面向连接的Socket Server的简单实现

一、基本原理

有时候我们需要实现一个公共的模块，需要对多个其他的模块提供服务，最常用的方式就是实现一个Socket Server，接受客户的请求，并返回给客户结果。

这经常涉及到如果管理多个连接及如何多线程的提供服务的问题，常用的方式就是连接池和线程池，基本流程如下：

首先服务器端有一个监听线程，不断监听来自客户端的连接。

当一个客户端连接到监听线程后，便建立了一个新的连接。

监听线程将新建立的连接放入连接池进行管理，然后继续监听新来的连接。

线程池中有多个服务线程，每个线程都监听一个任务队列，一个建立的连接对应一个服务任务，当服务线程发现有新的任务的时候，便用此连接向客户端提供服务。

一个Socket Server所能够提供的连接数可配置，如果超过配置的个数则拒绝新的连接。

当服务线程完成服务的时候，客户端关闭连接，服务线程关闭连接，空闲并等待处理新的任务。

连接池的监控线程清除其中关闭的连接对象，从而可以建立新的连接。

二、对Socket的封装

Socket的调用主要包含以下的步骤：

调用比较复杂，我们首先区分两类Socket，一类是Listening Socket，一类是Connected Socket.

Listening Socket由MySocketServer负责，一旦accept，则生成一个Connected Socket，又MySocket负责。

MySocket主要实现的方法如下：

int MySocket::write(const char * buf, int length)
{
        int ret = 0;
        int left = length;
        int index = 0;
        while(left > 0)
        {
                ret = send(m_socket, buf + index, left, 0);
                if(ret == 0)
                        break;
                else if(ret == -1)
                {
                        break;
                }
                left -= ret;
                index += ret;
        }
        if(left > 0)
                return -1;
        return 0;
}

int MySocket::read(char * buf, int length)
{
        int ret = 0;
        int left = length;
        int index = 0;
        while(left > 0)
        {
                ret = recv(m_socket, buf + index, left, 0);
                if(ret == 0)
                        break;
                else if(ret == -1)
                        return -1;
                left -= ret;
                index += ret;
        }

        return index;
}

int MySocket::status()
{
        int status;
        int ret;
        fd_set checkset;
        struct timeval timeout;

        FD_ZERO(&checkset);
        FD_SET(m_socket, &checkset);

        timeout.tv_sec = 10;
        timeout.tv_usec = 0;

        status = select((int)m_socket + 1, &checkset, 0, 0, &timeout);
        if(status < 0)
                ret = -1;
        else if(status == 0)
                ret = 0;
        else
                ret = 0;
        return ret;
}

int MySocket::close()
{
        struct linger lin;
        lin.l_onoff = 1;
        lin.l_linger = 0;
        setsockopt(m_socket, SOL_SOCKET, SO_LINGER, (const char *)&lin, sizeof(lin));
        ::close(m_socket);
        return 0;
}

MySocketServer的主要方法实现如下：

int MySocketServer::init(int port)
{
        if((m_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
        {
                return -1;
        }

        struct sockaddr_in serverAddr;
        memset(&serverAddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
        serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        serverAddr.sin_family = AF_INET;
        serverAddr.sin_port = htons(port);

        if(bind(m_socket, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == -1)
        {
                ::close(m_socket);
                return -1;
        }

        if(listen(m_socket, SOMAXCONN) == -1)
        {
                ::close(m_socket);
                return -1;
        }

        struct linger lin;
        lin.l_onoff = 1;
        lin.l_linger = 0;

        setsockopt(m_socket, SOL_SOCKET, SO_LINGER, (const char *)&lin, sizeof(lin));
        m_port = port;
        m_inited = true;
        return 0;
}

MySocket * MySocketServer::accept()
{
        int sock;
        struct sockaddr_in clientAddr;
        socklen_t clientAddrSize = sizeof(clientAddr);
        if((sock = ::accept(m_socket, (struct sockaddr *)&clientAddr, &clientAddrSize)) == -1)
        {
                return NULL;
        }
        MySocket* socket = new MySocket(sock);
        return socket;
}

MySocket * MySocketServer::accept(int timeout)
{
        struct timeval timeout;
        timeout.tv_sec = timeout;
        timeout.tv_usec = 0;

        fd_set checkset;
        FD_ZERO(&checkset);
        FD_SET(m_socket, &checkset);

        int status = (int)select((int)(m_socket + 1), &checkset, NULL, NULL, &timeout);
        if(status < 0)
                return NULL;
        else if(status == 0)
                return NULL;

        if(FD_ISSET(m_socket, &checkset))
        {
                return accept();
        }
}

三、线程池的实现

一个线程池一般有一个任务队列，启动的各个线程从任务队列中竞争任务，得到的线程则进行处理：list<MyTask *>  m_taskQueue;

任务队列由锁保护，使得线程安全：pthread_mutex_t m_queueMutex

任务队列需要条件变量来支持生产者消费者模式：pthread_cond_t m_cond

如果任务列表为空，则线程等待，等待中的线程个数为：m_numWaitThreads

需要一个列表来维护线程池中的线程：vector<MyThread *> m_threads

每个线程需要一个线程运行函数：

void * __thread_new_proc(void *p)
{
    ((MyThread *)p)->run();
    return 0;
}

每个线程由MyThread类负责，主要函数如下：

int MyThread::start()
{

    pthread_attr_t  attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setschedpolicy(&attr, SCHED_FIFO);

    int ret = pthread_create(&m_thread, &attr, thread_func, args);
    pthread_attr_destroy(&attr);

    if(ret != 0)
        return –1;

