多线程服务端
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parent
23edc547eb
commit
a7b40144bc
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@ -0,0 +1,353 @@
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## 多线程并发服务器
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### 进程和线程的基本概念
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#### 进程
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进程是程序的一次执行过程，是操作系统资源分配的基本单位。
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比如我们在上一个实验中用 `./server` 命令运行服务器程序，就会产生一个进程，可以使用 `ps -ef|grep ./server` 命令查看相关进程快照，如下：
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PID 为 120 即该进程的进程号为 120。
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#### 线程
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线程是任务调度和执行的基本单位，一个进程中可以有多个线程独立运行。线程没有自己独立的地址空间，会与其它属于同一进程的线程一起共享进程的资源，但是每个线程也会有自己的独立的栈和一组寄存器。在 Linux 当中，线程的实现比较特别，会把线程当做进程来实现，即将线程视为一个与其它进程共享资源的进程。
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我们可以使用 ps -T -p 命令来查看一个进程的所有线程，如下（ 359 是进程号）：
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##### 通俗理解线程进程和协程
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### C++ 11 的 thread 线程库
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C++ 11 中提供了专门的线程库，可以很方便地进行调用。
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#### 基本使用
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需要引入头文件：
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```cpp
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#include<thread>
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```
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创建一个新线程来执行 run 函数：
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```cpp
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thread t(run); //实例化一个线程对象t，让该线程执行run函数，构造对象后线程就开始执行了
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```
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假如说 run 函数需要传入参数 a 和 b，我们可以这样构造：
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```cpp
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thread t(run,a,b); //实例化一个线程对象t，让该线程执行run函数，传入a和b作为run的参数
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```
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需要注意的是，传入的函数必须是**全局函数或者静态函数**，不能是类的普通成员函数。
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join 函数会阻塞主线程，直到 join 函数的 thread 对象标识的线程执行完毕为止，join 函数使用方法如下：
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```cpp
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t.join(); //调用join后，主线程会一直阻塞，直到子线程的run函数执行完毕
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```
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但有时候我们需要主线程在继续完成其它的任务，而不是一直等待子线程结束，这时候我们可以使用 detach 函数。
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detach 函数会让子线程变为分离状态，主线程不会再阻塞等待子线程结束，而是让系统在子线程结束时自动回收资源。使用的方法如下：
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```cpp
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t.detach();
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```
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#### 代码示例
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接下来用一段代码来示范如何进行简单的多线程编程，我们构建两个线程，同时输出 1-10，如下：
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新建一个文件名为 `test_thread.cpp`：
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```cpp
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#include <iostream>
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#include <thread>
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#include <unistd.h>
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using namespace std;
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void print(){
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for(int i=1;i<=10;i++){
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cout<<i<<endl;
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sleep(1); //休眠1秒钟
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}
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}
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int main(){
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thread t1(print),t2(print);
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t1.join();
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t2.join();
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//也可以使用detach
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//t1.detach();
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//t2.detach();
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}
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```
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然后使用 g++ 进行编译，需要**注意的是这里要用上 `-l` 来链接线程动态库**，如下：
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```bash
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g++ -o test_thread test_thread.cpp -lpthread
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```
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接下来运行可执行文件，如下：
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### 实战练习：多线程并发服务器
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在实验二中，我们的服务器程序是单线程的，只能为单个客户端服务，因此我们需要将其升级为多线程服务器，为每个客户端连接都创建一个线程进行服务。
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#### 具体要求
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编写两个程序：一个多线程服务器、一个单线程客户端程序（可和上个实验一样），用一个终端运行服务器程序，多个终端运行客户端程序，要让所有客户端发送的信息都能在服务器终端上显示。
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1. 编写一个服务器类 server，该类可以创建多个线程为多个客户端服务，接收所有客户端发送的消息并打印出来。
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2. 要编写多个源代码文件：`server.h` 头文件给出 server 类声明、`server.cpp` 给出类方法具体实现、`test_server.cpp` 中编写主函数创建 server 实例对象并测试。
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3. 客户端程序可继续使用上个实验的，不用做修改。
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4. 编写 Makefile 进行自动编译，使用 git 管理版本。
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#### 服务器设计思路
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因为我们需要为每个客户端创建一个线程进行服务，所以我们要在每次 accept 取出新连接之后都创建一个线程，这个线程只负责服务这个新的连接，因此我们还要将这个连接对应的套接字描述符传入线程函数中。线程函数不断地调用 recv 接收信息并打印，直到收到客户端发来的 “exit” 或者 recv 返回值小于等于 0 为止。
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#### 实现过程
