TCP/IP协议学习笔记(五)Windows下多线程多客户端的TCP服务端的实现

2023-05-16

使用多线程来实现可与多个客户端通信的服务端。
当客户端连接上服务端之后，为该客户端创建一个新的线程，在该线程中与客户端进行通信。服务端程序中的主线程负责监听并接受客户端的连接请求，创建与客户端通信的线程。
另外，这是一个在windows下实现的回音（客户端发啥服务端就回传给客户端啥）服务端。

服务端

注意下多线程下共享内存，还有printf的使用，需要线程之间同步，共享资源同一时间只能有一个线程使用。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#include <process.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")


/* 服务端相关配置 */
#define SERVER_IP		"127.0.0.1"	//服务端IPV4地址
#define SERVER_PORT		1234		//服务端端口
#define MAX_CLIENT_NUMS	50U			//最大可连接客户端数量

SOCKET serverSocket = { 0 };			//服务端套接字句柄
SOCKADDR_IN serverSocketAddr = { 0 };	//服务端套接字配置结构体
volatile unsigned int currentClientNums = { 0 };	//当前连接的客户端数量


/* 客户端相关配置 */
typedef struct
{
	char isOnline;					//客户端是否在线 1则在线  0则不在线
	SOCKET clientSocket;			//客户端SOCKET套接字句柄
	SOCKADDR_IN clientSocketAddr;	//客户端套接字配置结构体
	HANDLE threadFunc;				//客户端对应的线程句柄
}CLIENT_t, * PCLIENT_t;

CLIENT_t client[MAX_CLIENT_NUMS] = { 0 };

void ClientThreadFunc(void*);		//客户端线程函数

#define RECEIVE_BUFF_SIZE 200U		//接收缓冲区字节大小


/* 线程同步相关 */
CRITICAL_SECTION cs_printf;//关键段（临界区）
CRITICAL_SECTION cs_currentClientNums;

int main()
{
	/* 初始化DLL */
	WSADATA wsadata = { 0 };
	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsadata) != 0)//版本2.2
	{
		printf("初始化DLL失败！\n");
		return 0;
	}

	/* 创建SOCKET */
	serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);//TCP套接字
	if (serverSocket == INVALID_SOCKET)
	{
		printf("创建服务端TCP套接字失败，错误代码为：%d\n", WSAGetLastError());
		goto END;
	}

	/* 配置服务端套接字信息 */
	serverSocketAddr.sin_family = AF_INET;//IPV4
	serverSocketAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(SERVER_IP);//IP地址
	serverSocketAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);//端口 
	if (bind(serverSocket, &serverSocketAddr, sizeof(serverSocketAddr)) == SOCKET_ERROR)//绑定服务端套接字
	{
		printf("绑定服务端套接字失败，错误代码为：%d\n", WSAGetLastError());
		goto END;
	}

	/* 服务端进入监听状态 */
	if (listen(serverSocket, SOMAXCONN) == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("服务端进入监听状态失败，错误代码为：%d\n", WSAGetLastError());
		goto END;
	}

	/* 初始化关键段（临界区） */
	if (!InitializeCriticalSectionAndSpinCount(&cs_printf, 4000))
	{
		printf("关键段（临界区）cs_printf初始化失败！\n");
		DeleteCriticalSection(&cs_printf);//销毁关键段
		goto END;
	}
	InitializeCriticalSection(&cs_currentClientNums);

	/* 等待客户端连接服务端 */
	printf("服务端已经开启，IP：%s，端口：%d\n", inet_ntoa(serverSocketAddr.sin_addr), ntohs(serverSocketAddr.sin_port));

	while (1)
	{
		static SOCKET clientSocket = { 0 };//客户端套接字句柄
		static SOCKADDR_IN clientSocketAddr = { 0 };//客户端套接字配置结构体
		static unsigned int cLength = sizeof(clientSocketAddr);//结构体长度
		static unsigned int temp = { 0 };

