【LINUX/UNIX网络编程】之使用消息队列,信号量和命名管道实现的多进程服务器(多人群聊系统)

RT,使用消息队列,信号量和命名管道实现的多人群聊系统。

本学期Linux、unix网络编程的第三个作业。

先上实验要求:

实验三  多进程服务器

【实验目的】

1、熟练掌握进程的创建与终止方法;

2、熟练掌握进程间通信方法;

2、应用套接字函数完成多进程服务器,实现服务器与客户端的信息交互。

【实验学时】

    4学时

【实验内容】

通过一个服务器实现最多5个客户之间的信息群发。

服务器显示客户的登录与退出;

客户连接后首先发送客户名称,之后发送群聊信息;

客户输入bye代表退出,在线客户能显示其他客户的登录于退出。

任务分析:

实现提示:

1、服务器端:

服务器进程称之为主进程,主进程创建一个转发子进程和最多5个通信子进程。

主进程与转发子进程之间:

        信号量(初值5,主进程接受一个客户连接后执行P操作判断是否超过5,转发子进程有一个客户退出后执行V操作,并发消息队列标识符)

        命名管道SERVER(转发子进程将可用的消息队列标识符写入管道,主进程从管道中读取消息队列标识符)

转发子进程与通信子进程之间:

        命名管道CLIENT(通信子进程向命名管道写入客户端发来的消息,转发子进程从管道中读取消息并发送给对应的客户端)

        消息队列(转发子进程将客户发来的信息通过消息队列发送给每个通信子进程)

(1)主进程:

从转发子进程获取一个可用的消息队列标识符;

接收客户连接请求,如果连接数超过最大连接数,向客户发送退出标志,否则发送OK标志;

每接受一个连接,创建一个通信子进程并将连接socket、消息队列标识符、客户地址传递给通信子进程。

(2)通信子进程:

创建一个子进程负责从消息队列中读取消息,发送给客户。

通信子进程负责接收客户发来信息,通过命名管道CLIENT发送给转发子进程;

若信息为用户名,附带消息队列、客户地址发送给转发子进程;

若信息为退出,终止子进程,程序结束

(3)转发子进程:

创建5个消息队列;

维护客户信息表:消息队列、客户名、客户IP、客户端口、状态。

从命名管道CLIENT中读取通信子进程发来的消息,消息类型为:用户名、退出及一般信息;

若为用户名,依据消息队列在更新客户信息表,状态为可用;

若为一般信息,将信息转换后写入可用客户的消息队列,等待其他通信子进程读取;

若为退出,在客户信息表中状态设为不可用,执行信号量V操作,并将可用客户的消息队列标识符写入到命名管道SERVER;

2、客户端:

根据用户从终端输入的服务器IP地址及端口号连接到相应的服务器;

连接成功后,先发送客户名称;

创建一个子进程负责接收服务器发来的信息,并显示;

主进程循环从终端输入信息,并将信息发送给服务器;

当发送给服务器为bye后,关闭子进程,程序退出。

架构看起来很复杂,我们可以绘制一下流程图方便理清思路。

在word里面截图不是很清晰啊。。。

开始写代码吧:首先clientmsg.h,它定义了一些消息的操作符(OP)和CLIENTMSG这个结构体(用于服务器和客户端之间传递消息)

 1 //CLIENTMSG between server and client
 2 #ifndef _clientmsg
 3 #define _clientmsg
 4 
 5 //USER MSG EXIT for OP of CLIENTMSG
 6 #define EXIT -1
 7 #define USER 1
 8 #define MSG 2
 9 #define OK 3
10 
11 #ifndef CMSGLEN
12 #define CMSGLEN 100
13 #endif
14 
15 struct CLIENTMSG{
16     int OP;
17     char username[20];
18     char buf[CMSGLEN];
19 };
20 
21 #endif

