Linux下基于TCP协议的群聊系统设计(多线程+select)

2022-10-30 07:20:43

一、功能介绍

这是基于Linux下命令行设计的一个简单的群聊天程序。

这个例子可以学习、巩固Linux下网络编程相关知识点

  1. 练习Linux下socket、TCP编程
  2. 练习Linux下pthread、线程编程
  3. 练习Linux下多路IO检测、select函数使用
  4. 练习C语言链表使用
  5. 练习线程间同步与互斥、互斥锁mutex的使用

群聊程序分为客户端和服务器两个程序

  1. 服务器端: 运行整个例子要先运行服务器， 服务器主要用于接收客户端的消息，再转发给其他在线的客户端。服务器里采用多线程的形式，每连接上一个客户端就创建一个子线程单独处理；用了一个全局链表存放已经连接上来的客户端，当一个客户端发来消息后，就逐个转发给其他客户端，客户端断开连接下线后，就删除对应的节点；链表添加节点、删除节点采用互斥锁保护。

  2. 客户端: 客户端相当于一个用户，客户端代码可以同时运行多个，连接到服务器之后，互相发送消息进行聊天。发送的消息采用一个结构体封装，里面包含了 用户名、状态、消息本身。

功能总结: 支持好友上线提醒、好友下线提醒、当前在线总人数提示、聊天消息文本转发。

好友上线通知、正常聊天效果:
Linux下基于TCP协议的群聊系统设计(多线程+select)

好友下线提示:
Linux下基于TCP协议的群聊系统设计(多线程+select)

二、select函数功能、参数介绍

在linux命令行可以直接man查看select函数的原型、头文件、帮助、例子 相关信息。

select函数可以同时监听多个文件描述符的状态，在socket编程里，可以用来监听客户端或者服务器有没有发来消息。

Linux下监听文件描述符状态的函数有3个：select、poll、epoll，这3个函数都可以用在socket网络编程里监听客户端、服务器的状态。 这篇文章的例子里使用的是select，后面文章会继续介绍poll、epoll函数的使用例子。

select函数原型、参数介绍

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
函数功能: 监听指定数量的文件描述符的状态。
函数参数:
int nfds : 监听最大的文件描述符+1的值
fd_set *readfds :监听读事件的文件描述符集合,不想监听读事件这里可以填NULL
fd_set *writefds :监听写事件的文件描述符集合,不想监听事件这里可以填NULL
fd_set *exceptfds :监听其他事件的文件描述符集合,不想监听事件这里可以填NULL
struct timeval *timeout : 指定等待的时间。 如果填NULL表示永久等待，直到任意一个文件描述符产生事件再返回。
                          如果填正常时间，如果在等待的时间内没有事件产生，也会返回。
struct timeval {
        long    tv_sec;         /* seconds */
        long    tv_usec;        /* microseconds */
    };

返回值: 表示产生事件文件描述符数量。  ==0表示没有事件产生。  >0表示事件数量  <0表示错误。

void FD_CLR(int fd, fd_set *set);   //清除某个集合里的指定文件描述符
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //判断指定集合里的指定文件描述符是否产生了某个事件。 为真就表示产生了事件
void FD_SET(int fd, fd_set *set);  //将指定的文件描述符添加到指定的集合
void FD_ZERO(fd_set *set);  //清空整个集合。

三、聊天程序代码

3.1 client.c 客户端代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <dirent.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <signal.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

//消息结构体
struct MSG_DATA
{
    char type; //消息类型.  0表示有聊天的消息数据  1表示好友上线  2表示好友下线
    char name[50]; //好友名称
    int number;   //在线人数的数量
    unsigned char buff[100];  //发送的聊天数据消息
};
struct MSG_DATA msg_data;

//文件接收端
int main(int argc,char **argv)
{   
    if(argc!=4)
    {
        printf("./app  <IP地址> <端口号> <名称>\n");
        return 0;
    }
    int sockfd;
    //忽略 SIGPIPE 信号--方式服务器向无效的套接字写数据导致进程退出
    signal(SIGPIPE,SIG_IGN); 

