程式名稱: 聊天室之用戶端與伺服端程式

教師：林盈達

將課堂上所學習之client-server程式撰寫方式及技巧，用於設計一個聊天室，這個server程式可同時支援多個不同主題、且能動態產生或結束的聊天室。

如圖一，client-server model主要包括了這四種，針對聊天室同時多人連至server且持續互相傳遞訊息的特性，這四種model中又以concurrent connection-oriented model最為適合聊天室的製作。確認使用TCP作為傳輸協定，並決定以concurrent server來減短對各個client的反應時間後，要製作能同時有多個主題、且能動態產生的聊天室，必須選定更明確的client-server model，這裡我們介紹三種可行的架構，以及這幾種架構基本的程式控制流程。

圖一 四種重要的client-server model

• Single-Process, Concurrent Servers

single-process concurrent server model的架構如圖二，圖中最左邊的socket負責處理所有連結要求，也就是listen並等待connect，accept之後再交由其他socket負責，在使用者眼中便是login的動作；而其他sockets負責各個connection，server利用select這個指令，得知各個socket是否有訊息傳入，並作相對應的處理。

圖二 Single-process, connection-oriented, concurrent server

需注意的是，這個架構中唯一一個process同時負責好幾間聊天室，因此哪些sockets屬於同一個聊天室、轉送訊息時要傳至哪些clients、各個聊天室為開放或關閉，在程式裡必須用表格清楚記錄相關資訊。

在這個程式中，除了要瞭解一些基本的socket函式，如bind、listen、connect、accept、read、write、close等的用法外，還會用到select函式，以下便就較特殊的select函式作介紹，其他函式請同學參考課本用法。

Select的用法如下：

Retcode = select ( numfds, refds, wrfds, exfds, time );

Arg Type Meaning

refds &fd_set Address of file descriptors for input

wrfds &fd_set Address of file descriptors for output

exfds &fd_set Address of file descriptors for exceptions

time &struct timeval Maximum time to wait or zero

參數中的refds、wrfds、exfds就像三組獨立的探針，以refds來說，針對每個input都放一個探針連至窗口，探針上寫著這個窗口的位址，並且將各個input窗口編號，參數所指的第i個bit也就是編號i的descriptor，可以利用FD_ZERO將每個bit都清除、FD_CLR來清除某個bit、FD_SET設定某個bit、FD_ISSET檢查某個bit是否已被設定，在聊天室的程式中，由於門房只須探查各窗口是否有訊息要傳遞，因此只會用到refds，所以output及exceptions均設成0，而用作查詢等待答覆上限時間的time參數，在此也可設成0。

• Master & Slave Concurrent Servers

還有數個由master process所fork出來的slave processes，每一個slave process負責一個聊天室，且以先前提過的select指令來偵測聊天室內各個sockets的要求。

用這個架構撰寫聊天室，可以簡化表格的設計，由各個slave process各自維持一個使用者資料表格，用於訊息傳遞時的查詢；較複雜的地方則是針對每個連結上來的使用者，若有開新聊天室的需求，必須由master process動態產生slave process，並於聊天室所有使用者均離開時將負責的slave process清除。

圖三 Master & Slave Concurrent Servers

• Pre-allocated Master & Slave Concurrent Servers

了事先fork出一些slave processes放在pool中，開新聊天室時直接讓先前fork好的slave process去負責，關閉聊天室時再將之放回pool中，架構如圖四所示，這個架構的寫法大致與一般Master & Slave Concurrent Server相同，無庸贅述。

圖四 Pre-allocated Master & Slave Concurrent Servers

• Threads

屬於同一個process的threads共用相同記憶體的特質，解決了fork 動作中必須複製記憶體內容和所有descriptors，以及在fork完之後，parent process 和child process必須靠interprocess communication來傳遞資訊的問題。因此，圖三之中的slave process可以用threads取代，大幅減短原本用以產生child process的時間。

以threads取代child process來製作聊天室時有兩點需要注意的:

1. 由於屬於同一個process的不同threads可以共用變數和descriptors，所以會有data synchronization的問題，必須在thread取用共用變數前用mutex變數鎖住此公用變數，以避免超過一個thread同時存取之; 此時，可能會有thread需要等待某些公用變數被unlock，可用condition變數來達到此效果。
2. 在一般master & slave processes裡使用的函式在threads應用程式中不一定為thread-safe，可能發生在同一台機器上執行client和server時運作正常，但是由其他台機器連上來的client則無法正常傳送資料的現象，可以用thread-specific data的技巧來解決這個問題。

• 基本功能：

使用者連上server後，必須提供以下功能：

1.查詢現有聊天室及其主題、各聊天室成員

2.加入原有聊天室，或者開新的聊天室並決定其為開放式或封閉式，當使用者欲加入封閉式聊天室時，系統需送訊息給首開此聊天室的室長，由室長決定是否允許新成員加入。

3.可執行指令包括:

