详细介绍：从单线程到线程池：TCP服务器并发处理演进之路

目录

一、单执行流服务器的弊端（单线程进程）

1、单线程服务器

2、为何客户端显示连接成功？

第一步：第一个客户端连接

第二步：第二个客户端连接

关键点

3、解决方案

二、多进程版TCP网络程序

1、多进程服务器基本原理

进程创建与服务分配

并发处理优势

2、文件描述符继承机制

描述符表特性

套接字继承示例

匿名管道通信案例

3、子进程管理策略

1. 僵尸进程问题

2. 阻塞式等待方案

3. 非阻塞式等待方案

4、优雅解决方案

1. 忽略SIGCHLD信号（捕捉SIGCHLD信号）

2. 双层进程模型（推荐）

5、补充知识

问题1：进程退出后，曾经打开的文件会怎么办？

问题2：父进程打开文件后创建子进程，子进程能使用父进程的fd吗？

以管道为例进行验证：像之前我们提到的“管道不就是吗？”完全正确！！！让我们拆解一下管道的创建和使用过程：

需要注意的地方：

总结表格

三、多线程版TCP网络程序设计

1、进程与线程创建成本对比

2、多线程服务器基本架构

2.1 连接处理流程

2.2 线程管理策略

3、文件描述符管理

3.1 共享文件描述符表

3.2 使用规范

4、参数结构体设计

5、文件描述符共享问题

6、将Service函数定义为静态成员函数的原因

静态成员函数要求

7、关键注意事项

8、扩展建议

9、代码测试

ps -aL 命令

ps -axj 命令

10、补充：问题分析

问题1：fd线程能看到吗？

问题2：线程敢不敢关闭自己不需要的fd？

popen/pclose 函数详解

函数原型

功能说明

执行流程

底层实现

关键知识点总结

四、线程池版的TCP网络程序

1、传统多线程模式的缺陷

线程创建与销毁开销大

高并发场景性能瓶颈

2、解决方案

线程池预创建机制

线程复用机制

资源管控机制

3、线程池的实现与应用

4、服务类新增线程池成员

5、任务类设计

6、设计Handler类

7、代码测试阶段

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一、单执行流服务器的弊端（单线程进程）

正如之前所述，当单个客户端连接服务端时，该客户端可以正常接收服务端提供的服务。如下所示：

当第一个客户端正与服务端保持连接时，我们尝试让第二个客户端接入服务器，然后在客户端这边显示第二个客户端他自己连接成功，但是服务端那边却没有显示新加入的客户端：

然后我们在第二个客户端输入要发送的信息，然后发送给服务端，我们看到发送给服务端的消息既未在服务端显示，服务端也未将该消息回显给该客户端。如下所示：

我们此时可以尝试关闭第一个客户端进程，然后我们可以看到服务端会等待第一个客户端断开连接后，才会处理并回显第二个客户端发送的数据：

1、单线程服务器

• 实验结果表明，该服务器只能依次处理客户端请求，必须完成当前客户端的服务（第一个客户端）后才能响应下一个连接（第二个客户端）。

• 这是因为我们实现的是单线程版本服务器（当前服务端进程只有一个线程），同一时间仅能为一个客户端提供服务。

• 当服务器通过accept函数建立连接后，会专注于服务该客户端（第一个客户端）。如下，可以验证当前服务端还在为第一个客户端进行服务：

  

• 在此期间，虽然其他客户端可能发起连接请求，但由于服务器采用单线程架构，无法同时处理多个连接请求。

2、为何客户端显示连接成功？

• 当服务器处理第一个客户端的请求时，第二个客户端的连接请求实际上已被系统接收。

• 尽管服务器尚未调用accept函数获取该连接，但底层TCP协议会维护一个连接队列（回顾listen()函数将sockfd设置为监听状态，最多允许backlog个客户端处于连接等待队列。若超过该数量的连接请求将被自动忽略，通常建议将该值设置为较小的数值（如5）），未处理的连接会被暂存其中，而通过已建立的连接传输但未处理的连接，它的数据存放在内核接收缓冲区。

• 一旦服务器调用 accept() 接受连接，就可以立即读取已到达的数据！！！

• 这个队列的最大长度由listen函数的第二个参数决定，因此第二个客户端会立即收到连接成功的响应。（注意：意思是服务端监听listen完成三次握手之后，connect函数就相当于成功返回了，它不管是否完成accept函数操作！！！）

listen() 函数的第二个参数指的是「完整连接队列」的长度。TCP 连接的两种状态：

• 半连接队列（SYN Queue）：收到 SYN，但未完成三次握手

• 完整连接队列（Accept Queue）：已完成三次握手，等待 accept() 取出

在上面的这个场景中，第二个客户端会被阻塞在「完整连接队列」中。

第一步：第一个客户端连接

客户端A: SYN → 半连接队列 → 完成握手 → 完整连接队列 → accept()取出

• 连接建立成功，服务器开始处理客户端A的请求

第二步：第二个客户端连接

客户端B: SYN → 半连接队列 → 完成握手 → 完整连接队列 ⛔ 阻塞在这里！

• 三次握手快速完成

• 但服务器还在处理客户端A的请求，没有调用 accept()

• 客户端B的连接在完整连接队列中等待

关键点

1. 半连接队列：只在三次握手期间短暂存在

2. 完整连接队列：连接建立后，等待 accept() 的地方

3. 单线程问题：由于服务器忙于处理第一个请求，无法及时 accept() 第二个连接

总结：第二个客户端阻塞在完整连接队列，等待服务器调用 accept() 来处理它！

3、解决方案

• 单线程服务器无法充分利用系统资源，实际应用中很少采用这种架构。

• 要解决这个问题，需要将服务器改造为多线程或多进程架构，实现并发处理能力。

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二、多进程版TCP网络程序

        在单进程TCP服务器模型中，服务器只能以串行方式依次处理客户端连接请求。当我们将单执行流服务器升级为多进程版本后，服务器可以同时处理多个客户端连接，显著提升并发处理能力。

1、多进程服务器基本原理

进程创建与服务分配

        多进程TCP服务器的核心思想是：当服务端通过accept()函数获取到新客户端连接后，不是由当前主执行流直接处理该连接，而是调用fork()函数创建子进程，将服务任务分配给新创建的子进程。具体流程如下：

1. 主进程（父进程）创建监听套接字并绑定端口

2. 进入循环，持续调用accept()等待新连接

3. 当有新连接到达时，调用fork()创建子进程

4. 在子进程中关闭监听套接字，专注于服务当前客户端（因为子进程继承了父进程的文件描述符，所以要关闭掉）

5. 在父进程中关闭已分配的连接套接字，继续等待新连接（让创建的子进程拿到了连接套接字文件描述符后，这个连接套接字对父进程已经没有用了，所以要关闭掉）

并发处理优势

这种模型利用了操作系统进程调度的特性：

• 父子进程作为独立的执行流，可以同时运行在不同CPU核心上

• 父进程无需等待子进程完成服务即可继续接受新连接

• 每个客户端连接由独立的子进程处理，避免相互干扰

2、文件描述符继承机制

描述符表特性

文件描述符表是进程级的资源，子进程创建时会继承父进程的所有打开文件描述符：

• 继承的描述符具有相同的文件偏移量

• 继承的描述符具有相同的文件状态标志（如O_NONBLOCK）

• 父子进程对描述符的操作相互独立（关闭操作除外）

        文件描述符表是进程特有的资源。当父进程创建子进程时，子进程会继承父进程的文件描述符表。例如，若父进程打开了某个文件并获得描述符3，那么子进程的3号描述符也会指向同一个文件。这种继承关系会持续传递：子进程创建的新进程同样会继承这个文件描述符。

