Linux：基于 select 多路复用的 C 语言多人聊天室实现

一、项目概述与核心功能

本聊天室服务器基于 TCP 协议，通过select多路复用技术，实现单线程高效处理多个连接。其核心功能包括：

• 稳定连接：利用 TCP 协议确保数据传输的可靠性；
• 高效处理：借助select系统调用，提升服务器并发处理能力；
• 多样交互：支持群聊和私聊两种模式；
• 智能管理：设置 30 秒无活动超时机制，自动清理闲置连接；
• 日志追踪：记录服务器关键事件与客户端活动，便于监控与调试；
• 控制台广播：管理员可通过控制台向所有在线客户端发送消息。

二、核心技术点

• select多路复用：允许单线程同时处理多个文件描述符（如监听套接字、客户端连接和标准输入），降低多线程编程的复杂度与资源消耗。
• 链表数据结构：采用双向链表动态管理客户端连接信息，便于节点的添加、删除与遍历操作。
• TCP socket 编程：完整实现套接字创建、地址绑定、端口监听和连接接受等网络通信核心操作。
• 时间处理机制：通过高精度时间戳生成函数，实现超时检测与日志记录功能。

三、代码模块解析

3.1 时间戳工具函数

// 获取时间戳字符串
char* get_timestamp(char* buffer, size_t size) {
    time_t tm_now = time(NULL);
    struct tm *now = localtime(&tm_now);
    snprintf(buffer, size, "[%02d:%02d:%02d]", now->tm_hour, now->tm_min, now->tm_sec);
    return buffer;
}

struct tm *PrintfTime() {
    char timestamp[20];
    printf("%s  ", get_timestamp(timestamp, sizeof(timestamp)));
    time_t tm_now;
    tm_now = time(NULL);
    return localtime(&tm_now);
}

get_timestamp函数用于生成格式化的时间字符串（时：分：秒），PrintfTime函数则打印时间戳并返回当前时间结构。通过snprintf严格控制缓冲区大小，有效避免缓冲区溢出问题。

3.2 服务器初始化

int ReadyFun(char *argv1, char *argv2) {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    ERROR_CHECK(sockfd, -1, "error socket");
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv1);
    server_addr.sin_port = htons(atoi(argv2));
    // 设置地址复用，允许服务器重启后立即使用同一端口
    int res_addr = 1;
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &res_addr, sizeof(int));
    int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    ERROR_CHECK(ret, -1, "error bind");
    ret = listen(sockfd, 50);
    ERROR_CHECK(ret, -1,"error listen");
    PrintfTime();
    printf("Is listening, waiting for a new connection\n");
    return sockfd;
}

ReadyFun函数负责服务器的初始化，包括创建套接字、设置地址复用、绑定地址端口和开始监听。通过ERROR_CHECK宏统一处理函数调用失败的情况，提高代码可读性和错误处理的一致性。setsockopt函数设置地址复用选项，解决服务器重启时端口占用问题。

3.3 客户端管理数据结构

// 单个客户端信息结构体
typedef struct ClientFd {
    int client_fd;          // 客户端套接字描述符
    struct ClientFd *next;  // 链表节点指针
    struct ClientFd *chat;  // 私聊对象指针
    time_t sec;             // 最后活动时间戳
} ClientFd;

// 客户端链表管理结构体
typedef struct ListClientfd {
    ClientFd *head;         // 头节点
    ClientFd *tail;         // 尾节点
    int count;              // 客户端数量
    int maxfd;              // 最大文件描述符（用于select）
} ListCliFd;

使用链表结构管理客户端连接信息，方便动态添加和删除客户端。链表操作函数如AddCliSockfd和DelCliSockfd，实现了客户端连接的动态管理，同时需注意内存分配与释放，避免内存泄漏。

