在做游戏开发时,经常需要在应用层实现自己的心跳机制,即定时发送一个自定义的结构体(心跳包),让对方知道自己还活着,以确保连接的有效性。

在TCP socket心跳机制中,心跳包可以由服务器发送给客户端,也可以由客户端发送给服务器,不过比较起来,前者开销可能更大。—— 这里实现的是由客户端给服务器发送心跳包,基本思路是:

1) 服务器为每个客户端保存了IP和计数器count,即map<fd, pair<ip, count>>。服务端主线程采用 select 实现多路IO复用,监听新连接以及接受数据包(心跳包),子线程用于检测心跳:

  • 如果主线程接收到的是心跳包,将该客户端对应的计数器 count 清零;
  • 在子线程中,每隔3秒遍历一次所有客户端的计数器 count:
    • 若 count 小于 5,将 count 计数器加 1;
    • 若 count 等于 5,说明已经15秒未收到该用户心跳包,判定该用户已经掉线;

2) 客户端则只是开辟子线程,定时给服务器发送心跳包(本示例中定时时间为3秒)。

下面是Linux下一个socket心跳包的简单实现:

  1. /*************************************************************************
  2. > File Name: Server.cpp
  3. > Author: SongLee
  4. > E-mail: lisong.shine@qq.com
  5. > Created Time: 2016年05月05日 星期四 22时50分23秒
  6. > Personal Blog: http://songlee24.github.io/
  7. ************************************************************************/
  8. #include<netinet/in.h> // sockaddr_in
  9. #include<sys/types.h> // socket
  10. #include<sys/socket.h> // socket
  11. #include<arpa/inet.h>
  12. #include<unistd.h>
  13. #include<sys/select.h> // select
  14. #include<sys/ioctl.h>
  15. #include<sys/time.h>
  16. #include<iostream>
  17. #include<vector>
  18. #include<map>
  19. #include<string>
  20. #include<cstdlib>
  21. #include<cstdio>
  22. #include<cstring>
  23. using namespace std;
  24. #define BUFFER_SIZE 1024
  25. enum Type {HEART, OTHER};
  26. struct PACKET_HEAD
  27. {
  28. Type type;
  29. int length;
  30. };
  31. void* heart_handler(void* arg);
  32. class Server
  33. {
  34. private:
  35. struct sockaddr_in server_addr;
  36. socklen_t server_addr_len;
  37. int listen_fd; // 监听的fd
  38. int max_fd; // 最大的fd
  39. fd_set master_set; // 所有fd集合,包括监听fd和客户端fd
  40. fd_set working_set; // 工作集合
  41. struct timeval timeout;
  42. map<int, pair<string, int> > mmap; // 记录连接的客户端fd--><ip, count>
  43. public:
  44. Server(int port);
  45. ~Server();
  46. void Bind();
  47. void Listen(int queue_len = 20);
  48. void Accept();
  49. void Run();
  50. void Recv(int nums);
  51. friend void* heart_handler(void* arg);
  52. };
  53. Server::Server(int port)
  54. {
  55. bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
  56. server_addr.sin_family = AF_INET;
  57. server_addr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
  58. server_addr.sin_port = htons(port);
  59. // create socket to listen
  60. listen_fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  61. if(listen_fd < 0)
  62. {
  63. cout << "Create Socket Failed!";
  64. exit(1);
  65. }
  66. int opt = 1;
  67. setsockopt(listen_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
  68. }
  69. Server::~Server()
  70. {
  71. for(int fd=0; fd<=max_fd; ++fd)
  72. {
  73. if(FD_ISSET(fd, &master_set))
  74. {
  75. close(fd);
  76. }
  77. }
  78. }
  79. void Server::Bind()
  80. {
  81. if(-1 == (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr))))
  82. {
  83. cout << "Server Bind Failed!";
  84. exit(1);
  85. }
  86. cout << "Bind Successfully.\n";
  87. }
  88. void Server::Listen(int queue_len)
  89. {
  90. if(-1 == listen(listen_fd, queue_len))
  91. {
  92. cout << "Server Listen Failed!";
  93. exit(1);
  94. }
  95. cout << "Listen Successfully.\n";
  96. }
  97. void Server::Accept()