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首先我们需要编写 `server.h` 头文件，给出类的成员变量和成员函数声明：
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```cpp
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#ifndef SERVER_H
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#define SERVER_H
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#include <sys/types.h>
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#include <sys/socket.h>
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#include <stdio.h>
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#include <netinet/in.h>
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#include <arpa/inet.h>
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#include <unistd.h>
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#include <string.h>
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#include <stdlib.h>
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#include <fcntl.h>
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#include <sys/shm.h>
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#include <iostream>
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#include <thread>
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#include <vector>
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using namespace std;
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class server{
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private:
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int server_port;//服务器端口号
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int server_sockfd;//设为listen状态的套接字描述符
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string server_ip;//服务器ip
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vector<int> sock_arr;//保存所有套接字描述符
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public:
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server(int port,string ip);//构造函数
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~server();//析构函数
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void run();//服务器开始服务
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static void RecvMsg(int conn);//子线程工作的静态函数
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};
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#endif
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```
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接下来我们需要在 `server.cpp` 文件中给出函数具体的定义：
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```cpp
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#include "server.h"
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//构造函数
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server::server(int port,string ip):server_port(port),server_ip(ip){}
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//析构函数
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server::~server(){
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for(auto conn:sock_arr)
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||||
close(conn);
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close(server_sockfd);
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}
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//服务器开始服务
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void server::run(){
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||||
//定义sockfd
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server_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
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//定义sockaddr_in
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struct sockaddr_in server_sockaddr;
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server_sockaddr.sin_family = AF_INET;//TCP/IP协议族
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server_sockaddr.sin_port = htons(server_port);//server_port;//端口号
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server_sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str());//ip地址，127.0.0.1是环回地址，相当于本机ip
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//bind，成功返回0，出错返回-1
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if(bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&server_sockaddr,sizeof(server_sockaddr))==-1)
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{
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perror("bind");//输出错误原因
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||||
exit(1);//结束程序
|
||||
}
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||||
|
||||
//listen，成功返回0，出错返回-1
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||||
if(listen(server_sockfd,20) == -1)
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||||
{
|
||||
perror("listen");//输出错误原因
|
||||
exit(1);//结束程序
|
||||
}
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||||
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//客户端套接字
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struct sockaddr_in client_addr;
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||||
socklen_t length = sizeof(client_addr);
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||||
//不断取出新连接并创建子线程为其服务
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||||
while(1){
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||||
int conn = accept(server_sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &length);
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||||
if(conn<0)
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||||
{
|
||||
perror("connect");//输出错误原因
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||||
exit(1);//结束程序
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||||
}
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||||
cout<<"文件描述符为"<<conn<<"的客户端成功连接\n";
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||||
sock_arr.push_back(conn);
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||||
//创建线程
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thread t(server::RecvMsg,conn);
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t.detach();//置为分离状态，不能用join，join会导致主线程阻塞
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}
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}
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||||
