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Linux利用多线程和线程同步实现一个简单的聊天服务器

news 来源：原创 2025/7/25 21:44:30

1. 概述

本文实现一个基于TCP/IP的简单多人聊天室程序。它包含一个服务器端和一个客户端：服务器能够接收多个客户端的连接，并将任何一个客户端发来的消息广播给所有其他连接的客户端；客户端则可以连接到服务器，发送消息并接收来自其他人的消息。该Demo运用了网络编程（Socket API）、多线程（Pthreads）以及线程同步（互斥锁）技术，以实现并发处理和数据共享安全。

2. 核心技术

网络编程(Sockets)
- TCP/IP: 选择面向连接的TCP协议，保证数据传输的可靠性。
- 服务器端流程:
  1. socket(): 创建套接字。
  2. memset()/struct sockaddr_in: 配置服务器地址和端口。
  3. bind(): 绑定套接字到指定地址和端口。
  4. listen(): 设置套接字为监听状态，等待连接。
  5. accept(): 接受客户端连接，为每个连接创建一个新的套接字。
- 客户端流程:
  1. socket(): 创建套接字。
  2. memset()/struct sockaddr_in: 配置服务器地址和端口。
  3. connect(): 连接到服务器。
- 数据传输: read() 和 write() 用于双向通信。
多线程 (Pthreads)
- 服务器端:
  - 主线程负责 accept() 连接。
  - 每接受一个新客户端，使用 pthread_create() 创建一个新的处理线程 (handle_clnt)。
  - 使用 pthread_detach() 将子线程设置为分离状态，使其结束后资源能自动回收，主线程无需 join。
- 客户端:
  - 创建两个核心线程：
    - send_msg 线程：负责获取用户键盘输入并将其发送到服务器。
    - recv_msg 线程：负责接收服务器广播的消息并显示在控制台。
  - 这种设计使得用户输入和消息接收可以并行进行，互不阻塞。
线程同步 (Mutex)
- 场景: 服务器端多个 handle_clnt 线程会并发访问和修改共享资源（如客户端套接字数组 clnt_socks 和当前客户端计数 clnt_cnt）。
- 机制: 使用互斥锁 (mutx) 保护这些临界区。
  - pthread_mutex_init(): 初始化互斥锁。
  - pthread_mutex_lock(): 在访问共享资源前加锁。
  - pthread_mutex_unlock(): 访问完毕后解锁。
- 关键操作加锁:
  - 添加新客户端到 clnt_socks。
  - 从 clnt_socks 移除断开连接的客户端。
  - send_msg (服务器端广播函数) 遍历 clnt_socks 时。

3. 主要模块实现

A. 服务器端 (`server`)

main() 函数:
- 参数解析 (端口号)。
- 初始化互斥锁。
- 完成socket的创建、绑定、监听。
- 进入无限循环，通过 accept() 接收客户端连接。
- 为每个连接创建 handle_clnt 线程并分离。
handle_clnt(void* arg) 函数:
- 获取传递过来的客户端套接字。
- 循环调用 read() 接收该客户端的消息。
- 若 read() 成功，则调用 send_msg() (服务器的) 广播此消息。
- 若 read() 返回0 (客户端关闭连接)，则执行清理：加锁 -> 从 clnt_socks 移除 -> clnt_cnt-- -> 解锁 -> close() 该客户端套接字。
send_msg(char* msg, int len) 函数 (服务器端):
- 加锁。
- 遍历 clnt_socks 数组，将消息 write() 给每一个已连接的客户端。
- 解锁。

B. 客户端 (`client`)

main() 函数:
- 参数解析 (服务器IP, 端口号, 用户名)。
- 创建socket并 connect() 到服务器。
- 创建 send_msg 和 recv_msg 两个线程。
- pthread_join() 等待这两个线程结束（虽然当前 send_msg 中的 exit(0) 会提前终止）。
send_msg(void* arg) 函数:
- 循环获取用户标准输入 (fgets)。
- 检测到 "q" 或 "Q" 时，close(sock) 并 exit(0) (可改进点)。
- 将用户名和消息格式化后通过 write() 发送给服务器。
recv_msg(void* arg) 函数:
- 循环调用 read() 从服务器接收消息。
- 将接收到的消息 fputs() 到标准输出。

4. 总结

互斥锁的必要性: 在多线程环境下，若不使用同步机制保护共享数据，会导致数据竞争和不可预期的结果。clnt_socks 和 clnt_cnt 的并发修改是典型场景。
线程分离 vs. 等待: 服务器端 pthread_detach 的使用简化了主线程的管理，适用于这种“即发即忘”的独立工作单元。客户端 pthread_join 的意图是等待线程完成，但需配合更优雅的线程退出信号。
阻塞I/O与多线程: 每个客户端一个线程，每个线程中的 read() 是阻塞的。这简化了单个线程的逻辑，但当连接数非常大时，线程资源开销会成为瓶颈。
客户端非阻塞体验: 通过发送和接收分离到不同线程，客户端用户体验得到了提升，不会因为等待网络消息而卡住输入。
基本通信协议: 客户端在发送消息前简单地将用户名预置到消息体中，服务器直接转发这个消息体。这是一个非常初级的“协议”。