    /*1. 创建socket套接字*/
    sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    /*2. 连接服务器*/
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family=AF_INET;
    addr.sin_port=htons(atoi(argv[2])); // 端口号0~65535
    addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]); //IP地址
    if(connect(sockfd,(const struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr_in))!=0)
    {
        printf("客户端:服务器连接失败.\n");
        return 0;
    }

    /*3. 发送消息表示上线*/
    msg_data.type=1;
    strcpy(msg_data.name,argv[3]);
    write(sockfd,&msg_data,sizeof(struct MSG_DATA));

    int cnt;
    fd_set readfds;
    while(1)
    {
        FD_ZERO(&readfds);  //清空集合
        FD_SET(sockfd,&readfds); //添加要监听的文件描述符---可以多次调用
        FD_SET(0,&readfds); //添加要监听的文件描述符---可以多次调用
        // 0表示读   1写   2错误

        //监听读事件
        cnt=select(sockfd+1,&readfds,NULL,NULL,NULL);
        if(cnt)
        {
            if(FD_ISSET(sockfd,&readfds)) //判断收到服务器的消息
            {
                cnt=read(sockfd,&msg_data,sizeof(struct MSG_DATA));
                if(cnt<=0) //判断服务器是否断开了连接
                {
                    printf("服务器已经退出.\n");
                    break;
                }
                else if(cnt>0)
                {
                    if(msg_data.type==0)
                    {
                        printf("%s:%s  在线人数:%d\n",msg_data.name,msg_data.buff,msg_data.number);
                    }
                    else if(msg_data.type==1)
                    {
                        printf("%s 好友上线. 在线人数:%d\n",msg_data.name,msg_data.number);
                    }
                    else if(msg_data.type==2)
                    {
                        printf("%s 好友下线. 在线人数:%d\n",msg_data.name,msg_data.number);
                    }
                }
            }
            
            if(FD_ISSET(0,&readfds))  //判断键盘上有输入
            {
                gets(msg_data.buff); //读取键盘上的消息
                msg_data.type=0; //表示正常消息
                strcpy(msg_data.name,argv[3]); //名称
                write(sockfd,&msg_data,sizeof(struct MSG_DATA));
            }
        }
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

3.2 select.c 服务器端代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <dirent.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

pthread_mutex_t mutex; //定义互斥锁
int sockfd;

//消息结构体
struct MSG_DATA
{
    char type; //消息类型.  0表示有聊天的消息数据  1表示好友上线  2表示好友下线
    char name[50]; //好友名称
    int number;   //在线人数的数量
    unsigned char buff[100];  //发送的聊天数据消息
};

//存放当前服务器连接的客户端套接字
struct CLIENT_FD
{
    int fd;
    struct CLIENT_FD *next;
};

//定义链表头
struct CLIENT_FD *list_head=NULL;
struct CLIENT_FD *List_CreateHead(struct CLIENT_FD *list_head);
void List_AddNode(struct CLIENT_FD *list_head,int fd);
void List_DelNode(struct CLIENT_FD *list_head,int fd);
int List_GetNodeCnt(struct CLIENT_FD *list_head);
void Server_SendMsgData(struct CLIENT_FD *list_head,struct MSG_DATA *msg_data,int client_fd);

/*
线程工作函数
*/
void *thread_work_func(void *argv)
{
    int client_fd=*(int*)argv;
    free(argv);

    struct MSG_DATA msg_data;
    //1. 将新的客户端套接字添加到链表中
    List_AddNode(list_head,client_fd);
    //2. 接收客户端信息
    fd_set readfds;
    int cnt;
    while(1)
    {
        FD_ZERO(&readfds);      //清空整个集合。
        FD_SET(client_fd,&readfds); //添加要监听的描述符
        cnt=select(client_fd+1,&readfds,NULL,NULL,NULL);
        if(cnt>0)
        {
            //读取客户端发送的消息
            cnt=read(client_fd,&msg_data,sizeof(struct MSG_DATA));
            if(cnt<=0)  //表示当前客户端断开了连接
            {
                List_DelNode(list_head,client_fd); //删除节点
                msg_data.type=2;
            }
            //转发消息给其他好友
            msg_data.number=List_GetNodeCnt(list_head); //当前在线好友人数
            Server_SendMsgData(list_head,&msg_data,client_fd);
            if(msg_data.type==2)break;
        }
    }
    close(client_fd);
}