3.4 消息处理机制

私聊命令处理

bool JudgeChat(ListCliFd *list,ClientFd *cli_p, char *buf) {
    // 处理私聊命令：*chat [客户端ID]
    if(strncmp(buf, "*chat ", 6) == 0) {
        int chatnum = atoi(buf+6);
        ClientFd *p = list->head->next;
        while(p != NULL) {
            if(chatnum == p->client_fd && p != cli_p) {
                cli_p->chat = p;
                send(cli_p->client_fd,"connect\n", 8, 0);
                return 1;
            }
            p = p->next;
        }
        send(cli_p->client_fd,"Error\n",6,0);
    }
    // 结束私聊命令：*endchat
    else if(strcmp(buf,"*endchat\n") == 0) {
        cli_p->chat = NULL;
    }
    return 0;
}

客户端通过发送*chat [目标客户端ID]命令发起私聊，*endchat命令结束私聊。可进一步扩展私聊功能，提供更友好的提示信息。

消息广播功能

int Broadcast(ListCliFd *list, ClientFd *cli_p, ClientFd *ignore_p, char* buf) {
    // 接收客户端消息
    if(cli_p != NULL) {
        ssize_t ret = recv(cli_p->client_fd, buf, sizeof(buf) - 1, 0);
        if(ret <= 0) {
            // 处理客户端断开连接
            PrintfTime();
            printf("Client %d disconnected unexpectedly\n", cli_p->client_fd);
            DelCliSockfd(list, cli_p, prev, &monitorset, sockfd);
            memset(buf, 0, sizeof(buf));
            return ret;
        }
        // 检查是否是私聊命令
        if(JudgeChat(list,cli_p,buf)) {
            return 1;
        }
    }
    // 广播消息给所有客户端
    char msg[1060]={0};
    ClientFd *p = list->head->next;
    while(p != NULL) {
        memset(msg,0,sizeof(msg));
        if(p == ignore_p) continue;
        if(p != cli_p) {
            // 格式化消息（区分服务器消息和客户端消息）
            if(cli_p == NULL) {
                snprintf(msg, sizeof(msg), "Server message:\n%s", buf);
            }else{
                snprintf(msg, sizeof(msg), "Client %d message:\n%s", cli_p->client_fd, buf);
            }
            send(p->client_fd, msg, strlen(msg), 0);
        }
        p = p->next;
    }
    return strlen(buf);
}

Broadcast函数实现消息群发，将消息发送给除发送者外的所有客户端，并区分服务器消息和客户端消息。需注意处理发送失败的情况，防止广播流程中断。

3.5 主循环与事件处理

int main(int argc, char *argv[]) {
    ARGS_CHECK(argc, 3);
    int sockfd = ReadyFun(argv[1], argv[2]);
    // 初始化客户端链表
    ListCliFd *list = (ListCliFd* )calloc(1, sizeof(ListCliFd));
    list->head = (ClientFd* )calloc(1, sizeof(ClientFd));
    list->tail = list->head;
    list->maxfd = sockfd;
    fd_set monitorset;
    fd_set readyset;
    FD_ZERO(&monitorset);
    FD_SET(sockfd, &monitorset);
    FD_SET(STDIN_FILENO, &monitorset);
    char buf[1024];
    while(1) {
        // 复制文件描述符集合（select会修改集合）
        memcpy(&readyset, &monitorset, sizeof(fd_set));
        struct timeval timeout = {1, 0};
        select(list->maxfd + 1, &readyset, NULL, NULL, &timeout);
        // 处理新的客户端连接
        if(FD_ISSET(sockfd, &readyset)) {
            AcceptClient(sockfd,list, &monitorset);
        }
        // 处理客户端消息
        ClientFd *p = list->head->next;
        ClientFd *prev = list->head;
        while(p != NULL) {
            ClientFd *next_p = p->next;
            // 检查客户端超时（30秒无活动）
            if(time(NULL) - p->sec > 30) {
                // 处理超时逻辑
                PrintfTime();
                printf("Client %d timeout\n", p->client_fd);
                sprintf(buf, "Client %d timeout and disconnected\n", p->client_fd);
                Broadcast(list, NULL, NULL, buf);
                DelCliSockfd(list, p, prev, &monitorset);
            }
            // 处理客户端发送的消息
            else if(FD_ISSET(p->client_fd, &readyset)) {
                p->sec = time(NULL); // 更新活动时间
                // 私聊模式处理
                if(p->chat != NULL) {
                    int ret = recv(p->client_fd,buf,sizeof(buf),0);
                    if(JudgeChat(list, p, buf)) continue;
                    char chat_msg[1050]={0};
                    sprintf(chat_msg, "Client %d chat message:\n%s", p->client_fd, buf);
                    send(p->chat->client_fd, chat_msg, strlen(chat_msg), 0);
                }
                // 群聊模式处理
                else{
                    int ret = Broadcast(list, p, NULL, buf);
                    // 处理客户端退出
                    if(ret <= 0||strcmp(buf, "exit\n")==0){
                        PrintfTime();
                        printf("Client %d exit by himself\n", p->client_fd);
                        sprintf(buf, "Client %d exit and disconnected\n",p->client_fd);
                        Broadcast(list, NULL, NULL, buf);
                        DelCliSockfd(list, p, prev, &monitorset);
                    }
                    else{
                        prev = p;
                    }
                }
            }
            else{
                prev = p;
            }
            p = next_p;
        }
        // 处理服务器控制台输入（广播服务器消息）
        if(FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readyset)){
            int ret = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
            ERROR_CHECK(ret, -1, "read");
            Broadcast(list, NULL, NULL, buf);
        }
    }
    // 资源释放（实际运行中服务器通常不会主动退出）
    // ...
}