}

int MyThread::stop()
{

    int ret = pthread_kill(m_thread, SIGINT);

    if(ret != 0)
        return –1;
}

int MyThread::join()

{

    int ret = pthread_join(m_thread, NULL);

    if(ret != 0)

        return –1;

}

void MyThread::run()

{

    while (false == m_bStop)

    {

        MyTask *pTask = m_threadPool->getNextTask();

        if (NULL != pTask)

        {

            pTask->process();

        }

    }

}

线程池由MyThreadPool负责，主要函数如下：

int MyThreadPool::init()
{

    pthread_condattr_t cond_attr;
    pthread_condattr_init(&cond_attr);
    pthread_condattr_setpshared(&cond_attr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);
    int ret =  pthread_cond_init(&m_cond, &cond_attr);
    pthread_condattr_destroy(&cond_attr);

    if (ret_val != 0)
        return –1;

    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    pthread_mutexattr_setpshared(&attr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);
    ret = pthread_mutex_init(&m_queueMutex, &attr);
    pthread_mutexattr_destroy(&attr);

    if (ret_val != 0)
        return –1;

    for (int i = 0; i< m_poolSize; ++i)
    {
        MyThread *thread = new MyThread(i+1, this);       
        m_threads.push_back(thread);
    }

    return 0;
}

int MyThreadPool::start()
{
    int ret;
    for (int i = 0; i< m_poolSize; ++i)
    {       
       ret = m_threads[i]->start();
       if (ret != 0)
           break;      
    }

    ret = pthread_cond_broadcast(&m_cond);

    if(ret != 0)
        return –1;
    return 0;
}

void MyThreadPool::addTask(MyTask *ptask)
{
    if (NULL == ptask)
        return;

    pthread_mutex_lock(&m_queueMutex);

    m_taskQueue.push_back(ptask);       

    if (m_waitingThreadCount > 0)
        pthread_cond_signal(&m_cond);

    pthread_mutex_unlock(&m_queueMutex);
}

MyTask * MyThreadPool::getNextTask()
{
    MyTask *pTask = NULL; 

    pthread_mutex_lock(&m_queueMutex);

    while (m_taskQueue.begin() == m_taskQueue.end())
    { 
        ++m_waitingThreadCount;

        pthread_cond_wait(&n_cond, &m_queueMutex);

        --m_waitingThreadCount;      
    }   

    pTask = m_taskQueue.front();

    m_taskQueue.pop_front();

    pthread_mutex_unlock(&m_queueMutex);

    return pTask;  
}

其中每一个任务的执行由MyTask负责，其主要方法如下：

void MyTask::process()

{

    //用read从客户端读取指令

    //对指令进行处理

    //用write向客户端写入结果

}

四、连接池的实现

每个连接池保存一个链表保存已经建立的连接：list<MyConnection *> * m_connections

当然这个链表也需要锁来进行多线程保护：pthread_mutex_t m_connectionMutex;

此处一个MyConnection也是一个MyTask，由一个线程来负责。

线程池也作为连接池的成员变量：MyThreadPool * m_threadPool   

连接池由类MyConnectionPool负责，其主要函数如下：

void MyConnectionPool::addConnection(MyConnection * pConn)
{

    pthread_mutex_lock(&m_connectionMutex);

    m_connections->push_back(pConn);

    pthread_mutex_unlock(&m_connectionMutex);

    m_threadPool->addTask(pConn);
}

MyConnectionPool也要启动一个背后的线程，来管理这些连接，移除结束的连接和错误的连接。

void MyConnectionPool::managePool()
{

    pthread_mutex_lock(&m_connectionMutex);

    for (list<MyConnection *>::iterator itr = m_connections->begin(); itr!=m_connections->end(); )
    {
        MyConnection *conn = *itr;       
        if (conn->isFinish())
        {
            delete conn;
            conn = NULL;
            list<MyConnection *>::iterator pos = itr++;
            m_connections->erase(pos);                        
        }
        else if (conn->isError())
        {

            //处理错误的连接
            ++itr;
        }
        else
        {
            ++itr;
        }
    }

    pthread_mutex_unlock(&m_connectionMutex);

}

五、监听线程的实现

监听线程需要有一个MySocketServer来监听客户端的连接，每当形成一个新的连接，查看是否超过设置的最大连接数，如果超过则关闭连接，如果未超过设置的最大连接数，则形成一个新的MyConnection，将其加入连接池和线程池。

MySocketServer *pServer = new MySocketServer(port);

MyConnectionPool *pPool = new MyConnectionPool();

while (!stopFlag)

{

    MySocket * sock = pServer->acceptConnection(5);

    if(sock != null)

    {

        if(m_connections.size > maxConnectionSize)

        {

            sock.close();

        }

        MyTask *pTask = new MyConnection();

        pPool->addConnection(pTask);      

    }

}