Linux作業系統下實現多線程客戶/伺服器

在傳統的Unix模型中，當一個進程需要由另一個實體執行某件事時，該進程派生（fork）一個子進程，讓子進程去進行處理。

Unix下的大多數網路伺服器程式都是這麼編寫的，即父進程接受串連，派生子進程，子進程處理與客戶的互動。

雖然這種模型很多年來使用得很好，但是fork時有一些問題：

1. fork是昂貴的。記憶體映像要從父進程拷貝到子進程，所有描述字要在子進程中複製等等。目前有的Unix實現使用一種叫做寫時拷貝（copy－on－write）的技術，可避免父進程資料空間向子進程的拷貝。儘管有這種最佳化技術，fork仍然是昂貴的。

2. fork子進程後，需要用處理序間通訊（IPC）在父子進程之間傳遞資訊。Fork之前的資訊容易傳遞，因為子進程從一開始就有父進程資料空間及所有描述字的拷貝。但是從子進程返回資訊給父進程需要做更多的工作。

線程有助於解決這兩個問題。線程有時被稱為輕權進程（lightweight process），因為線程比進程“輕權”，一般來說，建立一個線程要比建立一個進程快10～100倍。

一個進程中的所有線程共用相同的全域記憶體，這使得線程很容易共用資訊，但是這種簡易性也帶來了同步問題。

一個進程中的所有線程不僅共用全域變數，而且共用：進程指令、大多數資料、開啟的檔案（如描述字）、訊號處理常式和訊號處置、當前工作目錄、使用者ID和組ID。

但是每個線程有自己的線程ID、寄存器集合（包括程式計數器和棧指標）、棧（用於存放局部變數和返回地址）、error、訊號掩碼、優先順序。

在Linux中線程編程符合Posix.1標準，稱為Pthreads。所有的pthread函數都以pthread_開頭。

以下先講述5個基本線程函數，在調用它們前均要包括pthread.h標頭檔。然後再給出用它們編寫的一個TCP客戶/伺服器程式例子。

第一個函數：

int pthread_create (pthread_t ＊tid,const pthread_attr_t ＊attr,void ＊(＊func)(void ＊),void ＊arg)；

一個進程中的每個線程都由一個線程ID（thread ID）標識，其資料類型是pthread_t（常常是unsigned int）。如果新的線程

建立成功，其ID將通過tid指標返回。

每個線程都有很多屬性：優先順序、起始棧大小、是否應該是一個守護線程等等，當建立線程時，我們可通過初始化一個pthread_attr_t

變數說明這些屬性以覆蓋預設值。我們通常使用預設值，在這種情況下，我們將attr參數說明為空白指標。

最後，當建立一個線程時，我們要說明一個它將執行的函數。線程以調用該函數開始，然 後或者顯式地終止（調用pthread_exit） 或者隱式地終止（讓該函數返回）。函數的地址由func參數指定，該函數的調用參數是一個指標arg，如果我們需要多個調用參數，我們必須將它們打包成一 個結構，然後將其地址當作唯一的參數傳遞給起始函數。

在func和arg的聲明中，func函數取一個通用指標（void ＊）參數，並返回一個通用指標（void ＊），這就使得我們可以傳遞一個

指標（指向任何我們想要指向的東西）給線程，由線程返回一個指標（同樣指向任何我們想要指向的東西）。

調用成功，返回0，出錯時返回正Exxx值。Pthread函數不設定errno。

第二個函數：

int pthread_join(pthread_t tid,void ＊＊status);

該函數等待一個線程終止。把線程和進程相比，pthread_creat類似於fork，而pthread_join類似於waitpid。

我們必須要等待線程的tid，很可惜，我們沒有辦法等待任意一個線程結束。

如果status指標非空，線程的傳回值（一個指向某個對象的指標）將存放在status指向的位置。

第三個函數；

pthread_t pthread_self(void);

線程都有一個ID以在給定的進程內標識自己。線程ID由pthread_creat返回，我們可以pthread_self取得自己的線程ID。

第四個函數：

int pthread_detach(pthread_t tid);

線程或者是可匯合的（joinable）或者是脫離的（detached）。當可匯 合的線程終止時，其線程ID和退出狀態將保留，直到另外一個線程調用pthread_join。脫離的線程則像守護進程：當它終止時，所有的資源都釋放， 我們不能等待它終止。如果一個線程需要知道另一個線程什麼時候終止，最好保留第二個線程的可匯合性。

Pthread_detach函數將指定的線程變為脫離的。

該函數通常被想脫離自己的線程調用，如：pthread_detach (pthread_self ( ));

