Linux下基于socket多线程并发通信的实现

文章编号:1008-0570(2009)05-3-0070-03

《微计算机信息》(管控一体化)2009年第25卷第5-3期

Linux下基于socket多线程并发通信的实现

Theaccomplishmentofmulti-pthreadCommunicationBasedonsocketmodelintheLinux

（四川大学电子信息学院）

王远洋周渊平郭焕丽

WANGYuan-yangZHOUYuan-pingGUOHuan-li

摘要：在Linux下开发网络通信系统可以充分发挥Linux系统出色的网络性能，本文介绍了在Linux操作系统下基于TCP/IP协议Socket套接口的通信机制以及多线程编程知识与技巧，并给出多线程方式实现多用户与服务端(C/S)并发通信模型的详细算法，最后展现了用C编写的多用户与服务器通信的应用实例并附有运行结果及截图。关键词：Linux；套接字；多线程；并发服务器

文献标识码：A中图分类号：TP316.81

技

术创新

Abstract:DevelopingthenetworkcommunicationsystemintheOSofLinuxcanfullyshowtheexcellentspecialityofLinux,Thispa-perfirstlyintroducedthesocketcommunicationmechanismandtheknowledgeofmulti-pthreadprogramming,anditalsogivesthedetailedalgorithmofmulti-pthreadwaytoaccomplishmulti-clienttoservicemodel.Intheendthispaperexhibitedaexampleap-plicationwhichwrittenbyClanguagewiththeresultphotos.Keywords:Linux;socket;multi-thread;concurrentserver

1引言

Socket是建立在传输层协议（主要是TCP和UDP）上的一种套接字规范，最初由美国加州Berkley大学提出，为UNIX系

统开发的网络通信接口，它定义了两台计算机之间通信的规范，socket屏蔽了底层通信软件和具体操作系统的差异，使得任何两台安装了TCP协议软件和实现了Socket规范的计算机之间的通信成为可能，Socket接口是TCP/IP网络最为通用的应用接口，也是在Internet上进行网络程序应用开发最通用的API，本文介绍了Socket通信的基本机制以及采用多线程技术实现并发通信的基本原理，并给出实例。

于开发新的协议或用于提取协议较隐蔽的功能。

2.3套接字的编程原理

本文主要讨论面向连接的流式套接字，我们已经知道，套接字编程均采用客户机/服务器（C/S）的协作模式，即由客户进程向服务器进程发出请求，服务器进程执行被请求的任务并将响应结果返回给客户进程，客户端进程与服务器进程交互的过程如图1所示。

2Socket基本原理

2.1套接字的基本概念

套接字是进行程序间通信（IPC）的一种方法，通信的基石是套接字，在客户机/服务器通信模型当中，一个套接字就是通信的一段，这意味着套接字用来让一个进程和其他的进程互通信息，套接字是网络通信的基本操作单元，它提供了不同主机间进程双向通信的端点，这些进程在通信前各自建立一个

Socket，并通过对Socket的读/写操作实现网络通信功能。

2.2套接字的分类

Linux系统支持多种套接字类型，主要有以下3种：

1)流式套接字(SOCK_STREAM)：这是最常用的套接字类型。TCP协议使用此类接口，它提供面向连接的、无差错的网

络信息包的传输。

图1socket通信示意图

服务器端程序的编写步骤：第一步：调用socket()函数创建一个用于通信的套接字。第二步：给已经创建的套接字绑定一个端口号，这—般通过设置网络套接口地址和调用bind()函数来实现。第三步：调用listen()函数使你的套接字成为一个监听套接字。第四步：调用accept()函数来接受客户端的连接，这时就可以和客户端通信了。第五步：处理客户端的连接请求。第六步：终止连接。

客户端程序的编写步骤：第一步：调用socket()函数创建一个用于通信的套接字。第二步：通过设置套接字地址结构，说明客户端要与之通信的服务器的IP地址和端口号。第三步：调用