		/* 接收客户端的连接请求 */
		/*
		* 没有新的连接程序会阻塞在这，accept是阻塞式函数
		* 直到出现异常，或者有新的连接
		*/
		clientSocket = accept(serverSocket, &clientSocketAddr, &cLength);
		if (clientSocket == SOCKET_ERROR)
		{
			EnterCriticalSection(&cs_printf);//进入关键段
			printf("客户端连接错误，错误代码为：%d\n", WSAGetLastError());
			LeaveCriticalSection(&cs_printf);//离开关键段
			continue;//继续等待下一次连接
		}
		else
		{
			/* 判断是否超过允许连接的客户端数量 */
			EnterCriticalSection(&cs_currentClientNums);//进入关键段
			temp = currentClientNums + 1;
			LeaveCriticalSection(&cs_currentClientNums);//离开关键段
			if (temp > MAX_CLIENT_NUMS)
			{
				send(clientSocket, "连接已断开，已经超过可连接的最大数量！\n", strlen("连接已断开，已经超过可连接的最大数量！\n"), 0);
				EnterCriticalSection(&cs_printf);//进入关键段
				printf("有新的客户端连接请求，IP：%s，端口：%d，但已经超过可连接的最大数量！\n", inet_ntoa(clientSocketAddr.sin_addr), ntohs(clientSocketAddr.sin_port));
				LeaveCriticalSection(&cs_printf);//离开关键段
				closesocket(clientSocket);//断开与客户端的连接
			}
			else
			{
				for (size_t i = 0; i < MAX_CLIENT_NUMS; i++)
				{
					/* 遍历哪个客户端断开连接了，如果断开连接则将相应的线程句柄关闭 */
					if (client[i].isOnline == 0)
					{
						client[i].isOnline = 1;//设置客户端在线
						client[i].clientSocket = clientSocket;//保存客户端SOCKET套接字
						memcpy(&client[i].clientSocketAddr, &clientSocketAddr, sizeof(clientSocketAddr));//保存客户端SOCKET配置结构体
						/* 创建客户端线程 */
						//注意：_endthread 会自动关闭线程句柄。 （该行为与 Win32 ExitThread API 不同。） 
						//因此，当你使用 _beginthread 和 _endthread 时，不要通过调用 Win32 CloseHandle API 来显式关闭线程句柄。
						client[i].threadFunc = _beginthread(ClientThreadFunc, 0, &client[i]);

						EnterCriticalSection(&cs_currentClientNums);//进入关键段
						EnterCriticalSection(&cs_printf);//进入关键段
						currentClientNums++;//当前在线客户端数量加一
						printf("当前已有 %d 个客户端连接，最多可连接 %d 个客户端\n", currentClientNums, MAX_CLIENT_NUMS);
						LeaveCriticalSection(&cs_printf);//离开关键段
						LeaveCriticalSection(&cs_currentClientNums);//离开关键段
						break;
					}
				}
			}
		}
	}

	DeleteCriticalSection(&cs_currentClientNums);//销毁关键段

END:
	/* 断开服务端套接字 */
	closesocket(serverSocket);

	/* 终止DLL的调用 */
	WSACleanup(wsadata);

	return 0;
}


/* 客户端线程 */
void ClientThreadFunc(void* arg)
{
	PCLIENT_t client = (PCLIENT_t)arg;
	char receiveBuff[RECEIVE_BUFF_SIZE] = { 0 };//接收来自客户端的数据缓冲区
	int result = { 0 };//recv函数返回值
	unsigned short clientPort = ntohs(client->clientSocketAddr.sin_port);//客户端端口
	IN_ADDR clientIP = client->clientSocketAddr.sin_addr;//客户端IP

	EnterCriticalSection(&cs_printf);//进入关键段
	printf("有新的客户端连接，IP：%s，端口：%d\n", inet_ntoa(clientIP), clientPort);
	LeaveCriticalSection(&cs_printf);//离开关键段