        当父进程创建子进程后，父子进程各自保持独立性，父进程文件描述符表的变更不会影响子进程。匿名管道就是一个典型例子：父进程调用pipe函数获取两个文件描述符（分别对应管道的读写端），子进程会继承这两个文件描述符。随后，父子进程分别关闭管道的不同端（一个关闭读端，另一个关闭写端），此时各自文件描述符表的修改互不影响。这样，父子进程就能通过该管道实现单向通信。

同理，对于套接字文件，子进程也会继承父进程的套接字文件描述符。这使得子进程能够直接对特定套接字进行读写操作，从而为对应的客户端提供服务。

套接字继承示例

int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(listen_fd, ...);
listen(listen_fd, 5);
int conn_fd = accept(listen_fd, ...);
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) { // 子进程close(listen_fd); // 关闭监听套接字// 使用conn_fd与客户端通信
} else { // 父进程close(conn_fd); // 关闭已分配的连接套接字// 继续accept新连接
}

匿名管道通信案例

int pipefd[2];
pipe(pipefd); // 创建管道
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) { // 子进程close(pipefd[1]); // 关闭写端// 从pipefd[0]读取数据
} else { // 父进程close(pipefd[0]); // 关闭读端// 向pipefd[1]写入数据
}

这个例子展示了：

1. 父子进程继承相同的管道描述符

2. 各自关闭不需要的端后形成单向通信

3. 后续的文件描述符操作互不影响

3、子进程管理策略

当父进程创建子进程后，必须等待子进程退出，否则子进程会变成僵尸进程并导致内存泄漏。因此，服务端在创建子进程后需要调用wait或waitpid函数进行等待。

关于等待方式的选择：

阻塞式等待

• 采用阻塞方式时，服务端必须等待当前客户端服务完成后才能处理下一个连接请求

• 这种方式本质上仍然是串行处理模式

非阻塞式等待

• 虽然可以在子进程服务期间继续接收新连接

• 但需要保存所有子进程的PID并持续检测其退出状态

• 会额外消耗系统资源

综上所述，无论是阻塞式还是非阻塞式等待，都存在明显缺陷。因此，更好的解决方案是让服务端不主动等待子进程退出。

实现父进程不等待子进程退出的方法

1. 捕获SIGCHLD信号并将其处理方式设置为忽略

2. 采用进程链的方式：父进程创建子进程后，子进程再创建孙子进程，最终由孙子进程处理实际服务

1. 僵尸进程问题

• 当子进程退出时，操作系统会保留其退出状态直到父进程通过wait()或waitpid()回收。

• 如果父进程未及时回收，子进程将成为僵尸进程，占用系统资源。

2. 阻塞式等待方案

while(1) {int conn_fd = accept(...);pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程服务代码exit(0);} else {waitpid(pid, NULL, 0); // 阻塞等待子进程}
}

缺点：父进程必须等待当前子进程退出才能接受新连接，失去并发优势。

3. 非阻塞式等待方案

// 存储所有子进程PID
pid_t pids[MAX_CLIENTS];
int pid_count = 0;
while(1) {int conn_fd = accept(...);pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程服务代码exit(0);} else {pids[pid_count++] = pid;// 定期检查子进程状态for(int i=0; i 0) {// 子进程已退出，移除PIDpids[i] = pids[--pid_count];}}}
}

缺点：

• 需要维护子进程列表

• 定期检查消耗CPU资源

• 实现复杂度较高

4、优雅解决方案

1. 忽略SIGCHLD信号（捕捉SIGCHLD信号）

#include 
void sigchld_handler(int sig) {while(waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0); // 回收所有僵尸进程
}
int main() {struct sigaction sa;sa.sa_handler = sigchld_handler;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = SA_RESTART;sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);// 主服务器循环...
}

或更简单的忽略方式（但可能不完全可靠）：

signal(SIGCHLD, SIG_IGN); // 设置忽略SIGCHLD

        当子进程退出时，系统会向父进程发送SIGCHLD信号。使用 signal(SIGCHLD, SIG_IGN); 之后，父进程通常不需要等待子进程，可以立即继续执行，而且不会产生僵尸进程。但如果业务逻辑需要同步，父进程仍然可以选择等待子进程。

信号处理的三层次：（重点！！！）

// 层次1：默认处理 - 信号被传递，执行默认动作
signal(SIGCHLD, SIG_DFL);  // 子进程结束会产生僵尸进程
// 层次2：忽略处理 - 信号根本不会被传递
signal(SIGCHLD, SIG_IGN);  // 内核直接回收，进程不知情
// 层次3：捕获处理 - 信号被传递，执行自定义函数
signal(SIGCHLD, custom_handler);  // 进程收到信号并处理

class TcpServer
{
public:void Start(){std::cout << "Server start on port: " << _port << std::endl;signal(SIGCHLD, SIG_IGN); //忽略SIGCHLD信号for (;;){//获取连接struct sockaddr_in peer;memset(&peer, '\0', sizeof(peer));socklen_t len = sizeof(peer);int sock = accept(_listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);if (sock < 0){std::cerr << "accept error, continue next" << std::endl;continue;}std::string client_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);int client_port = ntohs(peer.sin_port);std::cout << "get a new link->" << sock << " [" << client_ip << "]:" << client_port << std::endl;pid_t id = fork();if (id == 0){ //child//处理请求Service(sock, client_ip, client_port);exit(0); //子进程提供完服务退出}}}
private:int _listen_sock; //监听套接字int _port; //端口号
};

记得加上对应必要的头文件：

#include     // 用于 signal(), SIGCHLD, SIG_IGN
#include     // 可选，如果需要 exit() 等函数

代码测试：完成程序重新编译并启动服务端后，可通过以下监控脚本实时跟踪服务进程状态。

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep TcpServer | grep -v grep;echo "##############################################################";sleep 1;done

可以看到当前服务器状态显示尚无客户端连接，仅运行着一个主服务进程。该进程持续监听新连接请求，并在接收到连接后创建子进程为对应客户端提供服务。

当客户端连接服务器时，服务进程会调用fork函数创建一个子进程，专门为该客户端提供服务。如下监控所示新加入了一个进程：

当又有一个新的客户端连接服务器时，服务进程会再创建一个新的子进程来专门处理该客户端的请求。如下监控所示又新加入一个进程：

关键在于，这两个客户端由独立的执行流提供服务，因此能够同时获得响应。它们发送至服务端的数据都能被正常接收并处理，服务端也会及时作出反馈。

当客户端逐个断开连接时，服务端对应的子进程会随之终止。然而，服务端始终会保留至少一个主服务进程，其主要职责是持续监听并处理新的连接请求。

2. 双层进程模型（推荐）

我们也可以通过服务端创建的子进程再次fork，由孙子进程为客户端提供服务，这样就无需等待孙子进程退出。

进程命名说明：

• 爷爷进程：服务端调用listen监听客户端的进程

• 爸爸进程：由爷爷进程fork创建的子进程

• 孙子进程：由爸爸进程fork创建的进程，负责调用Service函数提供服务

实现机制：

1. 爸爸进程创建孙子进程后立即退出，此时孙子进程成为孤儿进程，然后直接被1号进程给领养！！！由init进程帮忙等待和释放孙子进程！！！

2. 也就是说，服务进程（爷爷进程）通过wait/waitpid能立即完成对爸爸进程的等待

3. 此后服务进程可继续调用accept处理其他客户端请求

孤儿进程处理：

• 由于爸爸进程立即退出，孙子进程成为孤儿进程

• 系统会自动接管孤儿进程

• 服务进程无需等待孙子进程退出

文件描述符管理：

        当服务进程（祖父进程）通过listen函数获取新连接后，会由孙子进程负责处理该连接。在此过程中，服务进程首先将文件描述符表传递给父进程，随后父进程通过fork创建孙子进程并再次传递文件描述符表。