然后实现一下servermsg.h,用于服务器内部的转发子进程和通信子进程之间的消息传递。

 1 //SERVERMSG for communicate to translate
 2 //MESSAGE for translate to communicate
 3 #ifndef _servermsg
 4 #define _servermsg
 5 
 6 #include <netinet/in.h>
 7 #include "clientmsg.h"
 8 
 9 
10 #ifndef CMSGLEN
11 #define CMSGLEN 100
12 #endif
13 
14 
15 struct SERVERMSG{
16     int OP;
17     char username[20];
18     char buf[CMSGLEN];
19     struct sockaddr_in client;
20     int stat;
21     int qid;
22 };
23 
24 struct MESSAGE{
25     long msgtype;
26     struct SERVERMSG msg;
27 };
28 
29 #endif

由于需要操作信号量,所以将一些信号量的操作做成函数

semaphore.h

 1 #ifndef _semaphore
 2 #define _semaphore
 3 
 4 union semun
 5 {
 6     int val; 
 7     struct semid_ds *buf;
 8     unsigned short *array; 
 9 };
10 
11 int CreateSem(key_t key,int value);
12 int Sem_P(int semid);
13 int Sem_V(int semid);
14 int GetvalueSem(int semid);
15 void DestroySem(int semid);
16 
17 
18 #endif

对函数的实现:semaphore.c

 1 #include <stdlib.h>
 2 #include <fcntl.h>
 3 #include <sys/sem.h>
 4 #include "semaphore.h"
 5 
 6 int CreateSem(key_t key,int value)
 7 {
 8     union semun sem;
 9     int semid;
10     sem.val=value;
11     semid=semget(key,1,IPC_CREAT);
12     if (semid==-1){
13             perror("semget error");    exit(1);
14     }
15     semctl(semid,0,SETVAL,sem);
16     return semid;
17 }
18 
19 int Sem_P(int semid)
20 {
21     struct sembuf sops={0,-1,IPC_NOWAIT};
22     return (semop(semid,&sops,1));
23 }
24 
25 int Sem_V(int semid)
26 {
27     struct sembuf sops={0,+1,IPC_NOWAIT};
28     return (semop(semid,&sops,1));
29 }
30 
31 int GetvalueSem(int semid)
32 {
33     union semun sem;
34     return semctl(semid,0,GETVAL,sem);
35 }
36 void DestroySem(int semid)
37 {
38     union semun sem;
39     sem.val=0;
40 
41     semctl(semid,0,IPC_RMID,sem);
42 }

接下来是非常重要的服务器端实现(里面有很多调试信息,比较懒没有删掉,直接在里面注释掉了。)