//子线程工作的静态函数
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||||
//注意，前面不用加static，否则会编译报错
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void server::RecvMsg(int conn){
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||||
//接收缓冲区
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char buffer[1000];
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||||
//不断接收数据
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while(1)
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{
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||||
memset(buffer,0,sizeof(buffer));
|
||||
int len = recv(conn, buffer, sizeof(buffer),0);
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||||
//客户端发送exit或者异常结束时，退出
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||||
if(strcmp(buffer,"exit")==0 || len<=0)
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||||
break;
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||||
cout<<"收到套接字描述符为"<<conn<<"发来的信息："<<buffer<<endl;
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||||
}
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||||
}
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```
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写好了类之后，我们需要编写主函数构建实例进行测试，于是便有 `test_server.cpp` 文件：
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```cpp
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#include"server.h"
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int main(){
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server serv(8023,"127.0.0.1");//创建实例，传入端口号和ip作为构造函数参数
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serv.run();//启动服务
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||||
}
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```
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接下来我们需要编写 Makefile 进行自动编译。
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`makefile` 内容如下：
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```makefile
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test_server: test_server.cpp server.cpp server.h
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g++ -o test_server test_server.cpp server.cpp -lpthread
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clean:
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rm test_server
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```
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对于 makefile 文件中的内容，如果是直接粘贴的，需要调整一下格式。点击右下角的 “制表符长度:4”，然后选择“将缩进转换为制表符”：
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以后对于粘贴的 makefile 文件都需要执行这个操作，后面的课程中不再赘述。
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然后我们输入 make 进行编译：
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接下来执行 `test_server`，如下：
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然后打开多个新的终端运行客户端的 client 程序，并发送信息，如下：
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可以看到通信成功。
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最后我们将这次实验的项目文件提交到 git 的版本库，先设定账号标识，可以把下面的 xiaoming 改成自己的信息，如下：
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```bash
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git config --global user.email "xiaoming@qq.com"
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git config --global user.name "xiaoming"
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```
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然后 git init 初始化仓库，用 git add 添加到暂存区，再 git commit 提交到版本库，如下：
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```bash
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git init
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git add *
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git commit -m " server class finished "
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```
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## 头文件说明
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### #ifndef
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`#ifndef` 是 C/C++ 的预编译指令之一，用于在编译时判断某个标识符是否已定义。
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具体来说，`#ifndef` 表示如果某个标识符没有被定义，则执行代码块。可以与 `#define` 指令结合使用，来为该标识符定义一个值。
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以下是一个简单的示例：
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```
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c++
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#ifndef EXAMPLE_H
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#define EXAMPLE_H
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// 这里放置需要执行的代码块
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#endif
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```
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在上述示例中，`EXAMPLE_H` 是一个用户自定义的标识符，它表示一个头文件的名称。当这个头文件被包含到其他源文件中时，预编译器首先会检查 `EXAMPLE_H` 是否已经被定义。如果没有被定义，则执行 `#define` 操作，将其定义为该头文件的名称；否则，跳过整个代码块。
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使用 `ifndef` 可以帮助避免头文件的重复包含，提高程序的编译效率，并且可以防止多次定义同一个变量或函数等问题。
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### #include " " 和 #include < > 的探究
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在 C++ 中，用于包含头文件的指令是 `#include`。在使用 `#include` 指令时，可以使用尖括号 `< >` 或者双引号 `" "` 来引用头文件。
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当使用尖括号 `< >` 时，编译器会在系统默认的头文件目录中查找该头文件；而当使用双引号 `" "` 时，编译器会先在当前源代码文件所在目录中查找该头文件，如果没有找到再到系统默认的头文件目录中查找。
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因此，如果要引用系统库中的头文件，应该使用尖括号 `< >`；如果要引用自己编写的头文件，应该使用双引号 `" "`。
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需要注意的是，如果在使用 `#include` 指令时使用了错误的符号，可能会导致编译器无法正确查找头文件，从而导致编译失败。因此，在编写代码时要注意使用正确的符号来引用头文件。
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## server代码解释
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### accept()
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### 编译警告信息说明
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### makefile 编译链接命令解释
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@ -0,0 +1,48 @@
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#include <sys/types.h>
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#include <sys/socket.h>
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||||
#include <stdio.h>
