一種支持多客戶端的TCP服務(wù)器模型

羅顯庭　黎艷群

摘要：TCP服務(wù)器程序在現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的儀器儀表中應(yīng)用廣泛。本文以降低設(shè)計(jì)人員開發(fā)難度為目的，從模塊化的設(shè)計(jì)思想出發(fā)，提出一種支持多客戶端的TCP服務(wù)器模型。

關(guān)鍵詞：TCP服務(wù)器單線程多客戶端類 回調(diào)函數(shù)

在嵌入式儀器儀表中，經(jīng)常會(huì)遇到需要通過TCP和第三方設(shè)備進(jìn)行通信。開發(fā)人員每天忙碌在重復(fù)繁瑣的編碼工作中，為儀表編寫不同的應(yīng)用層協(xié)議以適配現(xiàn)場的工作需要。雖然編寫TCP服務(wù)器程序有很多種形式，例如為每個(gè)客戶端fork出單獨(dú)的進(jìn)程或者為每個(gè)客戶端創(chuàng)建單獨(dú)的線程，這樣勢必增加系統(tǒng)的開銷，占用過多的資源。本文從通用性和可移植性等方便考慮，實(shí)現(xiàn)一種支持多客戶端的TCP服務(wù)器模型，減少后期代碼的重復(fù)編寫。

TCP服務(wù)器模型首先抽象為類的方式，具體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理則交由回調(diào)函數(shù)去完成，將數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議解析部分分離，減輕開發(fā)人員的編碼工作、增強(qiáng)程序的穩(wěn)定性。

抽象出的類主要有以下幾個(gè)方法：服務(wù)器打開、關(guān)閉、線程啟動(dòng)、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等，具體實(shí)現(xiàn)接口如下

服務(wù)器打開方法Open：

該方法主要用于定義監(jiān)聽服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)，同時(shí)設(shè)置為非阻塞模式以及限制最大連接數(shù)量。調(diào)用成功返回服務(wù)器的套接字句柄，否則返回?zé)o效句柄。具體實(shí)現(xiàn)流程如下：

服務(wù)器關(guān)閉方法Close

主要用來關(guān)閉已連接或未釋放的客戶端套接字，同時(shí)在應(yīng)用程序退出前關(guān)閉服務(wù)器自身用于監(jiān)聽的套接字。

客戶端數(shù)據(jù)發(fā)送的方法SendData

此方法由兩個(gè)函數(shù)組成，一個(gè)函數(shù)用于在已經(jīng)連接上的客戶端隊(duì)列中搜索，當(dāng)前是和哪個(gè)客戶端套接字進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。另一個(gè)函數(shù)直接向?qū)?yīng)的套接字發(fā)送數(shù)據(jù)（注意在搜索套接字、發(fā)送數(shù)據(jù)失敗時(shí)需做重發(fā)或關(guān)閉等異常處理）。

服務(wù)器線程啟動(dòng)方法StartThread

該方法主要用來定義兩個(gè)回調(diào)函數(shù)，一個(gè)用于通知客戶端已連接的事件，另一個(gè)用于通知客戶端已接收到數(shù)據(jù)的事件。同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)線程，用于服務(wù)器接受連接、客戶端的數(shù)據(jù)接收和關(guān)閉等操作。

服務(wù)器接收連接或客戶端數(shù)據(jù)接收的方法ThreadFun

該方法主要實(shí)現(xiàn)不斷地監(jiān)測服務(wù)器監(jiān)聽端口是否有新的接收連接，已連接的客戶端是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，以及是否有客戶端申請(qǐng)關(guān)閉斷開等操作。

在一個(gè)線程中實(shí)現(xiàn)多個(gè)客戶端連接和服務(wù)器監(jiān)聽功能，主要使用到了select系統(tǒng)調(diào)用。Select系統(tǒng)調(diào)用允許程序同時(shí)在多個(gè)底層文件描述符上等待輸入的到達(dá)。這意味著服務(wù)器可以同時(shí)在多個(gè)打開的套接字上處理多個(gè)客戶端的請(qǐng)求動(dòng)作。具體處理流程如下：

服務(wù)器讓select同時(shí)指向檢查監(jiān)聽套接字和客戶的連接套接字的Fd_set集合，通過用select調(diào)用同時(shí)處理多個(gè)客戶就不需再依賴多進(jìn)程或多線程了。一旦select有活動(dòng)發(fā)生，就可以用FD_ISSET來遍歷所有可能的文件描述符，以檢查是哪個(gè)套接字有活動(dòng)發(fā)生。

如果是監(jiān)聽套接字可讀，這說明當(dāng)前有一個(gè)客戶試圖建立連接，此時(shí)就可以調(diào)用accept而不用擔(dān)心發(fā)生阻塞的可能，同時(shí)利用客戶端連接回調(diào)函數(shù)通知應(yīng)用層有新的客戶連接。

如果是某個(gè)客戶描述符準(zhǔn)備好，說明該描述符上有一個(gè)客戶請(qǐng)求需要我們讀取和處理。如果讀操作返回零字節(jié)，表示有客戶已結(jié)束，就從客戶端隊(duì)列中搜索關(guān)閉對(duì)應(yīng)的套接字，并把它從文件符集合中刪除。如果返回的數(shù)據(jù)大于零，就直接讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)通過客戶端數(shù)據(jù)接收回調(diào)函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)通知上層進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和處理。

模型的實(shí)例化使用整個(gè)操作如下，定義一個(gè)服務(wù)器對(duì)象，打開對(duì)應(yīng)的監(jiān)聽端口號(hào)，定義兩個(gè)回調(diào)函數(shù)，啟動(dòng)線程處理函數(shù)。

在上層的調(diào)用程序中只要定義兩個(gè)回調(diào)函數(shù)就可以，tcp_accept函數(shù)實(shí)現(xiàn)有新客戶連接需要處理的功能，custom_recv函數(shù)實(shí)現(xiàn)客戶端數(shù)據(jù)接收時(shí)需要進(jìn)行的數(shù)據(jù)解析和處理功能即可。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，此模型可以監(jiān)聽多個(gè)設(shè)備獲取不同設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，功能強(qiáng)大。采用盡量少的線程數(shù)量和限制客戶端的連接數(shù)量，系統(tǒng)開銷小。同時(shí)采用非阻塞模式防止程序干擾其他設(shè)備的請(qǐng)求響應(yīng)，響應(yīng)快速。TCP服務(wù)實(shí)現(xiàn)和協(xié)議解析部分分離，代碼可移植性強(qiáng)，性能穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]陳健、宋健健譯.《Linux程序設(shè)計(jì)》（第3版）人民郵電出版社.