主循环通过select监听三类事件：新的客户端连接请求、已连接客户端发送的消息、服务器控制台输入。这种单线程设计实现了高效的并发事件处理，避免了多线程编程的复杂性。运行时建议定期检查服务器资源占用，确保程序稳定。

四、使用方法

• 编译服务器程序：在终端执行gcc server.c -o server进行编译，若使用自定义错误检查库，需确保库文件正确链接。
• 启动服务器：在终端输入./server [IP地址] [端口号]，例如./server 127.0.0.1 8888。
• 客户端连接：使用支持 TCP 协议的客户端工具（如 Telnet、自定义客户端程序）连接到服务器指定的 IP 地址和端口。

客户端命令说明：

• 群聊消息：直接输入消息内容并回车。
• 发起私聊：输入*chat [客户端ID]。
• 结束私聊：输入*endchat。
• 退出聊天室：输入exit。

五、总结

本项目通过select多路复用技术和 TCP socket 编程，在 C 语言环境下实现了一个功能较为完善的多人聊天室。利用链表管理客户端连接，配合时间处理机制实现超时检测，同时支持群聊、私聊等多种交互模式。通过模块化的代码设计，将服务器初始化、消息处理、客户端管理等功能分开实现，便于维护与扩展。

服务端代码

#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <my_header.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdbool.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>

/* Usage:  */

// 获取时间戳字符串
char* get_timestamp(char* buffer, size_t size) {
    time_t tm_now = time(NULL);
    struct tm *now = localtime(&tm_now);
    snprintf(buffer, size, "[%02d:%02d:%02d]", now->tm_hour, now->tm_min, now->tm_sec);
    return buffer;
}

struct tm *PrintfTime(){
    char timestamp[20];
    printf("%s  ", get_timestamp(timestamp, sizeof(timestamp)));
    time_t tm_now;
    tm_now = time(NULL);
    return localtime(&tm_now);
}

//负责准备工作
int ReadyFun(char *argv1, char *argv2){
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    ERROR_CHECK(sockfd, -1, "error socket");
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv1);
    server_addr.sin_port = htons(atoi(argv2));

    int res_addr = 1;
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &res_addr, sizeof(int));
    //可以随时重连
    int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    ERROR_CHECK(ret, -1, "error bind");

    ret = listen(sockfd, 50);
    ERROR_CHECK(ret, -1,"error listen");
    PrintfTime();
    printf("Is listening, waiting for a new connection\n");
    return sockfd;
}

//结构体实现通过链表存储信息1.accept接到的sockfd;2.指针                                  
typedef struct ClientFd{
    int client_fd; //接收
    struct ClientFd *next; //节点
    struct ClientFd *chat;
    time_t sec; //计算发言时间;
}ClientFd;

typedef struct ListClientfd{
    ClientFd *head;
    ClientFd *tail;
    int count;
    int maxfd;
}ListCliFd;