        由于fork创建的子进程拥有独立的文件描述符表，各进程间的操作互不影响。因此，服务进程在完成fork后可以安全地关闭通过listen获取的文件描述符。同理，父进程和孙子进程无需保留从服务进程继承的监听套接字，父进程可以将其关闭。

• 服务进程在调用fork函数后，应当及时关闭从accept函数获取的文件描述符。这是因为服务进程会持续调用accept函数创建新的服务套接字，若不及时释放不再使用的文件描述符，将导致可用文件描述符数量逐渐减少。

• 对于父进程和子进程，建议关闭从服务进程继承的监听套接字。虽然不关闭仅会造成单个文件描述符的泄漏，但关闭仍是更稳妥的做法。这可以避免子进程在提供服务时对监听套接字进行误操作，进而影响其中的数据。

优势：

• 中间进程无需处理子进程回收，而是直接退出，让1号进程成为子进程的父进程！！！也就是交给系统！！！

• 中间进程退出时自动清理工作进程

class TcpServer
{
public:void Start(){std::cout << "Server start on port: " << _port << std::endl;for (;;){//获取连接struct sockaddr_in peer;memset(&peer, '\0', sizeof(peer));socklen_t len = sizeof(peer);int sock = accept(_listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);if (sock < 0){std::cerr << "accept error, continue next" << std::endl;continue;}std::string client_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);int client_port = ntohs(peer.sin_port);std::cout << "get a new link->" << sock << " [" << client_ip << "]:" << client_port << std::endl;pid_t id = fork();if (id == 0){ //childclose(_listen_sock); //child关闭监听套接字if (fork() > 0){exit(0); //爸爸进程直接退出}//处理请求Service(sock, client_ip, client_port); //孙子进程提供服务exit(0); //孙子进程提供完服务退出}close(sock); //father关闭为连接提供服务的套接字waitpid(id, nullptr, 0); //等待爸爸进程（会立刻等待成功）}}
private:int _listen_sock; //监听套接字int _port; //端口号
};

这里也要记得加上对应的头文件！！！

#include 

服务器测试：重新编译并运行客户端程序后，继续通过监控脚本对服务进程进行实时状态监测。

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep TcpServer | grep -v grep;echo "##############################################################";sleep 1;done

可以看到目前没有客户端连接到服务器，仅监测到一个服务进程正在等待客户端的连接请求。

        当我们启动一个客户端并连接到服务器时，服务进程会首先创建一个父进程。这个父进程随后会立即创建一个子进程（孙子进程）来为客户端提供服务，随后父进程会自动退出（这个退出速度很快，观察不到父进程的创建和退出过程）。此时系统中仅剩两个服务进程：最初用于接收连接的主服务进程，以及实际处理客户端请求的孙子进程。值得注意的是，孙子进程的PPID显示为1，这表明它已成为孤儿进程。

当第二个客户端连接服务器时，系统会再次创建一个孤儿进程来为其提供服务。

这里思考一下：为什么两个连接的客户端在服务端上输出显示的套接字都为4呢？（重点！！！）

进程类型	监听套接字 _listen_sock	连接套接字 sock	状态
主进程	保持打开	短暂拥有后关闭	持续监听
爸爸进程	关闭	保持打开	短暂存在
孙子进程	关闭	保持打开	处理具体请求

原因分析：文件描述符重用

关键机制

1. 文件描述符是进程资源：每个进程有自己独立的文件描述符表

2. 最小可用FD分配：Linux总是分配当前可用的最小文件描述符编号

3. 描述符及时关闭：在fork过程中，父进程及时关闭了连接套接字

详细过程分析

第一个客户端连接

int sock = accept(_listen_sock, ...);  // sock = 4
// 主进程：sock=4
pid_t id = fork();  // 创建爸爸进程
// 爸爸进程中：
close(_listen_sock);  // 关闭监听套接字
if (fork() > 0) {     // 创建孙子进程exit(0);          // 爸爸进程退出
}
// 主进程中：
close(sock);  // 关闭sock=4，现在FD 4变为可用状态
waitpid(id, nullptr, 0);  // 回收爸爸进程

第二个客户端连接

// 此时FD 4已经可用（主进程关闭了上一个sock）
int sock = accept(_listen_sock, ...);  // 再次分配sock=4

进程间的文件描述符关系

主进程: _listen_sock=3 (始终打开)↓
客户端A连接: sock=4 (创建) → fork() → 爸爸进程A → fork() → 孙子进程A(持有sock=4)↓ 主进程关闭sock=4 (FD 4释放)↓
客户端B连接: sock=4 (重新分配) → fork() → 爸爸进程B → fork() → 孙子进程B(持有sock=4)

为什么能看到相同的sock值？（这里超级重点！！！理解超级重要！！！）

1. 主进程视角：sock=4被重复使用

2. 孙子进程视角：每个孙子进程都认为自己持有"sock=4"，但实际上：

   • 孙子进程A：持有指向客户端A连接的描述符4

   • 孙子进程B：持有指向客户端B连接的描述符4

   • 它们在不同的进程空间中，描述符编号相同但指向不同的网络连接

可以这样理解：就是爷爷进程监听到的客户端对应的信息不同（但同一时刻只有一个监听进程，也就是只有一个监听套接字），然后得到不同的监听套接字，后面通过accept函数接收的到不同的接收套接字（套接字都是使用文件描述符来访问的），所以得到的接收套接字本质是不同的，虽然都是用4号来表示，但第一个4和第二个4是不一样的！！！

1. 监听套接字是同一个

// 整个过程中只有一个监听套接字
_listen_sock  // 始终是同一个，比如fd=3

2. 接收套接字本质不同

// 第一个客户端连接
int sock = accept(_listen_sock, ...);  // 创建连接A → 内核对象A
// 此时 sock=4 指向客户端A的连接
// 第二个客户端连接
int sock = accept(_listen_sock, ...);  // 创建连接B → 内核对象B
// 此时 sock=4 指向客户端B的连接

3. 关键区别

• 第一个4号：指向客户端A的连接对象

• 第二个4号：指向客户端B的连接对象

• 虽然编号相同，但指向的内核对象完全不同

验证方法

我们可以在Service函数中添加进程信息来验证：

void Service(int sock, const std::string& client_ip, int client_port)
{std::cout << "Process " << getpid() << " handling sock " << sock<< " for client [" << client_ip << ":" << client_port << "]" << std::endl;// ... 处理请求
}

然后会看到这样的输出，通过输出我们可以更加直观的看到IP相同但是端口号不同！！！所以这就对应着不同的网络连接！！！虽然文件描述符一样！！！：

重要结论

1. 这不是bug：这是Linux文件描述符管理的正常行为

2. 不影响功能：每个进程独立维护自己的文件描述符表

3. 资源管理良好：主进程及时关闭不需要的描述符，避免泄漏

4. 并发安全：不同进程中的相同FD编号互不影响

这种现象正好证明了你的服务器代码在正确工作：主进程妥善管理资源，孤儿进程独立处理客户端请求。

关键概念：文件描述符是进程私有的，每个进程有独立的文件描述符表

第一阶段：第一个客户端连接后

// 主进程
int sock = accept(_listen_sock, ...);  // 分配fd=4
pid_t id = fork();  // 创建爸爸进程
// 爸爸进程（复制了主进程的fd表）
close(_listen_sock);
if (fork() > 0) {  // 创建孙子进程Aexit(0);
}
// 孙子进程A继续运行，持有fd=4
// 回到主进程
close(sock);  // 主进程关闭自己的fd=4