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||||
#include <netinet/in.h>
|
||||
#include <arpa/inet.h>
|
||||
#include <unistd.h>
|
||||
#include <string.h>
|
||||
#include <stdlib.h>
|
||||
#include <fcntl.h>
|
||||
#include <sys/shm.h>
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||||
#include <iostream>
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using namespace std;
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int main()
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{
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||||
// 定义客户端 sockfd 套接字描述符
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||||
int sock_cli = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
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||||
|
||||
// 定义 sockaddr_in
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||||
struct sockaddr_in servaddr;
|
||||
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
|
||||
servaddr.sin_family = AF_INET; // TCP/IP 协议族
|
||||
servaddr.sin_port = htons(8023); // 服务器端口
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||||
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // 服务器 ip
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||||
|
||||
// connect 同远程服务器建立主动连接，成功时返回0，若连接失败返回－1
|
||||
if (connect(sock_cli, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
|
||||
{
|
||||
perror("connect");
|
||||
exit(1);
|
||||
}
|
||||
cout << "连接服务器成功！\n";
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||||
|
||||
char sendbuf[100]; // 发送缓冲数组
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||||
// char recvbuf[100]; // 接收缓冲数组
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||||
while (1)
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||||
{
|
||||
memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
|
||||
cin >> sendbuf; // 向发送缓冲数组写入数据
|
||||
send(sock_cli, sendbuf, sizeof(sendbuf), 0); // 发送数据
|
||||
if (strcmp(sendbuf, "exit") == 0)
|
||||
break; // 如果发送字符为exit，则跳出发送循环
|
||||
}
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||||
|
||||
close(sock_cli); // 关闭发送套接字描述符
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||||
return 0;
|
||||
}
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||||
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@ -0,0 +1,35 @@
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CXX = g++
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||||
CXXFLAGS = -Wall -Wextra -g
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||||
SRCS_TEST_SERVER = test_server.cpp server.cpp
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||||
SRCS_CLIENT = client.cpp
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||||
OBJS_TEST_SERVER = $(SRCS_TEST_SERVER:.cpp=.o)
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||||
OBJS_CLIENT = $(SRCS_CLIENT:.cpp=.o)
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||||
TEST_SERVER_TARGET = ./test/test_server
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||||
CLIENT_TARGET = ./test/client
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||||
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||||
.PHONY: all clean start_server start_client
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||||
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||||
all: test_server client
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||||
test_server: $(OBJS_TEST_SERVER)
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||||
$(CXX) $(CXXFLAGS) $^ -o $(TEST_SERVER_TARGET) -lpthread
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||||
|
||||
client: $(OBJS_CLIENT)
|
||||
$(CXX) $(CXXFLAGS) $^ -o $(CLIENT_TARGET)
|
||||
|
||||
%.o: %.cpp
|
||||
$(CXX) $(CXXFLAGS) -c $< -o $@
|
||||
|
||||
# clean:
|
||||
# rm -f $(OBJS_TEST_SERVER) $(OBJS_CLIENT) $(TEST_SERVER_TARGET) $(CLIENT_TARGET)
|
||||
clean:
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||||
rm -rf *.o ./test/*
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||||
|
||||
start_server: test_server
|
||||
$(TEST_SERVER_TARGET)
|
||||
|
||||
start_client: client
|
||||
$(CLIENT_TARGET)
|
||||
|
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@ -0,0 +1,82 @@
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|||
#include "server.h"
|
||||
|
||||
// 构造函数
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||||
server::server(int port, string ip) : server_port(port), server_ip(ip) {}
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||||
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||||
// 析构函数
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||||
server::~server()
|
||||
{
|
||||
for (auto conn : sock_arr)
|
||||
close(conn);
|
||||
close(server_sockfd);
|
||||
}
|
||||
|
||||
// 服务器开始服务
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||||
void server::run()
|
||||
{
|
||||
// 定义 sockfd
|
||||
server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
|
||||
|
||||
// 定义地址信息
|
||||
struct sockaddr_in server_sockaddr; // 套接字地址结构
|
||||
server_sockaddr.sin_family = AF_INET; // TCP/IP 协议族
|
||||
server_sockaddr.sin_port = htons(server_port); // server_port 端口号
|
||||
server_sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str()); // ip 地址，127.0.0.1 是环回地址，相当于本机 ip
|
||||
|
||||
// bind，成功返回 0，出错返回 -1
|
||||
if (bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_sockaddr, sizeof(server_sockaddr)) == -1) // 服务端套接字绑定 ip 地址和 port 端口号
|
||||
{
|
||||
perror("bind"); // 输出错误原因
|
||||
exit(1); // 结束程序
|
||||
}
|
||||
|
||||
// listen，成功返回 0，出错返回 -1
|
||||
if (listen(server_sockfd, 20) == -1)
|
||||
{
|
||||
perror("listen"); // 输出错误原因
|
||||
exit(1); // 结束程序
|
||||
}
|
||||
|
||||
// 客户端套接字
|
||||
struct sockaddr_in client_addr;
|
||||
socklen_t length = sizeof(client_addr);
|
||||
|
||||
// 不断取出新连接并创建子线程为其服务
|
||||
while (1)
|
||||
{
|
||||
int conn = accept(server_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &length); // server_sockfd 是服务器端监听套接字的文件描述符，client_addr 是一个结构体指针，存储了客户端的地址信息（IP 地址和端口号），length 是客户端地址结构体的长度。
|
||||
if (conn < 0)
|
||||
{
|
||||
perror("connect"); // 输出错误原因
|
||||
exit(1); // 结束程序
|
||||
}
|
||||
|
||||
cout << "文件描述符为" << conn << "的客户端成功连接\n";
|
||||
sock_arr.push_back(conn);
