网络模块的初步讨论

deaboway

根据之前我们讨论的，我们的网络模块使用面向对象的C++编写，在Demo版中不考虑加密/解密等其他因素，仅仅考虑消息的发送和接收。我想，暂时也不考虑随着人物的移动如何发送广播……以下是我这几天的研究成果。

套接字是一种网络API，用于不同进程的通信。它支持多种通信协议，并定义了多种类型，如SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_SEQPACKET等。其中最常用的两种是SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM。SOCK_STREAM用于提供面向连接的传输，而SOCK_DGRAM用于提供面向无连接的传输。

采用TCP套接字可实现基于TCP/IP协议、面向连接的通信模式。TCP套接字的实现分为TCP服务器和TCP客户。其模式相对固定，我们仅需理解其基本过程，要编程可套用相应模板。TCP服务器的基本过程是：创建套接字socket()、绑定套接字bind()、监听listen()并接受连接请求accept()、读/写数据send()recv()和终止连接shutdown()。TCP客户的基本过程是：创建套接字socket()、连接服务器connect()、读写数据send()recv()和终止连接shutdown()。但却并不实用，无法满足复杂的网络应用。
[code:1]
/************************************************
       TCP服务器
************************************************/
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

main()
{
  int sockfd,connect_sock;
  /*Create TCP socket*/
  if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
  {
     perror("Creating socket failed.");
     exit(1);
  }
  /*Bind socket to address */

......
  /*listen client's reqirement*/
......

  loop
  {
    /*accept connection*/
    if((connect_sock=accept(sockfd,NULL,NULL))==-1)
    {
      perrpr("Acception failed.");
      exit(1);
    }
......
  }
}

/************************************************
       TCP客户
************************************************/
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

main()
{
  int sockfd;
  /*Create TCP socket*/
  if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,,0))==-1)
  {
     perror("Creating socket failed.");
     exit(1);
  }
  /* Connect to server and receive data from the server.*/
......
}
[/code:1]

套接字的另一主要用途是UDP。采用UDP套接字可实现基于TCP/IP协议面向无连接的通信模式。于TCP套接字相比UDP套接字不能提供可靠的数据传输，但UDP套接字的实现更加简单，并且具有更高的传输效率。因而同样也得到广泛的应用，如DNS、NFS、SNMP。与TCP套接字相同，其实现也分为UDP服务器和UDP客户端。UDP服务器的基本过程包括：创建套接字、绑定套接字、读/写数据和关闭套接字。UDP客户的基本过程是：创建套接字、读写数据和关闭套接字。与TCP套接字不同，UDP套接字读/写函数，recvfrom()和sendto()函数都有与套接字地址相关的参数。对于UDP服务器而言，用该参数来区分不同的客户端。而对于客户端，则用此确定相应的服务器。——在Linux内部UDP的函数就是通过TCP函数实现功能的，所以我还是倾向于使用TCP函数，当然也不绝对，要听听大家的意见了……
[code:1]
/************************************************
       UDP服务器
************************************************/
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

main()
{
  int sockfd;
  /*Create UDP socket*/
  if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0))==-1)
  {
     perror("Creating socket failed.");
     exit(1);
  }
  /*Bind socket to address */

  loop
  {
    /*RECEIVE CLIENT'S DATA*/
    ...
    /*handle client's information*/
    ...
    /*send information to client*/
    ...
  }
  /*close socket*/
}

/************************************************
       UDP客户
************************************************/
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

main()
{
  int sockfd;
  /*Create UDP socket*/
  if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0))==-1)
  {
     perror("Creating socket failed.");
     exit(1);
  }
  /* send data to the server.*/
  ...
  /* receive data from the server.*/
  ...
  /*close UDP socket*/
  close(sockfd);
}
[/code:1]

Linux系统主要提供三种方式以实现并发服务器：进程、线程及I/O多路服用。
采用多进程实现并发服务器是一种最传统的方法。由于各进程有独立的地址空间，具有可靠性高的特点。但却导致系统开销大，切换时间长，并且进程间共享数据较为复杂。
[code:1]
/************************************************
       多进程并发服务器
************************************************/
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

main()
{
  int listenfd,connfd;
  pid_t pid;
  int BACKLOG=5;