第五個函數：

void pthread_exit(void ＊status);

該函數終止線程。如果線程未脫離，其線程ID和退出狀態將一直保留到調用進程中的某個其他線程調用pthread_join函數。

指標status不能指向局部於調用線程的對象，因為線程終止時這些對象也消失。

有兩種其他方法可使線程終止：

1. 啟動線程的函數（pthread_creat的第3個參數）返回。既然該函數必須說明為返回一個void指標，該傳回值便是線程的終止狀態。

2. 如果進程的main函數返回或者任何線程調用了exit，進程將終止，線程將隨之終止。

以下給出一個使用線程的TCP回射客戶/伺服器的例子，完成的功能是用戶端使用線程 給伺服器發從標準輸入得到的字元，並在主線程中將從伺服器端返回的字元顯示到標準輸出，伺服器端將用戶端發來的資料原樣返回給用戶端，每一個客戶在伺服器 上對應一個線程。利用該程式架構，通過擴充用戶端和伺服器端的處理功能，可以完成多種基於多線程的客戶機/伺服器程式。該程式在RedHat 6.0和TurboLinux4.02下調試通過。

共用標頭檔如下：

（head.h） ＃include ＃include ＃include ＃include ＃include ＃include ＃include ＃include ＃include ＃include ＃include ＃define MAXLINE 1024 ＃define SERV_PORT 8000 ＃define LISTENQ 1024 static int sockfd; static FILE ＊fp;

公用函數如下（common.c）:

/＊ 從一個描述字讀文本行 ＊/ ssize_t readline(int fd, void ＊vptr, size_t maxlen) { ssize_t n, rc; char c, ＊ptr; for (n=1; n0) { if ( (nwritten=write (fd, ptr, nleft ) )<=0 ) { if (errno==EINTR ) nwritten=0; else return (－1); } nleft－=nwritten; ptr＋＋=nwritten; }

用戶端主程式如下：

（client.c） ＃include “head.h"; ＃include “common.c"; /＊ 在str_cli中定義的要被線程執行的函數 ＊/ void ＊copyto (void ＊arg) { char sendline[MAXLINE]; while (fgets (sendline,MAXLINE,fp) !=NULL ) writen(sockfd,sendline,strlen(sendline)); shutdown(sockfd,SHUT_WR); return(NULL); } void str_cli(FILE ＊fp_arg, int sockfd_arg) { char recvline[MAXLINE]; pthread_t tid; sockfd=sockfd_arg; fp=fp_arg; pthread_creat(＆tid, NULL, copyto, NULL); while (readline (sockfd,recvline,MAXLINE) >0) ---- fputs(recvline,stdout); } int main ( int argc, char ＊＊argv ) { int sockfd; struct sockaddr_in servaddr; if (argc!=2 ) printf ( “ usage: tcpcli " ); exit(0); bzero(＆servaddr, sizeof (servaddr)) ; servaddr.sin_family=AF_INET; servaddr.sinport=htons(SERV_PORT); inet_pton (AF_INET, argv[1], ＆servaddr.sin_addr ); connect (sockfd, (struct sockaddr ＊)＆servaddr, siziof (servaddr ) ); str_cli (stdin, sockfd ); exit (0 ); }

伺服器端主程式如下：

（server.c） ＃include “head.h"; ＃include “common.c"; void str_echo (int sockfd ) { ssize_t n; char line[MAXLINE]; for (; ; ) { if ( (n=readline (sockfd, line, MAXLINE) )==0) return; writen (sockfd, line, n); } } static void ＊doit ( void ＊arg) { pthread_detach(pthread_self ( ) ); str_echo ( (int ) arg ); close ( (int ) arg ); return ( NULL ) ; } int main ( int argc, char ＊＊argv ) { int listenfd, connfd; socklen_t addrlen,len; struct sockaddr_in cliaddr, servaddr; pthread_t tid; listenfd=socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0 ); bzero (＆servaddr, sizeof (servaddr ) ); servaddr.sin_family=AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr=htonl (INADDR_ANY ); servaddr.sin_port=SERV_PORT; bind (listenfd, ( struct sockaddr ＊ )＆servaddr, sizeof (servaddr ) ); listen (listenfd, LISTENQ ); addrlen=sizeof ( cliaddr ); cliaddr=malloc(addrlen ); for ( ; ; ) { len=addrlen; connfd=accept(listenfd, (struct sockaddr ＊ )＆cliaddr, ＆len ); pthread_creat ( ＆tid, NULL, ＆doit, ( void ＊ )connfd ); } }