//链表实现
void AddCliSockfd(ListCliFd *list, int clientfd){
    list->tail->next = (ClientFd* )calloc(1, sizeof(ClientFd));
    list->tail = list->tail->next;
    list->tail->client_fd = clientfd;
    list->tail->sec = time(NULL);
    list->maxfd = list->maxfd > clientfd ? list->maxfd : clientfd;//更新最大文件描述符
    list->count ++;
}

void DelCliSockfd(ListCliFd *list, ClientFd *p, ClientFd *prev, fd_set *monitorset){
    PrintfTime();
    printf("Client %d exit\n", p->client_fd);
    FD_CLR(p->client_fd, monitorset);

    if (p == list->tail) {
        list->tail = prev;
        prev->next = NULL;
    } else {
        prev->next = p->next;
    }

    close(p->client_fd);
    free(p);
    list->count--;
}

bool JudgeChat(ListCliFd *list,ClientFd *cli_p, char *buf){
    if(strncmp(buf, "*chat ", 6) == 0){
        int chatnum = atoi(buf+6);
        ClientFd *p = list->head->next;
        while(p != NULL){
            if(chatnum == p->client_fd && p != cli_p){
                cli_p->chat = p;
                ssize_t send_ret = send(cli_p->client_fd,"connect\n", 8, 0);
                if (send_ret == -1) {
                    perror("send connect");
                }
                return 1;
            }
            p = p->next;
        }
        ssize_t send_ret = send(cli_p->client_fd,"Error\n",6,0);  // 添加换行符并修正长度
        if (send_ret == -1) {
            perror("send Error");
        }
    }else if(strcmp(buf,"*endchat\n") == 0){
        cli_p->chat = NULL;
    }
    return 0;
}

int Broadcast(ListCliFd *list, ClientFd *cli_p, ClientFd *ignore_p, char* buf){
    if(cli_p != NULL){
        ssize_t ret = recv(cli_p->client_fd, buf, sizeof(buf) - 1, 0);
        if(ret <= 0) {
            if (ret == -1) {
                perror("recv");
            }
            PrintfTime();
            printf("Client %d disconnected unexpectedly\n", cli_p->client_fd);
            DelCliSockfd(list, cli_p, prev, &monitorset, sockfd); // 假设 prev 和 monitorset 等变量可见
            memset(buf, 0, sizeof(buf));  
            return ret;
        }
        PrintfTime();
        printf("Client %d send: %s\n", cli_p->client_fd, buf);

        if(JudgeChat(list,cli_p,buf)){
            return 1;
        }
    }

    char msg[1060]={0};
    ClientFd *p = list->head->next;
    while(p != NULL){
        memset(msg,0,sizeof(msg));
        if(p == ignore_p){
            continue;
        }
        if(p != cli_p){
            if(cli_p == NULL){
                snprintf(msg, sizeof(msg), "Server message:\n%s", buf);
            }else{
                snprintf(msg, sizeof(msg), "Client %d message:\n%s", cli_p->client_fd, buf);
            }
            ssize_t send_ret = send(p->client_fd, msg, strlen(msg), 0); 
            if (send_ret == -1) {
                perror("send");
                PrintfTime();
                printf("Client %d disconnected while sending message\n", p->client_fd);
                DelCliSockfd(list, p, prev, &monitorset, sockfd); // 假设 prev 和 monitorset 等变量可见
            }
        }
        p = p->next;
    }
    //服务端接受消息并转发
    return strlen(buf);
}

//接收客户端的链接信号
void AcceptClient(int sockfd, ListCliFd *list, fd_set *monitorset){
    struct sockaddr_in client_addr;  //获取客户的地址信息
    socklen_t size = sizeof(client_addr);
    int new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &size);
    ERROR_CHECK(new_fd, -1, "error accept");

    AddCliSockfd(list, new_fd);
    FD_SET(new_fd, monitorset);

