Liunx C 编程之多线程与Socket

Posted 2022-06-15 dongxiaodong

多线程

pthread.h是linux特有的头文件，POSIX线程（POSIX threads），简称Pthreads，是线程的POSIX标准。该标准定义了创建和操纵线程的一整套API。在类Unix操作系统（Unix、Linux、Mac OS X等）中，都使用Pthreads作为操作系统的线程。Windows操作系统也有其移植版pthreads-win32。

创建线程
1.pthread_create 创建一个新线程并使之运行起来。该函数可以在程序的任何地方调用包括线程内，线程是没有依赖关系的。
2.一个进程可以创建的线程最大数量取决于系统实现
3. pthread_create参数：
        thread：返回一个不透明的，唯一的新线程标识符。
        attr：不透明的线程属性对象。可以指定一个线程属性对象，或者NULL为缺省值。
        start_routine：线程将会执行一次的C函数。
        arg: 传递给start_routine单个参数，传递时必须转换成指向void的指针类型。没有参数传递时，可设置为NULL。

pthread_create (threadid,attr,start_routine,arg)

结束线程
1.结束线程的方法有一下几种：
       线程从主线程（main函数的初始线程）返回。
       线程调用了pthread_exit函数。
       其它线程使用 pthread_cancel函数结束线程。
       调用exec或者exit函数，整个进程结束。

2.如果main()在其他线程创建前用pthread_exit()退出了，其他线程将会继续执行。否则，他们会随着main的结束而终止。

pthread_exit (status)
int pthread_cancel(pthread_t threadid);

等待线程状态

pthread_join (threadid,status)  

例子：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <pthread.h> //liunx线程头文件
 3 #include <stdlib.h>
 4 //线程
 5 void *thread1_proc(void *arg)
 6 
 7     int i=*(int *)arg;    //取出内容 
 8     free(arg);//释放空间 
 9     while(i<105)
10     
11         printf("thread1:%-5d",i);
12         sleep(2);//延时等待两秒 
13         i++;
14     
15     printf("Thread1 finished!\\n");
16     pthread_exit(NULL);//终止当前线程
17 
18 void main()
19 
20     pthread_t thread1;
21     int *ixi=(int *)malloc(sizeof(int));//在堆中申请一块内容 
22     *ixi=100; //存在内容 
23     if(pthread_create(&thread1,NULL,thread1_proc,(void *)ixi)!=0)//创建线程1并传递参数 
24         perror("Create thread failed：");//创建错误时执行
25     //终止当前线程，此时会子线程会执行完毕，相当于在此处join所有子线程一样 
26     pthread_exit(NULL);//（1）结束主
27     // pthread_join(thread1,NULL);//（2）可替换上一条
28     printf("主线程已经退出，本条不执行"); //（1）不执行，（2）执行该条
29 

多线程共享资源

共享资源时可能会出现操作未完成而被另一个线程打破，造成资源存取异常
锁
定义变量

#include <pthread.h> 
pthread_mutex_t lockx;

初始化

pthread_mutex_init(&lockx,NULL);

上锁与解锁

pthread_mutex_lock(&lockx);//上锁 
//独立资源
//代码块 
pthread_mutex_unlock(&lockx);//解锁

信号量
实现循序控制
定义变量

#include <semaphore.h>
sem_t can_scanf;

初始化

sem_init(&can_scanf,0,1);

PV操作

sem_wait(&can_scanf);//等待信号量置位并进行减一操作
sem_post(&can_scanf); //信号量加一 操作

例子
主线程负责从键盘获取两个整数，子线程1负责对这两个整数完成求和运算并把结果打印出来，子线程2负责对这两个整数完成乘法运算并打印出来。三个线程要求遵循如下同步顺序：
1.主线程获取两个数；
2.子线程1计算；
3.子线程2计算；
4.转（1）