|
||||
// 创建线程
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||||
thread t(server::RecvMsg, conn);
|
||||
t.detach(); // 置为分离状态，不能用 join ，join 会导致主线程阻塞
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
// 定义子线程工作的静态函数：用于在子线程中处理客户端的数据收发，conn 参数是与客户端建立连接后返回的新套接字描述符，用于指定当前处理的客户端。
|
||||
// 注意：头文件 server.h 中已经定义过静态函数时，在另一个文件或同一个文件中包含该头文件并使用该静态函数时，不需要再次添加 static 关键字。如果重复添加 static 关键字，则会导致编译错误。
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void server::RecvMsg(int conn)
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{
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// 接收缓冲区
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char buffer[1000];
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// 不断接收数据
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while (1)
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{
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memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); // 在网络编程中，由于发送和接收的数据可能会出现不完整的情况，因此需要先将接收缓冲区清空，以避免旧数据对新数据造成干扰。在这段代码中，使用 memset() 函数将 buffer 清空，以确保该缓冲区为空，可以安全地存储新的接收数据。
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int len = recv(conn, buffer, sizeof(buffer), 0);
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// 客户端发送 exit 或者异常结束时，退出
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if (strcmp(buffer, "exit") == 0 || len <= 0)
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{
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cout << "套接字描述符为" << conn << "的客户端断开了连接" << endl;
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break;
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}
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cout << "收到套接字描述符为" << conn << "发来的信息：" << buffer << endl;
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}
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}
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@ -0,0 +1,33 @@
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#ifndef SERVER_H
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#define SERVER_H
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#include <sys/types.h>
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#include <sys/socket.h>
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#include <stdio.h>
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#include <netinet/in.h>
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#include <arpa/inet.h>
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#include <unistd.h>
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#include <string.h>
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#include <stdlib.h>
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#include <fcntl.h>
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#include <sys/shm.h>
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#include <iostream>
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#include <thread>
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#include <vector>
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using namespace std;
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class server
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{
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private:
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int server_port; // 服务器端口号
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int server_sockfd; // 设为 listen 状态的套接字描述符
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string server_ip; // 服务器 ip
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vector<int> sock_arr; // 保存所有套接字描述符
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public:
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server(int port, string ip); // 构造函数
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~server(); // 析构函数
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void run(); // 服务器开始服务
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static void RecvMsg(int conn); // 子线程工作的静态函数：用于在子线程中处理客户端的数据收发，conn 参数是与客户端建立连接后返回的新套接字描述符，用于指定当前处理的客户端。
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};
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#endif
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@ -0,0 +1,7 @@
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#include "server.h"
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int main()
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{
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server serv(8023, "127.0.0.1"); // 创建实例，传入端口号和 ip 作为构造函数参数
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serv.run(); // 启动服务
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}
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@ -0,0 +1,23 @@
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#include <iostream>
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#include <thread>
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#include <unistd.h>
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using namespace std;
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void print()
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{
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for (int i = 1; i <= 10; i++)
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{
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cout << i << endl;
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sleep(1); // 休眠 1 秒钟
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}
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}
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int main(){
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thread t1(print),t2(print);
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t1.join();
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t2.join();
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||||
// 也可以使用 detach
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// t1.detach();
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||||
// t1.detach();
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}
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