此时的状态：

• 主进程：fd=4 被标记为"可用"

• 孙子进程A：在自己的进程空间中持有fd=4（指向客户端A的连接）

• 两个fd=4完全独立，互不影响

第二阶段：第二个客户端连接时

// 在主进程中
int sock = accept(_listen_sock, ...);  // 再次分配fd=4

为什么可以重复分配：

1. 主进程只关心自己的文件描述符表

2. 孙子进程A的文件描述符表对主进程不可见

3. 内核为主进程分配fd时，只检查主进程自己的fd表

类比理解：想象每个进程有自己的"钥匙串"：

• 主进程：有钥匙3(监听)、钥匙4(已归还)

• 孙子进程A：有钥匙4(指向客户端A的连接)

• 当主进程需要新钥匙时，它只看自己的钥匙串，发现4号位置空着，就再次使用

内核层面的实现

实际上，文件描述符只是进程文件描述符表的索引，真正重要的是背后的struct file结构：

主进程文件描述符表
fd[3] → struct file (监听socket)
fd[4] → struct file (客户端B连接)  ← 重新分配
孙子进程A文件描述符表
fd[4] → struct file (客户端A连接)  ← 完全独立的对象

总结根本原因：文件描述符编号是进程局部的，不是系统全局的。每个进程维护自己独立的文件描述符表，内核在分配fd时只考虑当前进程的可用情况，不考虑其他进程的使用情况。

        诶？？？现在又疑惑了，为什么呢？因为你看这个总结的原因，如果是这样的话，我们之前使用的管道对应的文件描述符不是可以实现进程间通信吗？这不进一步说明是像全局那样可以访问的吗？为什么又是局部的呢？其实，更准确的说法应该是：文件描述符编号是进程局部的，但文件描述符指向的内核对象可以是系统全局共享的！！！

管道的情况分析

管道的创建和共享

int pipefd[2];
pipe(pipefd);  // 创建管道
// pipefd[0]=3 (读端), pipefd[1]=4 (写端)
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {// 子进程// 继承了相同的文件描述符：3→读端, 4→写端// 但这是在fork时复制的，每个进程有自己的fd表项
}

实际的内存结构

关键区别：继承 vs 独立分配

情况1：fork继承（管道、socketpair等）

// 父子进程共享相同的文件描述符编号
pipe(fd);
fork();
// 父子进程都有相同的fd[0]和fd[1]编号
// 指向同一个管道对象

情况2：独立分配（accept、open等）

// 主进程
int sock1 = accept(...);  // fd=4
close(sock1);
// 子进程（通过fork创建）
int sock2 = accept(...);  // 也可能得到fd=4
// 但指向不同的连接对象！

更精确的技术解释

1. 文件描述符表是进程私有的

struct task_struct {struct files_struct *files;  // 每个进程独有
};
struct files_struct {struct file **fd_array;  // 该进程的fd数组
};

2. 但struct file对象可以被共享

struct file {atomic_t f_count;    // 引用计数struct inode *f_inode;  // 指向实际的文件/管道/socket
};

内核层面的真实情况

// 内核数据结构示意
struct task_struct {          // 进程控制块struct files_struct *files;  // 每个进程独有的文件表
};
struct files_struct {struct file **fd_array;   // 文件描述符指针数组
};
// 实际的内存对象
孙子进程A: fd_array[4] → struct file对象A → TCP连接A
孙子进程B: fd_array[4] → struct file对象B → TCP连接B

这代表什么？

1. 进程隔离的成功体现：每个进程有独立的内存空间和资源视图

2. 正确的并发处理：两个客户端请求被完全独立地处理

3. 没有资源冲突：虽然fd编号相同，但指向不同的网络连接

正确的理解：

1. 文件描述符编号分配是进程局部的：每个进程独立决定给新打开的文件什么编号

2. 文件描述符可以指向共享的内核对象：通过fork继承或传递fd实现

3. 相同编号不一定指向相同对象：不同进程中相同的fd编号可能指向完全不同的资源

4. 相同对象可能有不同编号：通过dup2()可以让不同fd指向同一个对象

所以我的服务器代码中，两个孙子进程的fd=4指向不同的连接，这正是"文件描述符编号是进程局部"的体现！而管道的情况是"内核对象可以被多个进程共享"的体现。两者并不矛盾，只是展示了文件描述符系统的不同方面。

最后再思考一个问题：那像之前我们所说的套接字究竟是文件描述符还是文件描述符编号？

套接字不是文件描述符，也不是文件描述符编号；套接字是内核中的一种对象，而文件描述符是我们访问这个对象的句柄。（前面使用错误的术语，现在我们改正一下，以这个为基准，这个是标准的）

正确的术语使用

• ❌ 错误："这个套接字是4号"

• ✅ 正确："这个套接字通过4号文件描述符访问"

• ❌ 错误："关闭套接字"

• ✅ 正确："关闭套接字的文件描述符"

类比理解：就像酒店房间：

• 套接字 = 实际的客房（有床、卫生间、设施）

• 文件描述符 = 房卡（让你访问客房）

• 文件描述符编号 = 房卡上的房间号"401"

你可以：

• 有多张房卡指向同一个房间（dup2）

• 不同酒店的401房间完全不同（不同进程的相同fd编号）

• 退还房卡但房间还在（close fd但套接字可能还被其他进程使用）

总结

• 套接字是内核中的网络连接对象

• 文件描述符是进程访问该对象的句柄

• 文件描述符编号是句柄在进程内的标识符

在你的服务器代码中，当你说"sock=4"时，你指的是：使用编号为4的文件描述符来访问某个套接字对象。

        分析完上面的问题，我们接着回到刚刚的测试中，此时，两个客户端分别由独立的孤儿进程提供服务，因此能够同时处理请求。客户端发送的数据均能在服务端正常输出，服务端也会及时给予响应。

当所有客户端退出后，为其提供服务的孤儿进程也将随之终止。这些进程会被系统自动回收，最终仅保留最初建立连接的服务进程。

5、补充知识

问题1：进程退出后，曾经打开的文件会怎么办？

核心答案：当一个进程正常或异常退出时，内核会负责回收该进程所占用的几乎所有资源。这包括清理其内存空间、取消内存映射、以及最关键地——关闭所有该进程打开的文件描述符。