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <semaphore.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 #include <stdlib.h>
 5 sem_t can_add;//能够进行加法计算的信号量
 6 sem_t can_mul;//能够进行输入的信号量 
 7 sem_t can_scanf;//能够进行乘法计算的信号量
 8 int x,y;
 9 void *thread_add(void *arg)//加法线程入口函数
10 
11     while(1)
12     
13         sem_wait(&can_add);
14         printf("%d+%d=%d\\n",x,y,x+y);
15         sem_post(&can_mul);
16     
17 
18 void *thread_mul(void *arg)//乘法线程入口函数
19 
20     while(1)
21     
22         sem_wait(&can_mul);
23         printf("%d*%d=%d\\n",x,y,x*y);
24         sem_post(&can_scanf);
25     
26 
27 int main()
28 
29     pthread_t tid;
30     int arg[2];
31     //信号量初始化 
32     sem_init(&can_scanf,0,1);
33     sem_init(&can_add,0,0);
34     sem_init(&can_mul,0,0);
35     if(pthread_create(&tid,NULL,thread_add,NULL)<0)
36     
37         printf("Create thread_add failed!\\n");
38         exit(0);
39     
40     if(pthread_create(&tid,NULL,thread_mul,NULL)<0)
41     
42         printf("Create thread_mul failed!\\n");
43         exit(0);
44     
45     while(1)
46     
47         sem_wait(&can_scanf);//等待信号量置位并进行减一操作 
48         printf("Please input two integers:");
49         scanf("%d%d",&x,&y);
50         sem_post(&can_add);//信号量加一 操作 
51             
52 

Socket编程

数据包的发送
（1）TCP（write/send）
基于流的，没有信息边界，所以发送的包的大小没有限制；但由于没有信息边界，就得要求要求应用程序自己能够把逻辑上的包分割出来。
（2）UDP(sendto)
基于包的，应用层的包在由下层包的传输过程中因尽量避免有分片——重组的发生，否则丢包的概率会很大，在以太网中，MTU的大小为46——1500字节，除掉IP层头、udp头，应用层的UDP包不要超过1472字节。鉴于Internet上的标准MTU值为576字节,所以我建议在进行Internet的UDP编程时。 最好将UDP的数据长度控制在548字节(576-8-20)以内.
数据包的接收
（1）TCP(read/recv)
如果协议栈缓冲区实际收到的字节数大于所请求的字节数，则返回实际要读取的字节数，剩余未读取的字节数下次再读；
如果协议栈缓冲区实际收到的字节数小于所请求的字节数，则返回所能提供的字节数；
（2）UDP(recvfrom)
如果协议栈缓冲区实际收到的字节数大于所请求的字节数，在linux下会对数据报进行截段，并丢弃剩下的数据；
如果协议栈缓冲区实际收到的字节数小于所请求的字节数，则返回所能提供的字节数；
注意点
当发送函数返回时，并不表示数据包已经到达了目标计算机，仅仅说明待发送的数据包被协议栈给接收了；
UDP的数据包要么被接收，要么丢失；TCP的数据报一定会无差错按序交付给对方

TCP

服务端
1、连接WiFi或者开启AP,使模块接入网络
2、socket 创建一个套接字
socket可以认为是应用程序和网络之间信息传输通道，所以TCP编程服务端、客户端的第一步就是要建立这个信息传输的通道，主要通过socket函数完成。

3、 Bind socket信息
给在第一步中所创建的socket显式指定其ip地址和端口号(bind)
其中结构体为：

//设置server的详情信息
struct sockaddr_in server_addr,client_addr;
u32_t sock_size=sizeof(struct sockaddr_in);
server_addr.sin_family = AF_INET; //IPV4
server_addr.sin_port = htons(2351); //端口
//绑定本机的所有IP地址htonl(INADDR_ANY)，确定某个inet_addr(“172.16.4.1”)
server_addr.sin_addr.s_addr =htonl(INADDR_ANY); 
bind(connect_socket, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

4、 listen确定请求队列的最大值

5、 accept等待接入
此函数为所有网络函数中最难理解的一个函数，它的调用将意味着服务端开始处理外来请求，如果没有外来请求（也就是没有listen到请求进来）默认情况下则阻塞；当有外来请求时会新产生一个soket，并返回其描述符，应用程序将在这个新的socket上和请求者进行会话（读、写该socket），原套接字sockfd则继续侦听

6、 send
当send返回时，并不是表示数据已经发送到了对方，而仅仅表示数据已经到了协议栈的缓冲区中。最后一个值在ESP32中不可用

 

7、 recv
默认情况下，当没有可接收的数据时则阻塞，参数len表示最多接收多少个字节数， 成功的接受的字节数完全可以小于len。最后一个值在ESP32中不可用

客户端
1、连接WiFi或者开启AP,使模块接入网络
2、socket 创建一个套接字，参考服务器
3、是指向服务端发起连接请求（请求成功的前提是服务端已经进入了accept状态）
结构体参数