2)数据报套接字(SOCK_DGRAM)：UDP协议使用此类接

口，它是无连接的服务，以的数据报进行网络传输。数据报的最大长度为32KB，传输不保证顺序性、可靠性和无重复性，它通常用于单个报文传输或可靠性不重要的场合。

3)原始套接字(SOCK_RAW)：提供对网络下层通信协议(如IP协议)的直接访问，它一般不是提供给普通用户的，并主要用

王远洋:研究生硕士

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您的论文得到两院院士关注网络与通信

务器的工作效率，Linux系统支持三种并发方式：多进程、多线程、以及I/O多路复用。而多线程技术是并行技术中开销较小，效率较高的一种方式，与其他两种方式相比，线程占用更少的系统资源，而且效率更高，是并发技术中最常用的方式。其服务器算法如图2所示：

connect()函数来建立与服务器的连接。第四步：调用读写函数发

送或者接收数据。第五步：终止连接。

2.4基本套接字函数1)创建socket函数

intsocket(intdomain,inttype,intprotocol)；该调用有三个参数：domain、type、protocol。参数domain指定协议地址簇，type为通信类型，protocol指明socket所用的协议。对于TCP而言，取值分别为：PF_INET，SOCK_STREAM，0。

2)绑定套接字与地址信息

intbind(ints,conststructsockaddr*name,intnamelen)；该函

数将套接字地址（本地主机地址和端口地址）与所创建的套接字联系起来。

3)监听连接

intlisten(intsockfd,intbacklog)；该函数有两个参数，sockfd是调用socket()返回的套接字文件描述符，backlog表示队列中

允许的最大连接数目。

4)建立套接字连接

intconnect(intsockfd,structsockaddr*serv_addr,intaddrlen)；该函数有三个参数，sockfd是调用socket()返回的套接字文件描述符,serv_addr是保存着目的地端口和IP地址的数据结构structsockaddr。addrlen为structsockaddr的长度。

5)接受请求

intaccept(intsockfd,structsockaddr*addr,int*addrlen)；当

服务器收到来自客户端的连接请求时，调用该函数接受请求。

图2多线程并发服务器算法

3.3主要的线程函数调用

Linux操作系统提供了LinuxThreads库，它是符合POSIX

标准的内核级多线程函数库。在库中提供了一些多线程编程的相关函数，在多线程编程时应包括pthread.h文件，链接时需要用库libpthread。

6)数据传输

intsend(intsockfd,constvoid*msg,intlen,intflags)；intrecv(intsockfd,void*buf,intlen,unsignedintflags）；这两个函数用于流式套接字的通信，send()函数返回实际发送的数据长度，若小于len，则说明数据没有全部发送，需要进行再次发送剩余的部分。recv()函数返回实际接受的数据长度。sockfd是你想发送数据的套接字描述符，msg是指向你想发送的数据的指针。len是数据的长度。flags通常为0，buf是接受

的信息缓冲区。

1)子线程的创建

intpthread_create(pthread_t*thread,constpthread_attr_t*attr,void*(*start_routine)(void*),void*arg)；调用此函数可以创建一个新的线程，新线程创建后执行start_routine函数，其中参数attr是线程属性，arg是向start_routine函数传递的参数。当成功创建一个新线程时，系统会自动为新线程分配一个线程ID号，并通过pthread返回给调用者。

2)等待线程结束

intpthread_join(pthread_tthread,void**value_ptr)；该函数

挂起当前进程直到所等待的线程结束。

技术创新

7)关闭套接字

intclose(intsockfd)；该函数用于关闭套接字连接，sockfd是套接字文件描述符，结束客户进程和服务进程在sockfd上的

通信。

3)线程退出

voidpthread_exit(void*value_ptr)；该函数用于终止当前线

程，并返回状态值。

3多线程socket编程

3.1多线程并发的优点

同一进程可以包括多个线程，这些线程共享相同的内存空间，而进程都有各自的内存空间，进程之间通信需要专门的机制，这无疑增加了内核的开销，降低了系统性能。线程带来的开销很小，内核无需单独复制进程的内存空间或文件描述符等，这就大量地节省了CPU时间，使得创建线程比进程的速度快数十倍。另外，多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式，还有以下的优点：1）提高应用程序响应时间；2）使多CPU系统更加有效；3）改善程序结构。

4多线程通信系统编程实例

4.1实例功能

下面，我们通过一个具体的实例来说明多线程并发通信系统的具体实现，具体功能为：

服务器端：循环等候客户连接请求，一旦有客户连接请求，开启一个子线程接受并处理客户请求，接受来自客户的信息。然后将客户信息反转后再返回给客户端。主线程继续等待其他客户请求。服务器具有同时处理多个用户的能力。

客户端：首先与服务器建立连接，然后向服务器发送数据进行交互，接受服务器的反馈信息并显示，之后继续等待用户输入直至用户输入ctrl+D结束通信。客户端接到输入ctrl+D后，客户端关闭连接并退出。