  /* Create TCP socket */
  if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
  {
     perror("Creating socket failed.");
     exit(1);
  }
  /*Bind socket to address */
  bind(listenfd,...);
  /*listen client's reqirement*/
  listen(listenfd,BACKLOG);
  while(1)
  {
    /*accept connection*/
    if((connfd=accept(aockfd,NULL,NULL)==-1)
    {
      perrpr("Acception failed.");
      exit(1);
    }
    /*create child process to service the client.*/
    if(pid=fork())>0)
    {
    /*parent process*/
    close(connfd);
    ...
    continue;
  }
  else if (pid==0){
  /*child process*/
  close(listenfd);
  ...
  exit(0);
  }
  else{
    printf("fork error\n");
    exit(0);
  }
}
[/code:1]
虽然多线程具有系统开销小，切换速度快的等特点，但由于多个线程共用相同的内存区，从而造成多线程比多进程更严重的可重入问题。尤其是开发服务器的编程，如果不注意这个问题，会产生很多难以调试的bug。其根本解决方法是：为线程专有的数据分配专用的数据区。可采用系统提供的方法或主线程为每个新产生的线程分配数据区。
[code:1]
/************************************************
       多线程并发服务器
************************************************/
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

/*function to be executed by the new thread */
void* start_routine(void * arg);

main()
{
  int listenfd,connfd;
  pthread_t thread;
  type arg;
  int BACKLOG=5;

  /* Create TCP socket */
  if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
  {
     perror("Creating socket failed.");
     exit(1);
  }
  /*Bind socket to address */
  bind(listenfd,...);
  /*listen client's connecting reqirement*/
  listen(listenfd,BACKLOG);
  while(1)
  {
    /*accept connection*/
    if((connfd=accept(aockfd,NULL,NULL)==-1)
    {
      perrpr("Acception failed.");
      exit(1);
    }
    /*create child process to service the client.*/
    .../*put parameters to arg*/
    if(pthread_create(&thread,NULL,start_routine,(void *)&arg)){
      /*handle exception*/  
      ...
      exit(0);
    }
  }
}
[/code:1]
I/O多路复用具有极小的系统开销，因此其性能很高，但其程序结构较为复杂。
[code:1]
/****************************************
   select()函数实现I/O多路复用
****************************************/
...
int fd,allfd[MAX];
fd_set fdRSet,fdWSet;
struct timewal timeout=...;
int maxfd=MAXSOCKET+1;
...
while(1){
  FD_ZERO(&fdRSet);
  FD_SET(fd,&fdTSet);
  FD_ZERO(&fdWSet);
  FD_SET(fd,&fdWSet);
  switch(select(maxfd,&fdTSet,&fdWset,&timeout)){
    case -1:handle exception;
    case 0:handle timeout;
    default:
      for(All of socket){
        if(FD_ISSET(allfd[i],&fdRSet)){
          Read from the socket.
          ...
          }
        if(FD_ISSET(allfd[i],&fdWSet)){
          Write to the socket.
          ...
          }
    ...
    }
  }
}
[/code:1]
由此看来，每种实现方法各有其有缺点，考虑到网络游戏的服务器端要有支持几百个客户端的连接，多进程实现并发服务器的方法可以不予考虑，至于后两种选择，由于我们准备采用面相对象的编程方法，以及先开发一个Demo版的游戏，我倾向于使用多线程的方法，不知大家有什么更好的建议？

在多进程/多线程环境中，线程及进程同步是十分重要的。该技术解决了有并发而产生的同步问题，使得并发服务器能可靠的运行。多线程并发服务器虽然有很多优点，但是存在一些问题，需要十分注意。除了前面讲到的线程安全性问题外，另一个重要的方面就是线程同步。
对于复杂的网络服务器，同步可能会异常复杂，处理不好就会导致系统的可靠性下降。尤其是多线程并发服务器，多个线程使用同一地址空间。虽然，线程间通信简单，却由于共享数据，则必须处理同步。在Linux系统中，提供互斥锁和条件变量来实现线程的同步。互斥锁用于保护共享数据的完整性，条件变量则用于协调多个线程的运行以提高运行效率。同时，线程退出的同步亦不能忽视，通常利用pthread_join()函数来实现。在处理同步时，要注意防止死锁。并且在长时间的操作（例如I/O）上还要尽量不要加锁，这样会对性能造成负影响，真的好麻烦啊：）给出一个实例吧：（程序太长，还是以后再说吧～～）