	/* 发送欢迎信息至客户端 */
	send(client->clientSocket, "Hello i am server\n", strlen("Hello i am server\n"), 0);

	while (1)
	{
		/* 接收来自客户端的数据 */
		/*
		* recv函数 的实质就是从socket的缓冲区里拷贝出数据
		* 返回值就是拷贝出字节数的大小。
		* 当缓冲区内没有内容的时候，会处于阻塞
		* 状态，这个while函数会停在这里。直到新的数据进来或者出现异常。
		*/
		result = recv(client->clientSocket, receiveBuff, RECEIVE_BUFF_SIZE, 0);
		if (result > 0)
		{
			//添加字符串结束标志，便于用字符串输出
			if (result >= RECEIVE_BUFF_SIZE)
			{
				receiveBuff[RECEIVE_BUFF_SIZE - 1] = '\0';
			}
			else
			{
				receiveBuff[result] = '\0';
			}
			send(client->clientSocket, receiveBuff, strlen(receiveBuff), 0);//数据回传
			EnterCriticalSection(&cs_printf);//进入关键段
			printf("收到来自IP：%s，端口：%d客户端的信息：%s\n", inet_ntoa(clientIP), clientPort, receiveBuff);
			LeaveCriticalSection(&cs_printf);//离开关键段
		}
		else if (result == 0)//result == 0 说明客户端断开连接
		{
			EnterCriticalSection(&cs_printf);//进入关键段
			printf("客户端断开连接，IP：%s，端口：%d\n", inet_ntoa(clientIP), clientPort);
			LeaveCriticalSection(&cs_printf);//离开关键段
			break;
		}
		else//result < 0 说明出现异常
		{
			EnterCriticalSection(&cs_printf);//进入关键段
			printf("与客户端通信时发生异常，IP：%s，端口：%d\n", inet_ntoa(clientIP), clientPort);
			LeaveCriticalSection(&cs_printf);//离开关键段
			break;
		}
	}

	closesocket(client->clientSocket);//断开连接
	client->isOnline = 0;//设置客户端不在线
	EnterCriticalSection(&cs_currentClientNums);//进入关键段
	currentClientNums--;//当前在线客户端数量减一
	LeaveCriticalSection(&cs_currentClientNums);//离开关键段
	_endthread();//终止当前线程
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#include <process.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")


/* 服务端信息 */
#define SERVER_IP			"127.0.0.1"	//服务端IPV4地址
#define SERVER_PORT			1234		//服务端端口
SOCKADDR_IN serverSocketAddr = { 0 };	//服务端套接字配置结构体

/* 客户端相关配置 */
SOCKET clientSocket = { 0 };			//客户端SOCKET套接字
#define BUFF_SIZE 200U					//缓冲区字节大小
char sendBuff[BUFF_SIZE] = { 0 };		//发送缓冲区
char receiveBuff[BUFF_SIZE] = { 0 };	//接收缓冲区
void RecevieThreadFunc(void*);			//客户端接收来自服务端的数据线程函数
volatile char isOnline = { 0 };			//客户端是否在线 1则在线  0则不在线

/* 线程同步相关 */
CRITICAL_SECTION cs_printf;//关键段（临界区）
CRITICAL_SECTION cs_isOnline;


int main()
{
	/* 初始化DLL */
	WSADATA wsadata = { 0 };
	if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsadata) != 0)//版本2.2
	{
		printf("初始化DLL失败！\n");
		return 0;
	}

	/* 创建SOCKET */
	clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);//TCP套接字
	if (clientSocket == INVALID_SOCKET)
	{
		printf("创建客户端TCP套接字失败，错误代码为：%d\n", WSAGetLastError());
		goto END;
	}