详细解释：

1. 自动关闭机制：

   • 进程控制块（PCB，在Linux中通常是 task_struct 结构体）中维护着一个“打开文件描述符表”。

   • 当进程退出时，作为进程终止流程的一部分，内核会遍历这个表，对每一个有效的文件描述符（fd）执行 close() 系统调用。

   • 这个操作是内核级别的，是强制性的，无论进程是以何种方式退出（main 函数返回、调用 exit()、接收到致命信号等）。

2. close() 操作的具体影响：

   • 释放文件描述符：该进程的fd号码被标记为空闲，可以再次被该进程（如果它还活着）或其后代进程使用。

   • 递减内核文件对象的引用计数：每个被打开的文件在内核中都有一个对应的 struct file 对象。close(fd) 会将这个对象的引用计数减1。

   • 检查引用计数：如果引用计数减为0，意味着没有任何进程再需要这个文件对象了。此时，内核会执行最终的清理工作：

     • 最终释放这个 struct file 对象，文件被真正关闭。

     • 如果文件被修改过并且处于写缓存模式，会将最后的脏数据刷写到磁盘。

     • 调用文件系统特定的 release（或 close）方法。

3. 一个重要的推论：文件描述符是“每进程”的

   • 进程A打开文件 test.txt，得到fd 3。

   • 进程B打开同一个文件 test.txt，会得到它自己独立的fd（可能是3，也可能是其他数字）。

   • 当进程A退出时，它只关闭自己的fd 3，这只会影响进程A自己的访问。进程B的fd仍然有效，可以继续读写文件。内核中该文件的 struct file 对象的引用计数只是从2减为了1，并未归零，所以文件不会被彻底关闭。

总结：进程退出 → 内核自动关闭其所有打开的文件描述符 → 内核文件对象引用计数减1 → 若引用计数归零，则执行最终的文件关闭和资源释放。

问题2：父进程打开文件后创建子进程，子进程能使用父进程的fd吗？

核心答案：能，绝对可以。 这正是许多进程间通信（IPC）机制，如管道、匿名FIFO等的工作原理基础。

详细解释：

1. 继承机制：

   • 当父进程调用 fork() 创建子进程时，子进程会获得一份父进程地址空间的副本。

   • 这个“副本”不仅仅包括代码、数据、堆栈，还包括了进程的“打开文件描述符表”。

   • 这意味着，父进程在 fork() 之前打开的每一个文件描述符，在子进程中都有一个完全相同的副本。它们指向内核中同一个 struct file 对象。

2. 关键：共享同一个内核文件对象

   • 父进程的fd 3 和 子进程的fd 3，指向的是内核中完全相同的 struct file 结构。

   • 因此，它们共享：

     • 同一个文件偏移量：如果父进程通过fd 3读取了100字节，文件偏移量前进了100。那么子进程再通过它的fd 3读取时，会从第100字节之后开始读。这个特性是管道、协同处理文件等能够正常工作的关键。

     • 文件的打开状态和权限（读、写、追加等）。

     • 对文件的访问权限。

3. 引用计数的变化：

   • 在 fork() 之前，假设父进程打开了一个文件，内核中该文件的 struct file 引用计数为1。

   • fork() 成功后，子进程也拥有了这个fd，引用计数变为2。

   • 现在，需要父进程和子进程都关闭了这个fd，引用计数才会从2减到0，文件才会被最终关闭。

以管道为例进行验证：像之前我们提到的“管道不就是吗？”完全正确！！！让我们拆解一下管道的创建和使用过程：

#include 
#include 
int main() {int pipefd[2];pid_t pid;char buf;// 1. 父进程创建一个管道。pipefd[0]用于读，pipefd[1]用于写。if (pipe(pipefd) == -1) {perror("pipe");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 父进程调用 fork()pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");exit(EXIT_FAILURE);}if (pid == 0) {     /*** 子进程 ***/close(pipefd[1]); // 子进程关闭不用的写端// 子进程从 pipefd[0] (继承自父进程) 读取数据while (read(pipefd[0], &buf, 1) > 0) {write(STDOUT_FILENO, &buf, 1);}write(STDOUT_FILENO, "\n", 1);close(pipefd[0]); // 关闭读端_exit(EXIT_SUCCESS);} else {            /*** 父进程 ***/close(pipefd[0]); // 父进程关闭不用的读端// 父进程向 pipefd[1] (自己打开的) 写入数据const char *msg = "Hello from parent!";write(pipefd[1], msg, strlen(msg));close(pipefd[1]); // 关闭写端，发送EOF给子进程wait(NULL); // 等待子进程退出exit(EXIT_SUCCESS);}
}

在这个例子中：

• pipe() 在父进程上下文中创建了管道，打开了两个文件描述符 pipefd[0] 和 pipefd[1]。

• fork() 后，子进程继承了这两个fd。

• 父子进程通过关闭不需要的fd来建立正确的单向数据流（父写子读）。

• 它们操作的是同一个管道对象，所以父进程写入的数据，子进程可以立即读到。

需要注意的地方：

• 竞态条件：由于文件偏移量是共享的，如果父子进程同时对一个普通文件进行写入（没有使用 O_APPEND 标志），输出内容可能会混杂在一起。需要使用同步机制（如文件锁）来避免。

• 正确的资源管理：正因为fd是共享的，所以必须由所有持有它的进程都关闭后，资源才会释放。在管道例子中，父进程关闭写端后，子进程的读端才能看到EOF。如果某个进程忘记关闭一个fd，即使其他进程都退出了，这个文件资源也可能一直无法释放。

总结表格

特性	问题1：进程退出	问题2：fork() 继承
核心行为	内核自动关闭所有fd	子进程继承父进程的所有fd
对内核文件对象的影响	引用计数减1	引用计数加1
最终关闭条件	该进程的关闭操作使引用计数归零	需要父和子都关闭fd才能使引用计数归零
实际应用	确保进程不会永久占用文件资源	管道、FIFO、重定向等IPC和资源共享的基础
文件偏移量	-	共享，导致协同操作和竞态条件

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三、多线程版TCP网络程序设计

1、进程与线程创建成本对比

在实现多执行流的服务器时，选择多线程而非多进程的主要原因在于资源开销的显著差异：

• 进程创建成本高：创建进程需要分配独立的进程控制块(task_struct)、进程地址空间(mm_struct)、页表等核心数据结构，这些操作涉及内核大量工作。

• 线程创建成本低：线程作为进程内的执行单元，共享进程的大部分资源（如地址空间、文件描述符表等），只需创建线程控制块(TCB)和少量私有资源，开销通常比进程小10-100倍。

因此，在需要处理大量并发连接的服务器程序中，多线程架构是更高效的选择。

2、多线程服务器基本架构

2.1 连接处理流程

1. 主线程（服务进程）在监听套接字上调用accept()获取新连接

2. 为每个新连接创建一个专用服务线程

3. 新线程使用该连接的文件描述符与客户端通信

4. 主线程继续监听新连接，实现并发处理

2.2 线程管理策略

        当服务进程通过accept函数获取新连接时，可以立即创建新线程来处理客户端请求。需要注意的是，主线程（服务进程）需要等待新线程结束，否则可能产生类似僵尸进程的问题。若希望避免主线程等待，可通过pthread_detach函数将新线程设置为分离状态。这样当线程结束时，系统会自动回收其资源。如此一来，主线程就能继续调用accept获取新连接，而由分离线程独立处理客户端请求。

• 线程分离：通过pthread_detach()使线程退出时自动回收资源，避免僵尸线程问题

• 资源所有权：明确各线程对文件描述符的管理职责

3、文件描述符管理

3.1 共享文件描述符表

• 文件描述符表用于维护进程与文件之间的映射关系，每个进程都拥有自己独立的文件描述符表。

• 当主线程创建新线程时，由于这些线程同属一个进程，它们会共享该进程的文件描述符表，而不会为每个线程单独创建新的描述符表。

• 所有线程共享同一文件描述符表，这是POSIX线程的标准行为

• 表项包含：文件描述符编号、打开文件标志、文件偏移量指针、v节点指针（指向内核文件结构）

3.2 使用规范

        当服务进程（主线程）通过accept函数获取文件描述符后，新创建的线程可以直接访问该描述符。需要注意的是，虽然新线程能够访问主线程获取的文件描述符，但它们无法自动识别各自服务的客户端对应的描述符。因此主线程在创建新线程时，必须明确告知每个线程需要操作的套接字文件描述符，以便新线程知道应该处理哪个客户端连接。

