多執行緒伺服器的實現

2021 年 2 月 24 日
筆記
電腦網路

本文基於 C 標準庫提供的網路通訊 API，使用 TCP ，實現一個簡單的多執行緒伺服器 Demo 。

首先要看 API，這是一項十分無聊的工作，我看的頭都暈了 🤒️ 。

API

位元組序轉換

函數原型：

#include <arpa/inet.h>
uint64_t htonll(uint64_t hostlonglong);
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint64_t ntohll(uint64_t netlonglong);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

h 表示 host, n 表示 network，這些函數的作用是把主機的位元組序轉換為網路的位元組序（即小端到大端的轉變）。

例如：

#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
    uint32_t host = 0x01020304;     // high->low: 01 02 03 04
    uint32_t network = htonl(host); // high->low: 04 03 02 01
    printf("%p\n", network);     // 0x4030201
}

socket

函數原型：

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

建立一個協議族為 domain, 協議類型為 type, 協議編號為 protocol 的套接字文件描述符。如果函數調用成功，會返回一個標識這個套接字的文件描述符，失敗的時候返回-1。

domain 的取值：

Name                Purpose                          Man page
AF_UNIX, AF_LOCAL   Local communication              unix(7)
AF_INET             IPv4 Internet protocols          ip(7)
AF_INET6            IPv6 Internet protocols          ipv6(7)
AF_IPX              IPX - Novell protocols
AF_NETLINK          Kernel user interface device     netlink(7)
AF_X25              ITU-T X.25 / ISO-8208 protocol   x25(7)
AF_AX25             Amateur radio AX.25 protocol
AF_ATMPVC           Access to raw ATM PVCs
AF_APPLETALK        AppleTalk                        ddp(7)
AF_PACKET           Low level packet interface       packet(7)
AF_ALG              Interface to kernel crypto API

AF 是 Address Family 的縮寫，INET 是 Internet 的縮寫。某些地方可能會使用 PF，即 Protocol Family，應該是同一個東西。

type 的取值：

SOCK_STREAM     Provides sequenced, reliable, two-way, connection-based byte streams.  An out-of-band data transmission mechanism may be supported.

SOCK_DGRAM      Supports datagrams (connectionless, unreliable messages of a fixed maximum length).

SOCK_SEQPACKET  Provides a sequenced, reliable, two-way connection-based data transmission path for datagrams of fixed maximum length; a consumer is required to read an entire packet with each input system call.

SOCK_RAW        Provides raw network protocol access.

SOCK_RDM        Provides a reliable datagram layer that does not guarantee ordering.

SOCK_PACKET     Obsolete and should not be used in new programs; see packet(7).

type 常用的是 STREAM 和 DGRAM ，根據描述，可以確定前者對應 TCP，而後者對應 UDP ：

SOCK_STREAM 套接字表示一個雙向的位元組流，與管道類似。流式的套接字在進行數據收發之前必須已經連接，連接使用 connect() 函數進行。一旦連接，可以使用 read() 或者 write() 函數進行數據的傳輸，流式通訊方式保證數據不會丟失或者重複接收。
SOCK_DGRAM 和 SOCK_RAW 這個兩種套接字可以使用函數 sendto() 來發送數據，使用 recvfrom() 函數接受數據，recvfrom() 接受來自製定IP地址的發送方的數據。

對於第 3 個參數 protocal，用於指定某個協議的特定類型，即 type 類型中的某個類型。通常某協議中只有一種特定類型，這樣protocol 參數僅能設置為 0 ；但是有些協議有多種特定的類型，就需要設置這個參數來選擇特定的類型。

bind

函數原型：

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

如果函數執行成功，返回值為 0，否則為 SOCKET_ERROR 。

參數：

sockfd 是一個有效的 socket 描述符（函數 socket() 的有效返回值）。
addrlen 是第二個參數 addr 結構體的長度。
addr 是一個 sockaddr 結構體指針，包含 IP 和埠等資訊。

sockaddr 的結構如下：

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;
    char sa_data[14];
};
// sa_familt_t 是無符號整型，Ubuntu 下是 unsigned short int

sockaddr 的存在是為了統一地址結構的表示方法，統一介面函數，使得不同的地址結構可以被 bind(), connect(), recvfrom(), sendto() 等函數調用。但一般的編程中並不直接對此數據結構進行操作，而使用另一個與之等價的數據結構 sockaddr_in :

struct sockaddr_in {
    short int sin_family;        /* Address family */
    unsigned short int sin_port; /* Port number */
    struct in_addr sin_addr;     /* Internet address */
    unsigned char sin_zero[8];   /* Same size as struct sockaddr */
};

各欄位解析：

sin_family ：指代協議族，在 socket 編程中有 3 個取值 AF_INET, AF_INET6, AF_UNSPEC .
sin_port ：存儲埠號（使用網路位元組順序）
sin_addr ：存儲IP地址，使用 in_addr 這個數據結構
sin_zero ：是為了讓 sockaddr 與 sockaddr_in 兩個數據結構保持大小相同而保留的空位元組。

in_addr 的結構如下：

typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr{
    in_addr_t s_addr;
};

太陰間了。

listen

int listen(int sockfd, int backlog);

返回值：無錯誤，返回 0，否則 -1 。

作用：listen 函數使用主動連接套接字變為被連接套介面，使得一個進程可以接受其它進程的請求，從而成為一個伺服器進程。在 TCP 伺服器編程中 listen 函數把進程變為一個伺服器，並指定相應的套接字變為被動連接。

listen 函數一般在調用 bind 之後，調用 accept 之前調用。

backlog 參數指定連接請求隊列的最大個數。

accept

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

接受連接請求，成功返回一個新的套接字描述符 newfd ，失敗返回-1。返回值 newfd 與參數 sockfd 是不同的，newfd 專門用於與客戶端的通訊，而 sockfd 是專門用於 listen 的 socket 。

addr 和 addrlen 都是指針，用於接收來自客戶端的 addr 的資訊。

inet_addr

函數原型：

in_addr_t inet_addr(const char *cp);

將一個點分十進位的 IP 字元串轉換為網路位元組序的 uint32_t 。

例子

int main()
{
    const char *ip = "127.0.0.1";  // 7f.00.00.01
    printf("%p\n", inet_addr(ip)); // 0x0100007f
}

send

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

其中 send(fd, buf, len, flags) 與 sendto(fd, buf, len, flags, NULL, 0) 等價。

recv

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

其中 recv(fd, buf, len, flags) 與 recvfrom(fd, buf, len, flags, NULL, 0) 等價。

connect

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

成功返回 0 ，失敗返回 -1 。

sockfd 是客戶端進程創建的，用於與服務端通訊的 socket ; addr 是目標伺服器的 IP 地址和埠。