还有就是异常处理。写得有一些长，呵呵，希望朋友们有耐心看完……：）
异常处理是网络编程中最复杂的部分。异常主要有超时异常、服务器异常、客户异常……在实际的网络开发中，对异常的处理占有相当大的部分。这是由网络的特点决定的。在网络上，各主机系统的运行是独立的，网络本身也非常复杂，他包括了路由、信道、防火墙等等。网络的使用情况也随时变化，造成网络拥挤程度的不同。由于这些因素，经常造成通信中断、IP包传输延迟过长或丢失包等异常情况。如果处理不好，会直接影响系统性能。这些异常，在编程中，通常引起一些I/O操作的超时。
另一类异常是由本地系统引起的，通常是由于系统资源分配造成的。如socket()和bind()函数的调用异常。这些异常影响系统的稳定性，处理不好，可能导致系统崩溃，可能有点夸张……
无论是服务器还是客户，处理异常的关键是处理与网络I/O操作相关的系统调用。通常有如下三类处理方法：对于致命的错误，需要终止程序；对于一般性错误，处理完异常后，重新执行调用；对于超时异常，根据网络应用情况进行处理……I/O操作超时的处理主要用alarm()或select()函数来实现。

在网络应用开发中，随着需求的改变及性能的提高，程序变得越来越复杂，越来越大。从而导致编译和连接时间长。我们的网络模块到后来也不能超过这种情况，为更有效地重用代码，应该建立相应的类库。这也是C++的优势，也是sjinny选择C++的原因吧～为了更有效地重用代码，应该建立相应的类库。库是包括不同对象的文件。它可作为一个实体进行连接，因而可以极大地提高连接速度。据了解，Linux系统可以创建两种库：静态链接库和动态链接库。我想我们可以考虑建立自己地Socket类库，可极大地提高网络软件开发的效率，而且可开发出具有商业价值的类库，哈哈……

暂时就想到这么多……还有守护进程、多接口……过几天再讨论啦，不知道大家对我的想法有什么好的意见？   

deaboway

现在我在参考套接字Wrapper类源程序开发自己的socket类，过几天我会把初始版本放上来请大家查错、修改和扩充……

sjinny

[quote:e6090d3807="deaboway"]现在我在参考套接字Wrapper类源程序开发自己的socket类，过几天我会把初始版本放上来请大家查错、修改和扩充…… [/quote]

我都忘了问了，你们原意把自己的代码使用GPL来发放吗？

我最近在用矢量画图软件画设计图，做了近一半了~~

Fujinsan

文章写的不错！


对，应该坚持走GPL的道路(QPL也可以协商)。像LinQ那样封闭部分代码的做法，公社是不愿意继续提供支持的。

deaboway

多谢夸奖……  感动ing   

做为一名自由软件的开发者，当然坚持GPL，Fujinsan兄，sjinny兄多虑了

deaboway

sjinny, 不好意思，我不小心将你的MyWorld从我的项目中删掉了，麻烦你再把我加一下（在https://gro.clinux.org/projects/myworld/下的那个）。

还有，我打算将网络模块的类库先放到https://gro.clinux.org上，现在正在申请空间，过几天给出链接……

rocklgk

不错，懂了以前不懂的问题！十一我休息拉

deaboway

rocklgk兄客气了，不过我一个人搞不定啦，还是需要你的支持呐！！

rocklgk

别谦虚拉，我只是做个参考而已，我真想全身心的投入，可时间啊，哎 ，郁闷ing

deaboway

这几天我在准备笔试、面试……现在可以告一段落了，在等进一步通知，呵呵ing

benlan

直接用ace就好了,哪有这么麻烦的,再咋么封都封不过ace,别人都封了10年了