/*
信号工作函数
*/
void signal_work_func(int sig)
{
    //销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    close(sockfd);
    exit(0); //结束进程
}

int main(int argc,char **argv)
{   
    if(argc!=2)
    {
        printf("./app <端口号>\n");
        return 0;
    }
    //初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    signal(SIGPIPE,SIG_IGN); //忽略 SIGPIPE 信号--防止服务器异常退出
    signal(SIGINT,signal_work_func);

    //创建链表头
    list_head=List_CreateHead(list_head);

    /*1. 创建socket套接字*/
    sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

    //设置端口号的复用功能
    int on = 1;
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));

    /*2. 绑定端口号与IP地址*/
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family=AF_INET;
    addr.sin_port=htons(atoi(argv[1])); // 端口号0~65535
    addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;    //inet_addr("0.0.0.0"); //IP地址
    if(bind(sockfd,(const struct sockaddr *)&addr,sizeof(struct sockaddr))!=0)
    {
        printf("服务器:端口号绑定失败.\n");
    }
    /*3. 设置监听的数量*/
    listen(sockfd,20);
    /*4. 等待客户端连接*/
    int *client_fd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t addrlen;
    pthread_t thread_id;
    while(1)
    {
        addrlen=sizeof(struct sockaddr_in);
        client_fd=malloc(sizeof(int));
        *client_fd=accept(sockfd,(struct sockaddr *)&client_addr,&addrlen);
        if(*client_fd<0)
        {
            printf("客户端连接失败.\n");
            return 0;
        }
        printf("连接的客户端IP地址:%s\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
        printf("连接的客户端端口号:%d\n",ntohs(client_addr.sin_port));

        /*创建线程*/
        if(pthread_create(&thread_id,NULL,thread_work_func,client_fd))
        {
            printf("线程创建失败.\n");
            break;
        }
        /*设置线程的分离属性*/
        pthread_detach(thread_id);
    } 
    //退出进程
    signal_work_func(0);
    return 0;
}


/*
函数功能: 创建链表头
*/
struct CLIENT_FD *List_CreateHead(struct CLIENT_FD *list_head)
{
    if(list_head==NULL)
    {
        list_head=malloc(sizeof(struct CLIENT_FD));
        list_head->next=NULL;
    }
    return list_head;
}

/*
函数功能: 添加节点
*/
void List_AddNode(struct CLIENT_FD *list_head,int fd)
{
    struct CLIENT_FD *p=list_head;
    struct CLIENT_FD *new_p;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(p->next!=NULL)
    {
        p=p->next;
    }
    new_p=malloc(sizeof(struct CLIENT_FD));
    new_p->next=NULL;
    new_p->fd=fd;
    p->next=new_p;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

/*
函数功能: 删除节点
*/
void List_DelNode(struct CLIENT_FD *list_head,int fd)
{
    struct CLIENT_FD *p=list_head;
    struct CLIENT_FD *tmp;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(p->next!=NULL)
    {
        tmp=p;
        p=p->next;
        if(p->fd==fd) //找到了要删除的节点
        {
            tmp->next=p->next;
            free(p);
            break;
        }
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

/*
函数功能: 获取当前链表中有多少个节点
*/
int List_GetNodeCnt(struct CLIENT_FD *list_head)
{
    int cnt=0;
    struct CLIENT_FD *p=list_head;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(p->next!=NULL)
    {
        p=p->next;
        cnt++;
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return cnt;
}

/*
函数功能: 转发消息
*/
void Server_SendMsgData(struct CLIENT_FD *list_head,struct MSG_DATA *msg_data,int client_fd)
{
    struct CLIENT_FD *p=list_head;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(p->next!=NULL)
    {
        p=p->next;
        if(p->fd!=client_fd)
        {
            write(p->fd,msg_data,sizeof(struct MSG_DATA));
        }
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
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