server.c

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <string.h>
  3 #include <sys/socket.h>
  4 #include <netinet/in.h>
  5 #include <stdlib.h>
  6 #include <sys/types.h>
  7 #include <sys/wait.h>
  8 #include <sys/stat.h>
  9 #include <unistd.h>
 10 #include <fcntl.h>
 11 #include <sys/ipc.h>
 12 #include "semaphore.h"
 13 #include "servermsg.h"
 14 
 15 
 16 void trans_process(int semid);
 17 void communicate_process(int connetfd,int qid,struct sockaddr_in client);
 18 
 19 int main(){
 20 
 21     struct sockaddr_in server;
 22     struct sockaddr_in client;
 23     int listenfd,connetfd;
 24     char ip[20];
 25     int port;
 26     int addrlen;
 27     struct CLIENTMSG clientMsg;
 28     int ret,status;
 29     /*---------------------socket-------------------*/
 30     if((listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))== -1){
 31         perror("socket() error\n");
 32         exit(1);
 33     }
 34 
 35     /*----------------------IO-----------------------*/
 36     printf("Please input the ip:\n");
 37     scanf("%s",ip);
 38     printf("Please input the port:\n");
 39     scanf("%d",&port);
 40 
 41     /*---------------------bind----------------------*/
 42     bzero(&server,sizeof(server));
 43     server.sin_family = AF_INET;
 44     server.sin_port = htons(port);
 45     server.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
 46     if(bind(listenfd,(struct sockaddr *)&server,sizeof(server))== -1){
 47         perror("bind() error\n");
 48         exit(1);
 49     }
 50 
 51     /*----------------------listen-------------------*/
 52     if (listen(listenfd,5)== -1){
 53         perror("listen() error\n");
 54         exit(1);
 55     }
 56 
 57     //创建命名管道
 58     unlink("SERVER");
 59     mkfifo("SERVER",O_CREAT);
 60     int rd = open("SERVER",O_RDONLY|O_NONBLOCK);
 61     int semid;
 62     key_t k =  ftok(".",'b');
 63     semid = CreateSem(k,5);
 64     pid_t pid_1,pid_2;
 65     pid_1 = fork();
 66     if(pid_1 == 0){
 67         trans_process(semid);
 68         exit(0);
 69     }
 70     else if(pid_1 > 0){
 71         while(1){
 72             addrlen = sizeof(client);
 73             if((connetfd = accept(listenfd,(struct sockaddr *)&client,&addrlen))== -1){
 74             perror("accept() error\n");
 75             exit(1);
 76             }
 77             ret = Sem_P(semid);
 78             if(ret == 0){
 79                 int qid;
 80                 read(rd,&qid,sizeof(qid));
 81                 //printf("qid1:%d\n",qid );
 82                 pid_2 = fork();
 83                 if (pid_2 > 0){
 84                     close(connetfd);
 85                     waitpid(pid_2,&status,WNOHANG);
 86                     continue;
 87                 }
 88                 else if(pid_2 == 0){
 89                     communicate_process(connetfd,qid,client);
 90                     exit(0);
 91                 }
 92                 else {
 93                     perror("the second fork error\n");
 94                 }
 95             }
 96             else {
 97                 clientMsg.OP = EXIT;
 98                 send(connetfd,&clientMsg,sizeof(clientMsg),0);
 99                 close(connetfd);
100             }
101             waitpid(pid_1,&status,WNOHANG);
102 
103         }
104     }
105     else {
106         perror("first time fork error\n");
107     }
108     /*----------------------close-------------------*/
109     close(connetfd);
110     close(listenfd);
111 
112     return 0;
113 }
114 
115 
116 /*----------------------------函数实现区----------------------------*/
117 void trans_process(int semid){
118     struct SERVERMSG ent[5];
119     struct MESSAGE sendMsg;
120     struct SERVERMSG msg;
121     int i;
122     for(i=0;i<5;i++){
123         ent[i].stat = 0;
124     }
125     int wfd = open("SERVER",O_WRONLY|O_NONBLOCK);
126     for(i=0;i<5;i++){
127         key_t key = ftok(".",(char)i+102);
128         ent[i].qid = msgget(key,IPC_CREAT);
129         write(wfd,&ent[i].qid,sizeof(ent[i].qid));
130     }
131     unlink("CLIENT");
132     mkfifo("CLIENT",O_CREAT);
133     int rfd = open("CLIENT",O_RDONLY|O_NONBLOCK);
134     int len;
135     while(1){
136         bzero(&msg,sizeof(msg));
137         len = read(rfd,&msg,sizeof(msg));
138         //printf(" %d,%s ,%s\n",msg.OP,msg.username,msg.buf );
139         //sleep(3);
