地址和端口号
		int res = connect(socketfd, (struct sockaddr*)&s_addr, len);
		if (res == -1)
		{
			perror("connect error");
		}
		else
		{
			while (1)
			{
				cout << "请输入内容：" << endl;
				cin >> buf;
				write(socketfd, buf, sizeof(buf));
				bzero(buf, sizeof(buf));
			}
		}
	}
	return 0;
}

💻案例测试

📍main.cpp


#include <iostream>
#include "CEpollServer.h"
 
using namespace std;
 
int main()
{
	CEpollServer* epoll = new CEpollServer("192.168.48.129", 12345);
	epoll->Start();
	return 0;
}

📍测试效果

通过Linux连接VS进行跨平台编程，上为本文设计的服务器，下为两个与之相连的客户端，在客户端1和客户端2中输入内容，服务器上能接收到相应的信息，即表示测试成功！如下动图所示：

参考：

https://www.csdn.net/tags/MtjaUgxsMzAzMjgtYmxvZwO0O0OO0O0O.html

【Linux】高并发服务器设计——socket封装_似末的博客-CSDN博客_linux socket 高并发

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原文地址：https://blog.csdn.net/m0_61745661/article/details/125527759

【Linux学习】高并发服务器 socket+epoll封装 服务器/客户端举例

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