具体代码如下：

服务端代码：网络编程 + 多线程 + 线程同步

// 网络编程+多线程+线程同步实现的聊天服务器和客户端#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <pthread.h>#define BUF_SIZE 100  // 定义缓冲区大小
#define MAX_CLNT 256  // 最大客户端数量// 函数声明
void * handle_clnt(void * arg);  // 处理客户端连接的线程函数
void send_msg(char * msg, int len);  // 向所有客户端发送消息
void error_handling(char * msg);  // 错误处理函数int clnt_cnt = 0;  // 当前客户端连接数量
int clnt_socks[MAX_CLNT];  // 存储所有客户端的socket描述符
pthread_mutex_t mutx;  // 互斥锁，用于同步对共享资源的访问（客户端数组）int main(int argc, char *argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;  // 服务端socket和客户端socketstruct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;  // 服务端和客户端地址int clnt_adr_sz;  // 客户端地址结构的大小pthread_t t_id;  // 线程IDif(argc != 2) {printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);  // 检查输入的端口号参数exit(1);}pthread_mutex_init(&mutx, NULL);  // 初始化互斥锁serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);  // 创建服务端socketif(serv_sock == -1) {error_handling("socket() error");}memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));  // 初始化服务端地址结构serv_adr.sin_family = AF_INET;serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 绑定到所有可用接口serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));  // 使用命令行提供的端口号if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)  // 绑定服务端socketerror_handling("bind() error");if(listen(serv_sock, 5) == -1)  // 开始监听error_handling("listen() error");while(1){clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);  // 获取客户端地址大小clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);  // 接受客户端连接// 添加新的客户端socket到数组pthread_mutex_lock(&mutx);  // 获取互斥锁，确保线程安全clnt_socks[clnt_cnt++] = clnt_sock;  // 增加客户端到客户端数组pthread_mutex_unlock(&mutx);  // 释放互斥锁// 创建新线程来处理客户端pthread_create(&t_id, NULL, handle_clnt, (void*)&clnt_sock);pthread_detach(t_id);  // 将线程分离，避免主线程等待printf("Connected client IP: %s \n", inet_ntoa(clnt_adr.sin_addr));  // 输出客户端IP地址}close(serv_sock);  // 关闭服务端socketreturn 0;}// 处理客户端的函数
void * handle_clnt(void * arg)
{int clnt_sock = *((int*)arg);  // 获取客户端socketint str_len = 0, i;char msg[BUF_SIZE];  // 缓冲区while((str_len = read(clnt_sock, msg, sizeof(msg))) != 0)  // 读取客户端发送的消息send_msg(msg, str_len);  // 将消息转发给所有客户端// 客户端断开连接后，移除客户端pthread_mutex_lock(&mutx);  // 获取互斥锁for(i = 0; i < clnt_cnt; i++)  // 查找并移除断开的客户端{if(clnt_sock == clnt_socks[i]){while(i++ < clnt_cnt - 1)  // 将后续客户端前移clnt_socks[i] = clnt_socks[i + 1];break;}}clnt_cnt--;  // 客户端数量减一pthread_mutex_unlock(&mutx);  // 释放互斥锁close(clnt_sock);  // 关闭客户端socketreturn NULL;}// 向所有客户端发送消息
void send_msg(char * msg, int len)
{int i;pthread_mutex_lock(&mutx);  // 获取互斥锁，保护共享资源（客户端socket数组）for(i = 0; i < clnt_cnt; i++)  // 向所有连接的客户端发送消息write(clnt_socks[i], msg, len);pthread_mutex_unlock(&mutx);  // 释放互斥锁
}// 错误处理函数
void error_handling(char * msg)
{fputs(msg, stderr);  // 输出错误信息fputc('\n', stderr);exit(1);  // 退出程序
}