//设置server的详情信息
struct sockaddr_in server_addr,client_addr;
u32_t sock_size=sizeof(struct sockaddr_in);
server_addr.sin_family = AF_INET; //IPV4
server_addr.sin_port = htons(2351); //端口
//绑定本机的所有IP地址htonl(INADDR_ANY)，确定某个inet_addr(“172.16.4.1”)
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.43.21"); 
int ret=connect(client_fd,(struct sockaddr*)&server_addr,sock_size);//连接服务器

4、recv 和 send

 服务器示例

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <fcntl.h>
 4 #include <sys/socket.h>
 5 #include <arpa/inet.h>
 6 #include <netinet/in.h>
 7 #include <string.h>
 8 #define MAXCONN 8
 9 int main()
10 
11     int listen_fd,comm_fd;
12     int ret;
13     int i=1;
14     struct sockaddr_in server_addr,client_addr;
15     int sock_size=sizeof(struct sockaddr_in);
16     listen_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建一个socket,参数（IPV4,TCP,0)
17     if(listen_fd<0)
18     
19         perror("Failed to create socket:");
20         return -1;
21     
22     bzero(&server_addr,sock_size);//清零server_addr
23     server_addr.sin_family=AF_INET;//IPV4
24     server_addr.sin_port=htons(8000);//端口
25     server_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//绑定主机全部网络地址
26     setsockopt(listen_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&i,sizeof(int));//设置套接字关联的选 项
27     ret=bind(listen_fd,(struct sockaddr*)&server_addr,sock_size);//网络主机绑定
28     if(ret==0)
29     
30         printf("Bind Successfully!\\n");
31     
32     ret=listen(listen_fd,MAXCONN);//确定最大监听数
33     if(ret==0)
34     
35         printf("Listen Successfully!\\n");
36     
37     while((comm_fd=accept(listen_fd,(struct sockaddr*)&client_addr,&sock_size))>=0)//阻塞并等待接入
38     
39         char ipaddr[16];
40         inet_ntop(AF_INET,&client_addr.sin_addr.s_addr,ipaddr,16);//网络地址符转换
41         printf("连接进入：%s\\n",ipaddr);
42         while(1)
43         
44             char buff[512];
45             int count;
46             count=read(comm_fd,buff,511);//读数据，接收
47             if(count>0)//判断接收的字节数是否大于零
48             
49                 buff[count]=0;//截断字符串
50                 printf("收到来自 %s 的数据：%s\\n",ipaddr,buff);
51                 if(strncmp(buff,"quit",4)==0)//判断退出条件
52                 
53                     printf("%s已经退出退出，等待下一个连接\\n",ipaddr);
54                     break;//退出此个连接，进行下一个连接接入
55                 
56                 write(comm_fd,buff,count);//写数据，发送
57             
58             else
59             
60                 printf("A talking is over!\\n");
61                 break;  //客户端断开                  
62             
63         
64     
65     close(listen_fd);//关闭连接
66     return 0;
67     
68 

客户端示例

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <fcntl.h>
 4 #include <sys/socket.h>
 5 #include <arpa/inet.h>
 6 #include <netinet/in.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <string.h>
 9 int main(int argc,char **argv)
10 
11     int client_fd;
12     int ret;
13     int count;
14     struct sockaddr_in server_addr;
15     char buf[512];
16     char recv_buf[512];
17     int sock_size=sizeof(struct sockaddr_in);
18     if(argc<2)
19     
20         printf("Usage:./client serverip\\n");
21         return 0;
22     
23     bzero(&server_addr,sock_size);//清零server_addr
24     client_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建一个socket,参数（IPV4,TCP,0)
25     server_addr.sin_family=AF_INET;
26     server_addr.sin_port=htons(8000);
27     server_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
28     ret=connect(client_fd,(struct sockaddr*)&server_addr,sock_size);//连接服务器
29     if(ret<0)
30     
31         perror("Failed to connect:");
32         return -1;
33     
34     printf("Connect successfully!\\n");
35     while(1)
36         printf("请输入要发送的内容:");
37         fgets(buf,512,stdin);//从键盘获取字符串
38         ret=write(client_fd,buf,strlen(buf));//写数据，发送
39         if(ret<=0)
40             break;
41         if(strncmp(buf,"quit",4)==0)
42             printf("程序退出\\n");
43             break;    
44         
45         count=read(client_fd,recv_buf,511);//读数据，接收
46         if(count>0)
47         
48             recv_buf[count]=0;//截断接收的字符串
49             printf("Echo:%s\\n",recv_buf);
50             
51         else
52         
53             break;//服务器断开
54         
55     
56     close(client_fd);//关闭连接
57     return 0;
58     
59 