  98. {
  99. struct sockaddr_in client_addr;
  100. socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
  101. int new_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
  102. if(new_fd < 0)
  103. {
  104. cout << "Server Accept Failed!";
  105. exit(1);
  106. }
  107. string ip(inet_ntoa(client_addr.sin_addr)); // 获取客户端IP
  108. cout << ip << " new connection was accepted.\n";
  109. mmap.insert(make_pair(new_fd, make_pair(ip, 0)));
  110. // 将新建立的连接的fd加入master_set
  111. FD_SET(new_fd, &master_set);
  112. if(new_fd > max_fd)
  113. {
  114. max_fd = new_fd;
  115. }
  116. }
  117. void Server::Recv(int nums)
  118. {
  119. for(int fd=0; fd<=max_fd; ++fd)
  120. {
  121. if(FD_ISSET(fd, &working_set))
  122. {
  123. bool close_conn = false; // 标记当前连接是否断开了
  124. PACKET_HEAD head;
  125. recv(fd, &head, sizeof(head), 0); // 先接受包头
  126. if(head.type == HEART)
  127. {
  128. mmap[fd].second = 0; // 每次收到心跳包,count置0
  129. cout << "Received heart-beat from client.\n";
  130. }
  131. else
  132. {
  133. // 数据包,通过head.length确认数据包长度
  134. }
  135. if(close_conn) // 当前这个连接有问题,关闭它
  136. {
  137. close(fd);
  138. FD_CLR(fd, &master_set);
  139. if(fd == max_fd) // 需要更新max_fd;
  140. {
  141. while(FD_ISSET(max_fd, &master_set) == false)
  142. --max_fd;
  143. }
  144. }
  145. }
  146. }
  147. }
  148. void Server::Run()
  149. {
  150. pthread_t id; // 创建心跳检测线程
  151. int ret = pthread_create(&id, NULL, heart_handler, (void*)this);
  152. if(ret != 0)
  153. {
  154. cout << "Can not create heart-beat checking thread.\n";
  155. }
  156. max_fd = listen_fd; // 初始化max_fd
  157. FD_ZERO(&master_set);
  158. FD_SET(listen_fd, &master_set); // 添加监听fd
  159. while(1)
  160. {
  161. FD_ZERO(&working_set);
  162. memcpy(&working_set, &master_set, sizeof(master_set));
  163. timeout.tv_sec = 30;
  164. timeout.tv_usec = 0;
  165. int nums = select(max_fd+1, &working_set, NULL, NULL, &timeout);
  166. if(nums < 0)
  167. {
  168. cout << "select() error!";
  169. exit(1);
  170. }
  171. if(nums == 0)
  172. {
  173. //cout << "select() is timeout!";
  174. continue;
  175. }
  176. if(FD_ISSET(listen_fd, &working_set))
  177. Accept(); // 有新的客户端请求
  178. else
  179. Recv(nums); // 接收客户端的消息
  180. }
  181. }
  182. // thread function
  183. void* heart_handler(void* arg)
  184. {
  185. cout << "The heartbeat checking thread started.\n";
  186. Server* s = (Server*)arg;
  187. while(1)
  188. {
  189. map<int, pair<string, int> >::iterator it = s->mmap.begin();
  190. for( ; it!=s->mmap.end(); )
  191. {
  192. if(it->second.second == 5) // 3s*5没有收到心跳包,判定客户端掉线
  193. {
  194. cout << "The client " << it->second.first << " has be offline.\n";
  195. int fd = it->first;
  196. close(fd); // 关闭该连接
  197. FD_CLR(fd, &s->master_set);
  198. if(fd == s->max_fd) // 需要更新max_fd;
  199. {
  200. while(FD_ISSET(s->max_fd, &s->master_set) == false)
  201. s->max_fd--;
  202. }
  203. s->mmap.erase(it++); // 从map中移除该记录
  204. }
  205. else if(it->second.second < 5 && it->second.second >= 0)
  206. {
  207. it->second.second += 1;
  208. ++it;
  209. }
  210. else
  211. {
  212. ++it;
  213. }
  214. }
  215. sleep(3); // 定时三秒
  216. }
  217. }
  218. int main()
  219. {