• 主线程职责：创建监听套接字、调用accept()接受新连接、将返回的已连接套接字传递给服务线程

• 服务线程职责：使用传入的套接字与客户端通信、通信完成后关闭套接字、绝对不要关闭监听套接字

4、参数结构体设计

        在实际业务中，新线程通过调用Service函数为客户端提供服务，该函数需要接收三个参数：客户端套接字、IP地址和端口号。然而，pthread_create函数在创建新线程时仅支持传入单个void*类型的参数。

        为此，我们设计了Param结构体来封装这三个必要参数。主线程创建新线程时，可实例化一个Param对象，将客户端套接字、IP地址和端口号存入其中，然后将该对象的地址作为参数传递给线程执行例程。

        在线程执行例程中，只需将传入的void* 参数强制转换为Param* 类型，即可获取所需的客户端信息，进而调用Service函数完成服务处理。由于pthread_create()只能传递一个void*参数，需要设计参数封装结构：

class Param {
public:Param(int sock, const std::string& ip, int port): _sock(sock), _ip(ip), _port(port) {}~Param() = default;// 禁止拷贝Param(const Param&) = delete;Param& operator=(const Param&) = delete;
public:int _sock;         // 已连接套接字std::string _ip;   // 客户端IPint _port;         // 客户端端口
};

参数传递流程

1. 主线程创建Param对象（堆上分配）

2. 将对象指针传递给pthread_create()

3. 新线程获取指针并转换为Param*

4. 使用参数后释放内存

5、文件描述符共享问题

由于所有线程共享同一份文件描述符表，因此在操作文件描述符时，必须考虑其对其他线程的影响。下面的注意事项全是基于这一点来进行的：

对于主线程通过accept获取的文件描述符：

• 主线程不应主动关闭该描述符

• 关闭操作应由服务线程执行

• 服务线程需在处理完客户端请求后才能关闭

对于监听套接字：

• 服务线程无需关注监听套接字

• 禁止服务线程关闭监听套接字描述符

• 否则将导致主线程无法接收新连接

6、将Service函数定义为静态成员函数的原因

• pthread_create函数要求线程执行例程必须是一个接受void* 参数并返回void* 的函数。

• 当我们将执行例程定义在类内部时，必须将其声明为静态成员函数，否则编译器会自动添加隐藏的this指针作为第一个参数。

• 由于线程执行例程中需要调用Service函数，而静态成员函数不能直接调用非静态成员函数，因此必须将Service函数也声明为静态成员。

• 考虑到Service函数的实现本身并不依赖类的实例成员，只需简单地在函数声明前添加static修饰符即可满足需求。

静态成员函数要求

由于线程入口函数必须符合void* (*)(void*)的签名：

• 必须声明为static（消除this指针隐式传递）

• 不能直接访问非静态成员变量

• 通过参数传递所需数据

class TcpServer
{
public:static void* HandlerRequest(void* arg){pthread_detach(pthread_self()); //分离线程//int sock = *(int*)arg;Param* p = (Param*)arg;Service(p->_sock, p->_ip, p->_port); //线程为客户端提供服务delete p; //释放参数占用的堆空间return nullptr;}void Start(){std::cout << "Server start on port: " << _port << std::endl;for (;;){//获取连接struct sockaddr_in peer;memset(&peer, '\0', sizeof(peer));socklen_t len = sizeof(peer);int sock = accept(_listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);if (sock < 0){std::cerr << "accept error, continue next" << std::endl;continue;}std::string client_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);int client_port = ntohs(peer.sin_port);std::cout << "get a new link->" << sock << " [" << client_ip << "]:" << client_port << std::endl;Param* p = new Param(sock, client_ip, client_port);pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, HandlerRequest, p);}}
private:int _listen_sock; //监听套接字int _port; //端口号
};

7、关键注意事项

• 资源泄漏防护：确保线程参数内存被释放、确保文件描述符被正确关闭

• 错误处理：系统调用失败后的恢复策略、线程创建失败的处理

• 线程安全：避免多个线程同时操作共享资源、对于真正的共享数据，需要使用互斥锁等同步机制

• 性能考虑：线程创建/销毁开销、考虑使用线程池优化频繁创建线程的场景

8、扩展建议

• 线程池模式：对于高并发场景，预先创建一组线程比动态创建更高效

• 连接超时处理：添加定时器机制管理空闲连接

• 优雅退出：实现服务器的正常关闭流程

• 日志系统：完善的日志记录便于问题排查

这种多线程架构适合中等规模的并发连接（数百到数千），对于更高并发需求，可考虑I/O多路复用（如epoll）结合线程池的混合模式。

9、代码测试

        我们客户端完全不用改变，只是改变了服务端的实现方式，使用多线程来实现！！！而不是使用进程了。现在重新编译服务端代码时需要注意：由于代码使用了多线程功能，编译时必须添加-lpthread选项。

#include 

另外，由于我们需要监控的是各个线程的运行状态，此时应该使用ps -aL命令而非之前的ps -axj命令来进行监控。

while :; do ps -aL|head -1&&ps -aL|grep TcpServer;echo "##########################################";sleep 1;done

ps -aL 命令

• 功能：显示当前用户的所有进程，并包含线程信息（LWP - Light Weight Process）

• 各字段含义：

  • PID：进程ID

  • LWP：轻量级进程ID（线程ID）

  • TTY：终端设备

  • TIME：CPU占用时间

  • CMD：命令名称

• 使用场景：查看一个进程包含哪些线程、分析多线程程序的线程情况、查找具体的线程ID

ps -axj 命令

• 功能：以作业格式显示所有进程的详细信息

• 各字段含义：PPID：父进程ID、PID：进程ID、PGID：进程组ID、SID：会话ID、TTY：控制终端、TPGID：前台进程组ID、STAT：进程状态、UID：用户ID、TIME：CPU时间、COMMAND：完整命令

• 进程状态(STAT)说明：S：睡眠状态、R：运行状态、D：不可中断睡眠、T：停止状态、Z：僵尸进程、s：会话领导者、<：高优先级、N：低优先级、L：有页面锁在内存中

• 使用场景：查看进程的父子关系、分析进程组和会话信息、排查僵尸进程、查看完整的进程树结构

• 启动服务端后，监控显示当前仅有一个服务线程运行，即主线程，此时该线程正处于等待客户端连接的状态。

当客户端与服务端建立连接后，主线程会执行以下操作：

1. 为该客户端创建参数结构体

2. 生成新线程

3. 将参数结构体地址传递给新线程

4. 新线程从参数结构体中获取必要参数

5. 调用Service函数处理客户端请求

因此，监控系统会显示两个线程同时运行。如下所示：

        当第二个客户端发起连接请求时，主线程会重复相同流程，创建新线程为该客户端提供服务。此时服务端已运行着三个线程。可以看到连接套接字4已经被第一个客户端占了，并且这是在一个进程中的线程资源，所以下一个客户端只能占连接套接字5了。

        这两个客户端由独立的执行流提供服务，因此可以同时接收服务端响应。服务端能正常打印来自两个客户端的消息，并将回显数据准确返回给各自对应的客户端。

        每当有客户端发起连接请求时，服务端都会创建对应的新线程来处理该客户端的请求。随着客户端逐个断开连接，这些服务线程也会依次终止运行。最终，服务端将仅保留最初的主线程，继续等待新的连接请求。

