在多线程UDP服务器中使用多个套接字

Question

Requirement: 

我需要编写一个服务器，该服务器应该能够接收多个客户端连接（FCFS顺序），并且能够在单独的线程中处理每个客户端，以便处理过程看起来好像所有客户端都可以同时服务。 使用的传输协议应为UDP。 在客户端和服务器之间还会发生几次数据传输往返，并且必须将从客户端接收的数据存储在服务器端，以便对该客户端进行进一步处理。

Implementation:

为此，我采用了队列/线程池机制。 最初，我创建一个固定数量的线程池，并具有一个队列数据结构来存储客户端地址。 该队列在所有线程之间共享，因此我使用“互斥体”来锁定/解锁该队列。 在主服务器线程中，我创建一个套接字，将其绑定到全局端口/地址，然后在“ recvfrom”调用中阻止该服务器。 任何要与服务器通信的客户端都会向主线程服务器发送“ Hi”消息，以监听全局端口地址。 主服务器线程在接收到此“ Hi”数据报后，将客户端的sockaddr结构推入队列，并返回到“ recvfrom”调用阻塞以接受其他客户端。

任何在队列上获得锁定，弹出客户端地址并开始单独处理此客户端的池线程。 也就是说，池线程现在将创建一个套接字，将其绑定到与全局端口不同的端口，并使用其弹出的客户端地址将该端口地址发送给客户端。 在客户端，发送“ Hi”消息后，它将阻止“ recvfrom”调用，并且一旦从服务器（具有其他端口）接收到消息，它将存储该端口/地址，然后与之通信服务器仅使用池服务器线程发送的此新端口。

Clarification needed:

我已经在许多Stack溢出问题中注意到，单线程在多线程UDP服务器中总是足够的，但是根据我的要求，我认为我需要多个UDP套接字，每个套接字都适合一个客户端。 请为我的要求提供有关线程化UDP服务器方法的建议

编辑：改进了设计

感谢您对我的设计的所有评论和讨论。 在掌握了您对单插槽连接和上下文切换的所有看法之后，我想到了一种改进的设计。 请提供有关我改进设计的反馈

在此实现中，我将仅使用绑定到全局已知端口地址的一个全局UDP套接字。 和以前一样，我将首先创建固定数量的线程，例如5个线程。 然后，我在所有线程的单个套接字上执行recvfrom（）。 无论哪个线程首先接收到数据报，都将能够从该数据报中了解三件事：

• 客户端sockaddr（客户端地址）
• 客户数据（发送实际数据）
• 进程号（与数据一起发送。这是为了让服务器知道必须对客户端数据进行哪种处理）

根据上述信息，服务器线程将根据进程号处理数据，并将答复发送给接收该消息的同一客户端。 处理数据并发送答复（如有必要）后，该线程将返回到对recvfrom（）调用的阻止。

同样，有关各种客户端的详细信息将存储在全局哈希表和映射（所有线程均可访问）中，以便任何线程都可以访问该线程以根据该特定客户端进行处理。

客户端的更改：服务器应该能够知道它必须对客户端数据执行的处理。 因此，客户端将与数据一起发送进程号。

Answer 1

一次套接字就足够了，因为每次接收数据包时，您都可以使用其源地址（src_addr）调用recvfrom来识别客户端：

recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
             struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

现在，此解决方案只有一个接收点。 这意味着服务器必须接收数据，然后将其传递给应该执行该过程的线程。 因为您仅使用一个端口，所以这降低了单插槽解决方案的并行性。

我认为您的解决方案在并行性方面更好，因为您的线程运行在不同的端口上，因此，如果您的计算机上有多个处理器和多个网卡可用于服务您的客户端，那么它们可以并行服务多个客户端。 在最佳情况下，您可能有多个并行运行的线程，它们在不同的处理器中，每个线程为来自不同网络接口的客户端提供服务。

编辑 ：

与David讨论了您的设计之后，他说服了我，拥有多个套接字会导致多个上下文切换，这可能会降低服务器性能。 因此，在这种情况下，最好的做法是对所有客户端使用多个线程，但使用一个套接字。

Answer 2

好吧，我不确定这些需求来自何处-主要是现实生活程序或某种任务/面试/等等的需求。

我会继续以为这是一个现实生活中的程序，因为我不会帮助任何人做作业:)

UDP不是面向连接的协议（即使UDP套接字可以“连接”，但这只会增加混乱）。 这是一个面向消息的协议。 现在，设计线程模型的第一个问题始终是“我这里需要线程模型吗？” 如果您具有可以彼此独立执行的操作并且花费大量时间，则将需要线程。 就您而言，这取决于您对消息的实际处理方式。 假设您已经对其进行了一些处理，并且与潜在同时发生的客户端数目相比，该处理时间是很重要的（请记住，有成功的单线程Web服务器！仅通过单线程处理所有请求就没有错）。

在设计方面，我认为给客户端提供新端口以进行连接的想法不是一个好主意。 造成这种情况的原因有很多，其中一个可能是客户端和服务器之间的防火墙。 在实现方面，它也不是简单明了的，并且以某种方式模仿了TCP和UDP。 如果需要TCP，请使用TCP，请勿尝试通过UDP构建TCP-您不会成功。

相反，我建议在套接字上有一个侦听器，该侦听器会将请求（连同发送者信息）分派给工作线程，然后将答复发送回客户端。 请记住，对于UDP，您不需要通过用于处理请求的同一套接字发送响应。