	/* 配置服务端套接字信息并连接服务端 */
	serverSocketAddr.sin_family = AF_INET;//IPV4
	serverSocketAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(SERVER_IP);//IP地址
	serverSocketAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);//端口
	if (connect(clientSocket, &serverSocketAddr, sizeof(serverSocketAddr)) == SOCKET_ERROR)//连接服务端
	{
		printf("连接服务端失败，错误代码为：%d\n", WSAGetLastError());
		goto END;
	}

	/* 初始化关键段（临界区） */
	if (!InitializeCriticalSectionAndSpinCount(&cs_printf, 4000))
	{
		printf("关键段（临界区）cs_printf初始化失败！\n");
		DeleteCriticalSection(&cs_printf);//销毁关键段
		goto END;
	}
	InitializeCriticalSection(&cs_isOnline);

	/* 客户端连接上了服务端 */
	printf("已经连接上服务端，服务端IP：%s，端口：%d\n", inet_ntoa(serverSocketAddr.sin_addr), ntohs(serverSocketAddr.sin_port));
	isOnline = 1;

	/* 创建接收来自服务端数据的线程 */
	_beginthread(RecevieThreadFunc, 0, NULL);

	/* 接收用户的输入并发送至服务端 */
	while (1)
	{
		EnterCriticalSection(&cs_isOnline);//进入关键段
		if (!isOnline)//判断客户端是否在线
		{
			LeaveCriticalSection(&cs_isOnline);
			goto END;
		}
		LeaveCriticalSection(&cs_isOnline);//离开关键段

		EnterCriticalSection(&cs_printf);//进入关键段
		printf("请输入需要发送至服务端的数据：\n");
		LeaveCriticalSection(&cs_printf);//离开关键段
		scanf("%s", sendBuff);
		send(clientSocket, sendBuff, strlen(sendBuff), 0);//发送至服务端
		Sleep(100);
	}

	DeleteCriticalSection(&cs_isOnline);//销毁关键段

END:
	/* 断开服务端套接字 */
	closesocket(clientSocket);

	/* 终止DLL的调用 */
	WSACleanup(wsadata);

	return 0;
}


void RecevieThreadFunc(void* arg)
{
	int result = { 0 };//recv函数返回值

	while (1)
	{
		/* 接收来自服务端的数据 */
		/*
		* recv函数 的实质就是从socket的缓冲区里拷贝出数据
		* 返回值就是拷贝出字节数的大小。
		* 当缓冲区内没有内容的时候，会处于阻塞
		* 状态，这个while函数会停在这里。直到新的数据进来或者出现异常。
		*/
		result = recv(clientSocket, receiveBuff, BUFF_SIZE, 0);
		if (result > 0)
		{
			//添加字符串结束标志，便于用字符串输出
			if (result >= BUFF_SIZE)
			{
				receiveBuff[BUFF_SIZE - 1] = '\0';
			}
			else
			{
				receiveBuff[result] = '\0';
			}
			EnterCriticalSection(&cs_printf);//进入关键段
			printf("收到来自服务端的信息：%s\n", receiveBuff);
			LeaveCriticalSection(&cs_printf);//离开关键段
		}
		else if (result == 0)//result == 0 说明服务端断开连接
		{
			EnterCriticalSection(&cs_isOnline);//进入关键段
			EnterCriticalSection(&cs_printf);//进入关键段
			printf("服务端断开连接\n");
			isOnline = 0;
			LeaveCriticalSection(&cs_printf);//离开关键段
			LeaveCriticalSection(&cs_isOnline);//离开关键段
			break;
		}
		else//result < 0 说明出现异常
		{
			EnterCriticalSection(&cs_printf);//进入关键段
			printf("与服务端通信时发生异常\n");
			LeaveCriticalSection(&cs_printf);//离开关键段
			break;
		}
	}

	closesocket(clientSocket);//断开连接
	_endthread();//终止当前线程
}

结果

服务端
在这里插入图片描述
客户端

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