3.2多线程并发服务器算法

前面已经讲述了套接字实现的基本方法，但是，在实际应用中，该种服务器运行效率很低，因为它属于重复性服务器，即只有处理完上一个客户请求以后，才能处理下一个客户请求，而采用并发技术可以一次处理多个客户请求，可极大的提高服

4.2实验结果测试

在虚拟机Linux上开三个终端，一个运行server，另外两个分别运行client1和client2，用127.0.0.1本机地址回环进行模

拟测试，具体过程如下：

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《PLC技术应用200例》

网络与通信

1)先编译client.c和server.cgccclient.c–oclient-lpthreadgccserver.c–oserver–lpthread2)运行server：./server

3)分别运行客户端1、2，并输入相应信息./client127.0.0.1

运行结果分别如图3、图4、图5所示：

《微计算机信息》(管控一体化)2009年第25卷第5-3期

套接口API和X/[4](美)W.RichardStevens.Unix网络编程卷一：

施振川等译,北京：清华大学出版社，Open传输接口API[M]，

2001：160-163

马礼.多线程并发服务器的实现[J].华北工学院学[5]宋燕红，

报，1998，19-2：124-126

作者简介：王远洋（1984-），男，重庆人(汉族)，四川大学电子信息学院研究生，硕士，研究方向：信号与信息处理;周渊平（1955-），男，浙江杭州人(汉族)，四川大学电子信息学院教授、博士生导师，博士，研究方向：无线通信理论及系统，智能天线及MIMO技术;郭焕丽（1983-），男，重庆人(汉族)，四川大学电子信息学

院研究生，硕士，研究方向：智能天线，自适应信号处理。

图3服务器截图

技术创新

Biography:WANGYuan-yang(1984-),Male(HanNationality),ChongQingProvince,UndergraduatestudentofSchoolofElectronicalInformation,SichuanUniversity，Resarcharea:signalandinformationalprocessing.(610065成都四川大学电子信息学院）王远洋周渊平郭焕丽(SchoolofElectronicalInformation,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)WANGYuan-yangZHOUYuan-pingGUOHuan-li

通讯地址:(61006川省成都市四川大学电子信息学院信号与信息处理07研）王远洋

(收稿日期:2009.04.13)(修稿日期:2009.05.15)

(上接第137页)4小结

图4客户1截图

本文作者创新点是：本论文系统采用抽象模型进行设计，具有很强的通用性，对于模型中的抽象设备的具体实现方式不做限定，在实际应用中，可以用硬件实现，也可以用软件实现。模块化的设计使得系统模型具有非常灵活的组网方式，可以根据实际需要设定不同的监控等级。详细介绍了视频传输的各个软件模块的实现，并对软件开发过程中的问题提出了自己的解决方法，保证了视频流网络传输的可靠性和实时性，对系统的进一步改进做了阐述。

图5客户2截图

5小结

由以上截图可知，服务器可以并发响应与多个客户端请求并同时与之通信，这样极大的提高了服务器的运行效率和响应速度，尽管如此，在多线程编程当中还是有很多需要注意的地方，比如说线程安全问题、线程同步等问题。只要正确处理好以上问题，并运用本文提出的多线程并发服务器结构，就可以利用多线程开发出高效实用的大型网络通信应用程序，因此多线程技术具有十分宝贵的应用价值和广阔的应用前景。本文作者创新点：通过Linux下socket通信与多线程编程技巧相结合,实现了并发服务器模型，大大提高服务器工作效率。

参考文献

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人民邮电出版社,[5]胡晓峰等.多媒体系统原理与应用.北京：

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作者简介:邹月(1965-)，男(汉族)，广东科贸职业学院信息工程系讲师，研究生，主要从事网络技术、多媒体技术研究。

参考文献

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人民邮电出版社，[3]天夜创作室.linux网络编程技术[M].北京：

2001：59-60

-72-360元/年邮局订阅号：82-946Biography:ZOUYue(1965-)Male.Han.GuangdongVocationalcollegeofScienceandTrade,InformationEngineering,docent,Area:Networktechnique,multimediatechniqueresearch(5100广东广东科贸职业学院)邹月

(GuangdongVocationalcollegeofScienceandTrade,Guang-dong,5100)ZOUYue

通讯地址:(5100广州天河五山科华街273号9#1002)邹月

(收稿日期:2009.04.13)(修稿日期:2009.05.15)

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