140         if(len > 0){
141             if(msg.OP == USER){
142                 for(i=0;i<5;i++){
143                     if(ent[i].qid == msg.qid){
144                         bcopy(msg.username,ent[i].username,strlen(msg.username));
145                         ent[i].client = msg.client;
146                         ent[i].stat = 1;
147                         break;
148                     }
149                 }
150              }
151             else if(msg.OP == EXIT){
152                 for(i=0;i<5;i++){
153                     if(ent[i].qid == msg.qid){
154                         ent[i].stat = 0;
155                         write(wfd,&ent[i].qid,sizeof(ent[i].qid));
156                         Sem_V(semid);
157                         break;
158                     }
159                 }
160              }
161              //bzero(&sendMsg,sizeof(sendMsg));
162              sendMsg.msg = msg;
163              for(i=0;i<5;i++){
164                  if(ent[i].stat == 1){
165                      printf("stat 1...\n");
166                      int m_len = sizeof(msg);
167                      int sta=msgsnd(ent[i].qid,&sendMsg,len,0);
168                      //printf("flag:%d\n",sta );
169                  }
170              }
171         }
172         else {
173             continue;
174         }
175     } 
176 
177 }
178 
179 void communicate_process(int connetfd,int qid,struct sockaddr_in client){
180     struct CLIENTMSG sendMsg;
181     struct CLIENTMSG recvMsg;
182     struct MESSAGE server_Msg;
183     struct SERVERMSG client_sndMsg;
184     struct SERVERMSG msg;
185     int status;
186     int wfd = open("CLIENT",O_WRONLY|O_NONBLOCK);
187     pid_t pid;
188     pid = fork();
189     if(pid < 0){
190         perror("communicate_process fork error\n");
191     }
192     else if (pid == 0){
193         bzero(&sendMsg,sizeof(sendMsg));
194         sendMsg.OP = OK;
195         send(connetfd,&sendMsg,sizeof(sendMsg),0);
196         while(1){
197             int m_len = sizeof(msg);
198             bzero(&server_Msg,sizeof(server_Msg));
199             int sta=msgrcv(qid,&server_Msg,m_len,0,0);
200             //printf("flag:%d\n",sta );
201             //printf("send..%d,%s,%s\n",server_Msg.msg.OP,server_Msg.msg.username,server_Msg.msg.buf );
202             bzero(&sendMsg,sizeof(sendMsg));
203             bcopy(server_Msg.msg.username,sendMsg.username,strlen(server_Msg.msg.username));
204             sendMsg.OP = server_Msg.msg.OP;
205             bcopy(server_Msg.msg.buf,sendMsg.buf,strlen(server_Msg.msg.buf));
206             //printf("send..%d,%s,%s\n",sendMsg.OP,sendMsg.username,sendMsg.buf );
207             send(connetfd,&sendMsg,sizeof(sendMsg),0);
208         }
209     }
210     else{
211         while(1){
212             bzero(&recvMsg,sizeof(recvMsg));
213             int len =recv(connetfd,&recvMsg,sizeof(recvMsg),0);
214             if(len > 0){
215                 if(recvMsg.OP == USER){
216                     printf("user %s login from ip:%s,port:%d\n",recvMsg.username,inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port) );
217                     client_sndMsg.OP = USER;
218                 }
219                 else if(recvMsg.OP == EXIT){
220                     printf("user %s is logout\n",recvMsg.username );
221                     client_sndMsg.OP = EXIT;
222                     write(wfd,&client_sndMsg,sizeof(client_sndMsg));
223                     break;
224                 }
225                 else if(recvMsg.OP == MSG){
226                     client_sndMsg.OP = MSG;
227                 }
228                 bzero(&client_sndMsg,sizeof(client_sndMsg));
229                 bcopy(recvMsg.username,client_sndMsg.username,strlen(recvMsg.username));
230                 bcopy(recvMsg.buf,client_sndMsg.buf,strlen(recvMsg.buf));
231                 client_sndMsg.client = client;
232                 //printf("qid2:%d\n",qid );
233                 client_sndMsg.qid = qid;
234                 client_sndMsg.OP = recvMsg.OP;
235                 write(wfd,&client_sndMsg,sizeof(client_sndMsg));
236                 
237             }
238             else{
239                 continue;
240             }
241         }
242         kill(pid,SIGKILL);
243         waitpid(pid,&status,WNOHANG);
244         close(wfd);
245         close(connetfd);
246     }
247 }