  220. Server server(15000);
  221. server.Bind();
  222. server.Listen();
  223. server.Run();
  224. return 0;
  225. }
  1. /*************************************************************************
  2. > File Name: Client.cpp
  3. > Author: SongLee
  4. > E-mail: lisong.shine@qq.com
  5. > Created Time: 2016年05月05日 星期四 23时41分56秒
  6. > Personal Blog: http://songlee24.github.io/
  7. ************************************************************************/
  8. #include<netinet/in.h> // sockaddr_in
  9. #include<sys/types.h> // socket
  10. #include<sys/socket.h> // socket
  11. #include<arpa/inet.h>
  12. #include<sys/ioctl.h>
  13. #include<unistd.h>
  14. #include<iostream>
  15. #include<string>
  16. #include<cstdlib>
  17. #include<cstdio>
  18. #include<cstring>
  19. using namespace std;
  20. #define BUFFER_SIZE 1024
  21. enum Type {HEART, OTHER};
  22. struct PACKET_HEAD
  23. {
  24. Type type;
  25. int length;
  26. };
  27. void* send_heart(void* arg);
  28. class Client
  29. {
  30. private:
  31. struct sockaddr_in server_addr;
  32. socklen_t server_addr_len;
  33. int fd;
  34. public:
  35. Client(string ip, int port);
  36. ~Client();
  37. void Connect();
  38. void Run();
  39. friend void* send_heart(void* arg);
  40. };
  41. Client::Client(string ip, int port)
  42. {
  43. bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
  44. server_addr.sin_family = AF_INET;
  45. if(inet_pton(AF_INET, ip.c_str(), &server_addr.sin_addr) == 0)
  46. {
  47. cout << "Server IP Address Error!";
  48. exit(1);
  49. }
  50. server_addr.sin_port = htons(port);
  51. server_addr_len = sizeof(server_addr);
  52. // create socket
  53. fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  54. if(fd < 0)
  55. {
  56. cout << "Create Socket Failed!";
  57. exit(1);
  58. }
  59. }
  60. Client::~Client()
  61. {
  62. close(fd);
  63. }
  64. void Client::Connect()
  65. {
  66. cout << "Connecting......" << endl;
  67. if(connect(fd, (struct sockaddr*)&server_addr, server_addr_len) < 0)
  68. {
  69. cout << "Can not Connect to Server IP!";
  70. exit(1);
  71. }
  72. cout << "Connect to Server successfully." << endl;
  73. }
  74. void Client::Run()
  75. {
  76. pthread_t id;
  77. int ret = pthread_create(&id, NULL, send_heart, (void*)this);
  78. if(ret != 0)
  79. {
  80. cout << "Can not create thread!";
  81. exit(1);
  82. }
  83. }
  84. // thread function
  85. void* send_heart(void* arg)
  86. {
  87. cout << "The heartbeat sending thread started.\n";
  88. Client* c = (Client*)arg;
  89. int count = 0; // 测试
  90. while(1)
  91. {
  92. PACKET_HEAD head;
  93. head.type = HEART;
  94. head.length = 0;
  95. send(c->fd, &head, sizeof(head), 0);
  96. sleep(3); // 定时3秒
  97. ++count; // 测试:发送15次心跳包就停止发送
  98. if(count > 15)
  99. break;
  100. }
  101. }
  102. int main()
  103. {
  104. Client client("127.0.0.1", 15000);
  105. client.Connect();
  106. client.Run();
  107. while(1)
  108. {
  109. string msg;
  110. getline(cin, msg);
  111. if(msg == "exit")
  112. break;
  113. cout << "msg\n";
  114. }
  115. return 0;
  116. }

可以看出,客户端启动以后发送了15次心跳包,然后停止发送心跳包。在经过一段时间后(3s*5),服务器就判断该客户端掉线,并断开了连接。

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