UDP

服务器
1、 创建socket
2、 调用函数设置udp播

int  setsockopt(int  s,  int level,  int  optname, const void *optval, socklen_t  optlen);
头文件：<sys/socket.h>
level : 选项级别（例如SOL_SOCKET）
optname : 选项名（例如SO_BROADCAST）
optval : 存放选项值的缓冲区的地址
optlen : 缓冲区长度
返回值：成功返回0   失败返回-1并设置errno

3、 绑定服务器信息bind
4、 数据收发
数据发送

int  sendto(int sockfd, const void *msg, size_t len, int flags, const struct sockaddr *to, int tolen);
返回：大于0－成功发送数据长度；-1－出错；
UDP套接字使用无连接协议，因此必须使用sendto函数，指明目的地址；
msg:发送数据缓冲区的首地址；
len:缓冲区的长度；
flags:传输控制标志，通常为0；
to:发送目标；
tolen: 地址结构长度——sizeof(struct sockaddr)

数据接收

int  recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *from, int *fromlen);
返回：大于0——成功接收数据长度；-1——出错；
buf:接收数据的保存地址；
len:接收的数据长度
flags:是传输控制标志，通常为0；
from:保存发送方的地址
fromlen: 地址结构长度。

服务器示例

 1 #include <sys/socket.h>
 2 #include <netinet/in.h>
 3 #include <arpa/inet.h>
 4 #include <string.h>
 5 #include <stdio.h>
 6 int main()
 7 
 8     int sockfd;
 9     int ret;
10     char buff[512];
11     char ipaddr[16];
12     struct sockaddr_in server_addr,client_addr;
13     int i=1;
14     int sock_size=sizeof(struct sockaddr_in);
15     sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
16     if(sockfd<0)
17     
18         perror("Failed to socket:");
19         return -1;
20     
21     bzero(&server_addr,sock_size);
22     server_addr.sin_family=AF_INET;//服务器相关参数设置
23     server_addr.sin_port=htons(6000);
24     server_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
25     setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&i,sizeof(int));
26     if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&server_addr,sock_size)<0)//等待客户端接入，阻塞
27     
28         perror("Failed to bind:");
29         return -1;
30     
31     while(1)
32     
33         ret=recvfrom(sockfd,buff,512,0,(struct sockaddr*)&client_addr,&sock_size);//收到数据包
34         if(ret>0)
35         
36             buff[ret]=0;
37             inet_ntop(AF_INET,&client_addr.sin_addr.s_addr,ipaddr,16);//网络地址符转换
38             printf("Receive a string from %s:%d,data:%s\\n",ipaddr,client_addr.sin_port,buff);
39             if(strncmp(buff,"exit",4)==0)//退出
40               printf("Socket server exit ");
41               close(sockfd);//关闭socket    
42               break;    
43             
44             sendto(sockfd,buff,ret,0,(struct sockaddr*)&client_addr,sock_size);
45         
46     
47     close(sockfd);    
48 

客户端示例

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <fcntl.h>
 4 #include <sys/socket.h>
 5 #include <arpa/inet.h>
 6 #include <netinet/in.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <strings.h>
 9 int main(int argc,char **argv)
10 
11     int client_fd;
12     int ret;
13     int count;
14     struct sockaddr_in server_addr,sock_addr;
15     char buf[512];
16     char recv_buf[512];
17     int sock_size=sizeof(struct sockaddr_in);
18     if(argc<2)
19     
20         printf("Usage:./udpclient serverip\\n");
21         return 0;
22     
23     client_fd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
24     bzero(&server_addr,sock_size);
25     server_addr.sin_family=AF_INET;
26     server_addr.sin_port=htons(6000);
27     server_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);
28     while(1)
29        
30         printf("In:");
31         fgets(buf,512,stdin);
32         ret=sendto(client_fd,buf,strlen(buf),0,(struct sockaddr*)&server_addr,sock_size);
33         if(ret<0)
34         
35             perror("Failed to sendto:");
36             break;
37         
38         if(strncmp(buf,"exit",4)==0)
39             break;    
40         count=recvfrom(client_fd,recv_buf,512,0,(struct sockaddr*)&sock_addr,&sock_size);
41         if(count>0)
42         
43             recv_buf[count]=0;
44             printf("Echo:%s\\n",recv_buf);
45             
46         else
47         
48             perror("Failed to recvfrom:");
49             break;
50         
51     
52     close(client_fd);
53     return 0;
54     
55 

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参考：

https://www.cnblogs.com/mywolrd/archive/2009/02/05/1930707.html

物联网网关开发技术（罗老师）