写出了服务端,就可以非常容易的写出客户端了。

client.c

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <string.h>
 3 #include <sys/socket.h>
 4 #include <netinet/in.h>
 5 #include <stdlib.h>
 6 #include <sys/types.h>
 7 #include <sys/wait.h>
 8 #include <signal.h>
 9 #include <unistd.h>
10 #include "clientmsg.h"
11 
12 int main(){
13     int sockfd;
14     char ip[20];
15     int port;
16     int status;
17     pid_t pid;
18     struct sockaddr_in server;
19     struct CLIENTMSG clientMsg;
20 
21     /*---------------------socket---------------------*/
22     if((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))== -1){
23         perror("socket error\n");
24         exit(1);
25     }
26 
27     /*---------------------connect--------------------*/
28     printf("Please input the ip:\n");
29     scanf("%s",ip);
30     printf("Please input the port:\n");
31     scanf("%d",&port);
32     bzero(&server,sizeof(server));
33     server.sin_family = AF_INET;
34     server.sin_port = htons(port);
35     inet_aton(ip,&server.sin_addr);
36     if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&server,sizeof(server))== -1){
37         perror("connect() error\n");
38         exit(1);
39     }
40     recv(sockfd,&clientMsg,sizeof(clientMsg),0);
41     if(clientMsg.OP == OK){
42         int len;
43         pid = fork();
44         if(pid == 0){
45             while(1){
46                 bzero(&clientMsg,sizeof(clientMsg));
47                 len =recv(sockfd,&clientMsg,sizeof(clientMsg),0);
48                 if(len > 0){
49                     if(clientMsg.OP ==USER){
50                         printf("the user %s is login.\n",clientMsg.username );
51                     }
52                     else if(clientMsg.OP == EXIT){
53                         printf("the user %s is logout.\n",clientMsg.username);
54                     }
55                     else if(clientMsg.OP == MSG){
56                         printf("%s: %s\n",clientMsg.username,clientMsg.buf );
57                     }
58                 }    
59             }
60             exit(EXIT_SUCCESS); 
61         }
62         else if(pid > 0){
63             printf("Please input the username:\n");
64             scanf("%s",clientMsg.username);
65             clientMsg.OP = USER;
66             send(sockfd,&clientMsg,sizeof(clientMsg),0);
67             while(1){
68                 clientMsg.OP = MSG;
69                 scanf("%s",clientMsg.buf);
70                 if(strcmp("bye",clientMsg.buf) == 0){
71                     clientMsg.OP = EXIT;
72                     send(sockfd,&clientMsg,sizeof(clientMsg),0);
73                     break;
74                 }
75                 send(sockfd,&clientMsg,sizeof(clientMsg),0);
76 
77             }
78             kill(pid,SIGKILL);
79             waitpid(pid,&status,WNOHANG);
80         }
81         else{
82             perror("fork error!\n");
83         }
84     }
85     else{
86         printf("以达到最大连接数!\n");
87     }
88     /*------------------------close--------------------------*/
89     close(sockfd);
90 
91     return 0;
92 }

最后是makefile:

main:server.o client.o semaphore.o
    gcc server.o semaphore.o -oserver
    gcc client.o -oclient
server.o:server.c semaphore.h clientmsg.h servermsg.h
    gcc -c server.c
client.o:client.c clientmsg.h
    gcc -c client.c
semaphore.o:semaphore.h semaphore.c
    gcc -c semaphore.c
clean:
    rm -rf *.o

下面上一下演示过程:(测试环境,Red Hat Enterprise Linux 6 + centos系Linux,ubuntu下可能会有些问题。)

首先先把服务端启动开来,为了方便测试,这里直接使用的是127.0.0.1的localhost。

然后启动两个客户端用来测试,在用户登录的时候客户端会有消息提醒。服务端会有日志打印输出客户端的名字和登录ip、端口。

客户可以发送消息了,如图发送与接收均正常。可以同时启动<=5个客户端进行群聊,这里为了简单演示只是启动了2个。(修改信号量代码可以实现n多个客户的同时登陆):

输入bye以后即可退出聊天并下线。当有客户下线的时候,在线的客户端会收到下线提醒,客户端会有日志打印输出。

这个实验内容前前后后花了我2天才写完,刚开始没有弄清楚这一整套的工作机制与流程,写起来很是吃力,程序就是各种调不通。本来都想放弃了,但是后来还是咬咬牙坚持了一下来,饭要一口一口吃,程序要一点一点的写,万事不能操之过急,写代码一定要心平气和,头脑清晰。由于gdb调试工具用的不是很熟练,只能在程序里面一段一段的print变量来DEBUG,很是辛苦啊。

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