/Room => 列出目前所有聊天室及其主題

在使用者正式進入聊天室之後，必須能執行以下的基本指令：

Help => 秀出聊天室內所有能夠執行的指令及其用法

Who => 列出聊天室裡的所有使用者及其上線位址，並標示出使用者本身

Nick => 讓使用者換代號

Yell => 將使用者說的訊息告知所有使用者

Tell => 將使用者說的訊息告知指定的使用者

Bye => 離開聊天室

其中封閉式聊天室的室長另外可執行兩個指令:

Admit + Nick => server詢問是否允許讓使用者加入，室長同意其加入時

Reject + Nick => server詢問是否允許讓使用者加入，室長拒絕其加入時

• 選擇性功能：(加分項目)

1. 利用顏色區分自己說的訊息和其他人說的訊息

Color => 將自己對大家說的話、別人偷偷對自己說的秘密及公諸於世的訊

息以顏色區分

2. 不再接收來自指定使用者的訊息

Ignore + Nick => 將指定使用者打入冷宮，不再接收來自此人的訊息

3. 動作，主要分成三大類

Verb + message => //sing 天天天藍

Verb => //cough

V + Nick => //kick piggy

4. 記錄使用者聊天時間、參與的聊天室主題
5. 查詢聊天記錄

• 輸入輸出：

使用者執行client程式連上server以後，須有login的動作，server傳送歡迎訊息給使用者，其中內容除表示歡迎使用聊天室外，還須有聊天室指令介紹，使用者正式進入聊天室之後，附上prompt供使用者輸入指令，整體運作情形舉例如下：

1. 在UNIX環境下執行server程式
2. 以client程式連線至server，看到歡迎訊息後，執行Command、Room、Create，並將聊天室設為open，進入聊天室後，執行Who、Nick
3. 另以兩個clients連上server，加入同一聊天室，假設三個clients分別依進入聊天室的順序為A、B、C，C執行Nick、Who、Yell、Tell A及其他optional指令
4. 重複步驟1到3，將聊天室設為closed，A並分別accept B、reject C，C再度請求進入聊天室，A accept C

• 單一聊天室斷線測試

1. 延續單一功能open版測試，由B執行Bye，C執行Who、Tell B、Tell A
2. 延續單一功能open版測試，由A執行Bye，C執行Who、Tell B、Tell A，B和C分別執行Bye，D連線至server，執行Room，觀察server是否已經聊天室關閉
3. 延續單一功能closed版測試，由B執行Bye，C執行Who、Tell B、Tell A
4. 延續單一功能closed版測試，由A執行Bye，C執行Who、Tell B、Tell A，另由D連線至server，並要求進入聊天室，觀察server是否自動轉移室長職權至B或C

• 多個聊天室功能測試

1. 由client A開聊天室X，並設為open
2. 由client B另開一個聊天室Y，並設為closed
3. client C執行Room、Join X，進入聊天室後執行Nick、Who、Yell、Tell A及其他optional指令
4. client D執行Room、Member、Join Y，B accept D
5. client E執行Room、Member、Join Y，B reject E，E create 聊天室Z，將聊天室設為open

• 多個聊天室斷線測試

1. 延續多個聊天室功能測試，B執行Bye，另以client F連線並要求進入聊

天室Y，觀察室長職權是否正確轉移至D，D accept F

2. E執行Bye，另以client G連線並執行Room，觀察聊天室Z是否已關閉

1. 背景知識中提供的四種方法分別有何優缺點?各適用於哪些情況?
2. 背景知識中提供的Master & Slave Concurrent Server架構和一般所提的Concurrent Connection-oriented Server架構有何不同?為何在寫聊天室程式時需做這樣的調整?
3. 除了背景知識中所提到的四種方法可以用來製作聊天室外，還有哪些client-server model可以達到同樣效果呢？在製作上有何差別？
4. 如果系統提供了可供執行的程式，如edit.exe、date.exe等，有哪些函式可以讓server程式呼叫，以執行這些執行檔呢？
5. 在大多數的socket程式中，都會用到fork指令，由parent process 產生一個child process，這兩個process有何異同？
6. 其他同學自己想到的問題與討論。

1. 程式名稱、作者
2. 功能及輸入輸出
3. 系統設計
4. 模組設計
5. 程式功能展示 （screen dump）
6. 問題討論
7. 參考資料

附錄：程式列表 (含註解)

1. W. Richard Stevens, “Unix Network Programming”,2^nd edition, Prentice-Hall , 1998.
2. Douglas E. Comer , David L. Stevens, “Internetworking with TCP/IP “ Volume III , Prentice-Hall , 1996.