    PrintfTime();
    printf("Client %d connected, the number of clients is %d\n", new_fd, list->count);
    char clientsnum[1024]={0};
    sprintf(clientsnum, "Client %d connected, the number of clients is %d\n if you send no message, you will be disconnected after thirty seconds\n", new_fd,list->count);
    Broadcast(list, NULL, NULL, clientsnum);
}

int main(int argc, char *argv[]){
    ARGS_CHECK(argc, 3);
    int sockfd = ReadyFun(argv[1], argv[2]);
    //空头结点，方便增加和删除
    ListCliFd *list = (ListCliFd* )calloc(1, sizeof(ListCliFd));
    list->head = (ClientFd* )calloc(1, sizeof(ClientFd));
    list->tail = list->head;
    list->maxfd = sockfd;

    fd_set monitorset;
    fd_set readyset;
    FD_ZERO(&monitorset);
    FD_SET(sockfd, &monitorset);
    FD_SET(STDIN_FILENO, &monitorset);
    
    char buf[1024];
    while(1){
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        memcpy(&readyset, &monitorset, sizeof(fd_set));
        struct timeval timeout;
        timeout.tv_sec = 1;
        timeout.tv_usec = 0;
        select(list->maxfd + 1, &readyset, NULL, NULL, &timeout);
        
        //接收客户端
        if(FD_ISSET(sockfd, &readyset)){
            AcceptClient(sockfd,list, &monitorset);
        }
        
        //接收客户端信息
        ClientFd *p = list->head->next;
        ClientFd *prev = list->head;
        while(p != NULL){
            ClientFd *next_p = p->next;
            // 检查超时
            if(time(NULL) - p->sec > 30) {
                PrintfTime();
                printf("Client %d timeout\n", p->client_fd);
                sprintf(buf, "Client %d timeout and disconnected\n", p->client_fd);
                Broadcast(list, NULL, NULL, buf);
                memset(buf, 0, sizeof(buf));  // 使用sizeof确保安全
                if (prev != NULL) {
                    DelCliSockfd(list, p, prev, &monitorset);
                }
            } else if(FD_ISSET(p->client_fd, &readyset)){

                //广播消息
                p->sec = time(NULL);
                int ret = 0;
                if(p->chat != NULL){
                    PrintfTime();
                    printf("chat with client%d\n",p->chat->client_fd);
                    ret = recv(p->client_fd,buf,sizeof(buf),0);

                    if(JudgeChat(list, p, buf)){
                        continue;
                    }

                    char chat_msg[1050]={0};
                    sprintf(chat_msg, "Client %d chat message:\n%s", p->client_fd, buf);
                    PrintfTime();
                    printf("%s",chat_msg);
                    if (p->chat != NULL && p->chat->client_fd > 0) {
                        ssize_t send_ret = send(p->chat->client_fd, chat_msg, strlen(chat_msg), 0);
                        if (send_ret == -1) {
                            perror("send chat message");
                        }
                    }
                }else{
                    ret = Broadcast(list, p, NULL, buf);
                }
                if(ret <= 0||strcmp(buf, "exit\n")==0){

                    PrintfTime();
                    printf("Client %d exit by himself\n", p->client_fd);
                    sprintf(buf, "Client %d exit and disconnected, the number of clients is %d\n",p->client_fd,list->count-1);
                    Broadcast(list, NULL, NULL, buf);
                    DelCliSockfd(list, p, prev, &monitorset);
                }else{
                    prev = p;
                }

            }else{
                prev = p;
            } //退出情况下前指针不变
            p = next_p;
        }
        
        //广播发送信息
        if(FD_ISSET(STDIN_FILENO, &readyset)){
            int ret = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
            ERROR_CHECK(ret, -1, "read");
            Broadcast(list, NULL, NULL, buf);
            memset(buf, 0, sizeof(buf));  // 使用sizeof确保安全
        }
    }

    // 释放链表资源
    ClientFd *current = list->head;
    while(current != NULL) {
        ClientFd *next = current->next;
        free(current);
        current = next;
    }

    free(list);
    close(sockfd);
    return 0;
}