10、补充：问题分析

问题1：fd线程能看到吗？

答案：1（能）

原因：

• 在同一个进程内的所有线程共享文件描述符表

• 文件描述符是进程级别的资源，不是线程级别的

• 一个线程打开文件获得的fd，同一进程内的其他线程都可以使用

问题2：线程敢不敢关闭自己不需要的fd？

答案：0（不敢）

原因：

• 文件描述符是进程共享资源，关闭一个fd会影响整个进程

• 其他线程可能正在使用该fd，突然关闭会导致：

  • 其他线程的读写操作失败

  • 数据丢失或程序崩溃

• 正确的做法是通过线程间通信协调fd的使用

popen/pclose 函数详解

函数原型

#include 
FILE *popen(const char *command, const char *type);
int pclose(FILE *stream);

功能说明

popen()：创建管道并执行命令

• command：要执行的shell命令

• type：

  • "r"：从命令读取输出（父进程读，子进程写）

  • "w"：向命令写入输入（父进程写，子进程读）

执行流程

// 示例：执行 "ls -a -l -n" 并读取输出
FILE *fp = popen("ls -a -l -n", "r");
if (fp != NULL) {char buffer[1024];while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp) != NULL) {// 处理输出}pclose(fp);
}

底层实现

1. 创建管道：建立父子进程间的通信通道

2. fork()创建子进程：

   • 子进程重定向标准输入/输出到管道

   • 子进程通过exec执行命令

3. 父进程返回FILE指针用于读写

关键知识点总结

特性	说明
文件描述符共享	同一进程的所有线程共享fd表
fd关闭风险	线程不应随意关闭fd，会影响其他线程
popen原理	管道 + fork + exec + 标准流重定向
进程间通信	popen使用管道实现进程间数据传递

这样的设计确保了进程内资源的统一管理，同时也要求线程在使用共享资源时要格外小心。

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四、线程池版的TCP网络程序

1、传统多线程模式的缺陷

当前多线程服务器架构存在以下问题：

线程创建与销毁开销大

• 每当新客户端连接时，主线程都需要动态创建服务线程

• 服务结束后立即销毁该线程

• 这种频繁的线程创建/销毁操作效率低下

高并发场景性能瓶颈

• 面对大量并发请求时，需要为每个客户端创建独立线程

• 线程数量激增导致CPU调度压力骤增

• 线程切换开销显著增加系统负担

• 线程调度周期延长，直接影响客户端响应速度

2、解决方案

针对上述问题，我们采用以下优化策略：

线程池预创建机制

• 服务端预先初始化一组线程资源

• 客户端请求到达时立即分配空闲线程提供服务

• 避免临时创建线程带来的性能开销

线程复用机制

• 服务线程完成任务后保持活跃状态

• 无任务时线程进入休眠等待状态

• 新请求到达时唤醒休眠线程继续服务

资源管控机制

• 严格控制线程池大小，避免CPU过载

• 当所有线程繁忙时，新请求进入全连接队列等待

• 出现空闲线程时从队列获取待处理请求继续服务

该方案通过资源预分配、循环利用和智能调度，实现了服务能力与系统负载的平衡。

3、线程池的实现与应用

为了解决服务端的性能问题，我们引入了线程池机制（之前已经实现过）。线程池的核心价值在于：

1. 避免频繁创建和销毁线程带来的性能损耗

2. 提高CPU内核的利用率

3. 防止系统资源的过度调度

线程池的工作机制包含以下关键组件：

• 任务队列：接收并存储待处理任务

• 工作线程：默认创建5个线程持续运行

• 任务处理流程：

  • 线程持续轮询任务队列

  • 发现任务后立即取出并执行其Run方法

  • 队列为空时线程进入休眠状态

下面使用简易版线程池来实现，如下：

#define NUM 5
//线程池
template
class ThreadPool
{
private:bool IsEmpty(){return _task_queue.size() == 0;}void LockQueue(){pthread_mutex_lock(&_mutex);}void UnLockQueue(){pthread_mutex_unlock(&_mutex);}void Wait(){pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);}void WakeUp(){pthread_cond_signal(&_cond);}
public:ThreadPool(int num = NUM): _thread_num(num){pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);pthread_cond_init(&_cond, nullptr);}~ThreadPool(){pthread_mutex_destroy(&_mutex);pthread_cond_destroy(&_cond);}//线程池中线程的执行例程static void* Routine(void* arg){pthread_detach(pthread_self());ThreadPool* self = (ThreadPool*)arg;//不断从任务队列获取任务进行处理while (true){self->LockQueue();while (self->IsEmpty()){self->Wait();}T task;self->Pop(task);self->UnLockQueue();task.Run(); //处理任务}}void ThreadPoolInit(){pthread_t tid;for (int i = 0; i < _thread_num; i++){pthread_create(&tid, nullptr, Routine, this); //注意参数传入this指针}}//往任务队列塞任务（主线程调用）void Push(const T& task){LockQueue();_task_queue.push(task);UnLockQueue();WakeUp();}//从任务队列获取任务（线程池中的线程调用）void Pop(T& task){task = _task_queue.front();_task_queue.pop();}
private:std::queue _task_queue; //任务队列int _thread_num; //线程池中线程的数量pthread_mutex_t _mutex;pthread_cond_t _cond;
};

4、服务类新增线程池成员

当前服务端引入了线程池机制，需要在服务类中添加一个线程池指针成员：

1. 实例化服务器对象时，线程池指针初始化为空指针

2. 服务器初始化完成后，构造实际的线程池对象

   • 可指定线程数量参数

   • 若不指定，默认创建5个工作线程

3. 服务器启动前初始化线程池

   • 创建工作线程

   • 线程持续监听任务队列并执行任务

工作流程：

• 服务进程通过accept获取连接请求后

• 根据客户端套接字、IP和端口构建任务

• 调用线程池的Push接口将任务加入队列

这是一个典型的生产者-消费者模型：

• 生产者：服务进程（生成任务）

• 消费者：线程池工作线程（处理任务）

• 交易场所：线程池的任务队列

class TcpServer
{
public:TcpServer(int port): _listen_sock(-1), _port(port), _tp(nullptr){}void InitServer(){//创建套接字_listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listen_sock < 0){std::cerr << "socket error" << std::endl;exit(2);}//绑定struct sockaddr_in local;memset(&local, '\0', sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (bind(_listen_sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0){std::cerr << "bind error" << std::endl;exit(3);}//监听if (listen(_listen_sock, BACKLOG) < 0){std::cerr << "listen error" << std::endl;exit(4);}_tp = new ThreadPool(); //构造线程池对象}void Start(){_tp->ThreadPoolInit(); //初始化线程池for (;;){//获取连接struct sockaddr_in peer;memset(&peer, '\0', sizeof(peer));socklen_t len = sizeof(peer);int sock = accept(_listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);if (sock < 0){std::cerr << "accept error, continue next" << std::endl;continue;}std::string client_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);int client_port = ntohs(peer.sin_port);std::cout << "get a new link->" << sock << " [" << client_ip << "]:" << client_port << std::endl;Task task(sock, client_ip, client_port); //构造任务_tp->Push(task); //将任务Push进任务队列}}
private:int _listen_sock; //监听套接字int _port; //端口号ThreadPool* _tp; //线程池
};

5、任务类设计

        任务类需要包含以下核心属性：客户端套接字、客户端IP地址、客户端端口号。这些属性用于标识任务对应的客户端连接信息。任务类需实现Run方法，该方法将被线程池中的线程调用以执行任务处理。实际业务逻辑通过服务类的Service函数实现。