客户端代码：网络编程 + 多线程

// 客户端程序：网络编程+多线程实现的聊天客户端#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h> 
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <pthread.h>#define BUF_SIZE 100  // 定义消息的最大长度
#define NAME_SIZE 20  // 定义用户名的最大长度// 函数声明
void * send_msg(void * arg);  // 发送消息的线程函数
void * recv_msg(void * arg);  // 接收消息的线程函数
void error_handling(char * msg);  // 错误处理函数// 用户名和消息缓冲区
char name[NAME_SIZE] = "[DEFAULT]";  // 默认用户名
char msg[BUF_SIZE];  // 用于存储用户输入的消息int main(int argc, char *argv[])
{int sock;struct sockaddr_in serv_addr;  // 服务器地址结构pthread_t snd_thread, rcv_thread;  // 发送和接收消息的线程void * thread_return;// 检查命令行参数，确保提供了 IP、端口和用户名if(argc != 4) {printf("Usage : %s <IP> <port> <name>\n", argv[0]);exit(1);}// 设置客户端用户名sprintf(name, "[%s]", argv[3]);// 创建客户端socketsock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 初始化服务器地址结构memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);  // 获取服务器的IP地址serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));  // 获取服务器的端口号// 连接到服务器if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)error_handling("connect() error");// 创建发送和接收消息的线程pthread_create(&snd_thread, NULL, send_msg, (void*)&sock);pthread_create(&rcv_thread, NULL, recv_msg, (void*)&sock);// 等待两个线程结束pthread_join(snd_thread, &thread_return);pthread_join(rcv_thread, &thread_return);close(sock);  // 关闭客户端socketreturn 0;}// 发送消息的线程函数
void * send_msg(void * arg)
{int sock = *((int*)arg);  // 获取客户端socketchar name_msg[NAME_SIZE + BUF_SIZE];  // 用于存储带有用户名的消息while(1) {fgets(msg, BUF_SIZE, stdin);  // 获取用户输入的消息// 如果输入为 "q" 或 "Q"，则退出程序if(!strcmp(msg, "q\n") || !strcmp(msg, "Q\n")) {close(sock);  // 关闭socket连接exit(0);  // 退出程序}// 将用户名和消息合并成一个字符串sprintf(name_msg, "%s %s", name, msg);// 发送合并后的消息到服务器write(sock, name_msg, strlen(name_msg));}return NULL;  // 返回空值}// 接收消息的线程函数
void * recv_msg(void * arg)
{int sock = *((int*)arg);  // 获取客户端socketchar name_msg[NAME_SIZE + BUF_SIZE];  // 用于存储带有用户名的消息int str_len;while(1){// 从服务器读取消息str_len = read(sock, name_msg, NAME_SIZE + BUF_SIZE - 1);if(str_len == -1)  // 如果读取失败，返回错误return (void*)-1;name_msg[str_len] = 0;  // 将读取的字符串以 null 结尾fputs(name_msg, stdout);  // 输出服务器发来的消息}return NULL;  // 返回空值}// 错误处理函数
void error_handling(char *msg)
{fputs(msg, stderr);  // 将错误消息输出到标准错误fputc('\n', stderr);  // 输出换行符exit(1);  // 退出程序
}

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编程日记 2025/7/18 13:01:42

【滑动窗口】LeetCode 1004题解 | 最大连续1的个数 Ⅲ

最大连续1的个数 Ⅲ 一、题目链接二、题目三、题目解析四、算法原理解法一：暴力枚举 zero计数器解法二：滑动窗口五、编写代码六、时空复杂度一、题目链接最大连续1的个数 Ⅲ 二、题目三、题目解析注意题目中说的是最多k次，在一个数组…...

编程日记 2025/7/24 20:49:41

Linux 内核等待机制详解：prepare_to_wait_exclusive 与 TASK_INTERRUPTIBLE

1. prepare_to_wait_exclusive 函数解析 1.1 核心作用 prepare_to_wait_exclusive 是 Linux 内核中用于将进程以独占方式加入等待队列的关键函数，其主要功能包括：标记独占等待：通过设置 WQ_FLAG_EXCLUSIVE 标志，表明此等待条目是独占的。安全入队：在自旋锁保护下，将条…...

编程日记 2025/7/24 5:32:33

分布式数据库TiDB：深度解析原理、优化与架构设计

💂 个人网站:【摸鱼游戏】【神级代码资源网站】【星海网址导航】一、TiDB架构设计与核心原理 1.1 分布式架构演进传统分库分表 vs TiDB架构 #mermaid-svg-8I88Hg2AVkzYTb3O {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fi…...

编程日记 2025/7/22 15:05:48

【深度学习基础】损失函数与优化算法详解：从理论到实践

【深度学习基础】损失函数与优化算法详解：从理论到实践一、引言 1. 损失函数与优化算法在深度学习中的核心作用在深度学习中，模型训练的本质是通过不断调整参数，使模型输出尽可能接近真实值。这一过程的核心驱动力是损失函数（…...

编程日记 2025/7/25 18:52:01

睿抗足球机器人

目录大框架战术 Lua脚本语言编辑环境大框架策略脚本（LUA-官方脚本）、决策算法（C-自定义）、ROS系统战术我们研究了场地的长度、宽度、禁区范围、机器人运动速度等等，发现即使 Kicker 点球往极端角度踢&#xf…...

编程日记 2025/7/25 9:49:17

助力DBA技能无缝平迁 | YashanDB携最新成果亮相XCOPS智能运维管理人年会

5 月 16 日，由上海市软件行业协会、上海市计算机行业协会指导， dbaplus社群主办的XCOPS智能运维管理人年会在广州盛大召开，活动汇聚500余名金融、政府、能源、教育、电信、交通等领域的行业专家。深算院崖山数据库受邀参会，系统性…...

编程日记 2025/7/21 6:02:08

服务端安全测试：OWASP ZAP使用

ZAP下载地址：https://www.zaproxy.org/download/ ZAP有两种扫描方式： 1、使用 OpenAPI / Swagger 地址进行扫描 2、ZAP Proxy + Postman 因为业务云没有添加swagger插件所以本次介绍第2种方式。【第一步】设置 ZAP 的代理端口（默认是 127.0.0.1:8080）成功安装并打…...

编程日记 2025/7/25 7:33:06