实现方案建议：

1. 直接将Service函数移植到任务类中作为Run方法（简单但不推荐，破坏分层架构）

2. 更优方案：在任务类中添加仿函数成员，通过回调机制执行任务处理，既保持架构清晰性，又能灵活调用Service函数。

class Task
{
public:Task(){}Task(int sock, std::string client_ip, int client_port): _sock(sock), _client_ip(client_ip), _client_port(client_port){}~Task(){}//任务处理函数void Run(){_handler(_sock, _client_ip, _client_port); //调用仿函数}
private:int _sock; //套接字std::string _client_ip; //IP地址int _client_port; //端口号Handler _handler; //处理方法
};

注意：当任务队列中存在任务时，线程池中的线程会先创建一个Task对象，然后将该对象作为输出参数传递给任务队列的Pop函数来获取任务。因此，Task类除了需要提供带参数的构造函数外，还必须包含无参构造函数，以便创建空对象。

6、设计Handler类

接下来需要设计Handler类，在该类中重载()运算符，使其执行逻辑等同于Service函数的代码。

class Handler
{
public:Handler(){}~Handler(){}void operator()(int sock, std::string client_ip, int client_port){char buffer[1024];while (true){ssize_t size = read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);if (size > 0){ //读取成功buffer[size] = '\0';std::cout << client_ip << ":" << client_port << "# " << buffer << std::endl;write(sock, buffer, size);}else if (size == 0){ //对端关闭连接std::cout << client_ip << ":" << client_port << " close!" << std::endl;break;}else{ //读取失败std::cerr << sock << " read error!" << std::endl;break;}}close(sock); //归还文件描述符std::cout << client_ip << ":" << client_port << " service done!" << std::endl;}
};

        我们可以让服务器处理多种任务，当前它仅执行字符串回显功能。实际的任务处理逻辑完全由任务类中的handler成员决定。要扩展服务器功能，只需修改Handler类中的运算符重载函数即可。服务器的初始化、启动和线程池管理代码都无需改动，这种设计实现了通信功能与业务逻辑的软件解耦。

7、代码测试阶段

整理一下服务端的代码，下面是完整TcpServer.cc代码（服务端）：

#include 
#include 
#include 
#include     // 用于 signal(), SIGCHLD, SIG_IGN
#include     // 可选，如果需要 exit() 等函数
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define BACKLOG 5
#define NUM 5
// 前向声明
class Handler;
class Task;
//线程池
template
class ThreadPool
{
private:bool IsEmpty(){return _task_queue.size() == 0;}void LockQueue(){pthread_mutex_lock(&_mutex);}void UnLockQueue(){pthread_mutex_unlock(&_mutex);}void Wait(){pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);}void WakeUp(){pthread_cond_signal(&_cond);}
public:ThreadPool(int num = NUM): _thread_num(num){pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);pthread_cond_init(&_cond, nullptr);}~ThreadPool(){pthread_mutex_destroy(&_mutex);pthread_cond_destroy(&_cond);}//线程池中线程的执行例程static void* Routine(void* arg){pthread_detach(pthread_self());ThreadPool* self = (ThreadPool*)arg;//不断从任务队列获取任务进行处理while (true){self->LockQueue();while (self->IsEmpty()){self->Wait();}T task;self->Pop(task);self->UnLockQueue();task.Run(); //处理任务}}void ThreadPoolInit(){pthread_t tid;for (int i = 0; i < _thread_num; i++){pthread_create(&tid, nullptr, Routine, this); //注意参数传入this指针}}//往任务队列塞任务（主线程调用）void Push(const T& task){LockQueue();_task_queue.push(task);UnLockQueue();WakeUp();}//从任务队列获取任务（线程池中的线程调用）void Pop(T& task){task = _task_queue.front();_task_queue.pop();}
private:std::queue _task_queue; //任务队列int _thread_num; //线程池中线程的数量pthread_mutex_t _mutex;pthread_cond_t _cond;
};
class Handler
{
public:Handler(){}~Handler(){}void operator()(int sock, std::string client_ip, int client_port){char buffer[1024];while (true){ssize_t size = read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);if (size > 0){ //读取成功buffer[size] = '\0';std::cout << client_ip << ":" << client_port << "# " << buffer << std::endl;write(sock, buffer, size);}else if (size == 0){ //对端关闭连接std::cout << client_ip << ":" << client_port << " close!" << std::endl;break;}else{ //读取失败std::cerr << sock << " read error!" << std::endl;break;}}close(sock); //归还文件描述符std::cout << client_ip << ":" << client_port << " service done!" << std::endl;}
};
class Task
{
public:Task(){}Task(int sock, std::string client_ip, int client_port): _sock(sock), _client_ip(client_ip), _client_port(client_port){}~Task(){}//任务处理函数void Run(){_handler(_sock, _client_ip, _client_port); //调用仿函数}
private:int _sock; //套接字std::string _client_ip; //IP地址int _client_port; //端口号Handler _handler; //处理方法
};
class TcpServer
{
public:TcpServer(int port): _listen_sock(-1), _port(port), _tp(nullptr){}void InitServer(){//创建套接字_listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listen_sock < 0){std::cerr << "socket error" << std::endl;exit(2);}//绑定struct sockaddr_in local;memset(&local, '\0', sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (bind(_listen_sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0){std::cerr << "bind error" << std::endl;exit(3);}//监听if (listen(_listen_sock, BACKLOG) < 0){std::cerr << "listen error" << std::endl;exit(4);}_tp = new ThreadPool(); //构造线程池对象}void Start(){_tp->ThreadPoolInit(); //初始化线程池for (;;){//获取连接struct sockaddr_in peer;memset(&peer, '\0', sizeof(peer));socklen_t len = sizeof(peer);int sock = accept(_listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);if (sock < 0){std::cerr << "accept error, continue next" << std::endl;continue;}std::string client_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);int client_port = ntohs(peer.sin_port);std::cout << "get a new link->" << sock << " [" << client_ip << "]:" << client_port << std::endl;Task task(sock, client_ip, client_port); //构造任务_tp->Push(task); //将任务Push进任务队列}}
private:int _listen_sock; //监听套接字int _port; //端口号ThreadPool* _tp; //线程池
};
int main() {TcpServer server(8081); // 创建服务器实例，监听8081端口server.InitServer();    // 初始化服务器server.Start();         // 启动服务器return 0;
}

现在，我们重新编译服务端代码后，可以通过以下监控脚本来查看服务端各个线程的运行状态。

while :; do ps -aL|head -1&&ps -aL|grep TcpServer;echo "##########################################";sleep 1;done

        服务端启动后，即使没有客户端连接请求，系统默认会创建6个线程。其中1个线程（第一个）负责监听新连接，其余5个（后面五个）是线程池中预分配的服务线程，用于处理后续的客户端请求。

        当客户端连接到服务器时，主线程会接收连接请求，将其封装为任务对象并放入任务队列。随后，线程池中的5个工作线程之一会从队列中取出该任务，执行对应的处理函数为客户端提供服务。

        当第二个客户端发起连接请求时，服务端会将其封装为任务并加入队列。线程池中的线程随后从队列中获取并处理该任务。由于两个客户端分别由不同的执行流提供服务，因此可以同时享受服务。

        不同于之前的情况，现在无论有多少客户端请求，服务端始终仅由线程池中的5个线程提供服务。线程数量不会随客户端连接数增加而变化，这些线程也不会因客户端断开而终止。