深入测量：使用C语言编写TCP服务器性能测试程序

引言

介绍背景

在当今的数字时代，网络应用和服务的性能直接影响到用户体验和业务的成功。一个核心性能指标就是服务器的每秒查询数（QPS），它衡量服务器在一秒内成功响应的查询请求数量。一个高QPS意味着服务器能够迅速、有效地处理大量请求，从而保障了服务的高可用性和响应性。因此，对于开发和运维团队而言，定期测试和优化服务器的QPS性能是确保服务质量和用户满意度的关键。

目的

本篇博客的目的是通过一个用C语言编写的简单程序，展示如何对TCP服务器进行QPS性能测试。通过这个实践案例，读者将学习到如何在实际开发中应用网络编程知识，以及如何设计和执行性能测试，从而提升自己的技术栈。

理论基础

TCP/IP协议简介

TCP/IP协议是互联网的基础，它规定了数据如何在网络中传输。TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP连接的建立经历“三次握手”过程：首先客户端发送一个带SYN标志的数据包给服务器以建立连接；服务器接收到后回送一个带有SYN/ACK标志的数据包以确认连接；最后，客户端再发送一个ACK标志的数据包，完成连接建立。

QPS的定义及意义

QPS（每秒查询数）是衡量服务器处理能力的一个重要指标，它反映了服务器在一秒内能够响应的请求数量。在性能测试中，QPS用于评估服务器的处理速度和稳定性，是优化服务器配置、提升用户体验的重要依据。

程序设计

程序结构解析

我们将自己编写一个测试程序，运行参数设置为：
-s ：连接测试的ip地址
-p ：端口号
-t ：线程数量
-c ：每个线程连接数
-n ：需要发起的连接请求数
test_context_t结构体是本程序的核心数据结构，用于存储测试配置参数，包括服务器的IP地址、端口号、线程数量、连接数和请求数等。通过这个结构体，程序能够根据不同的测试需求灵活调整，实现定制化的性能测试。

核心函数详解

• connect_tcpserver：此函数演示如何使用C语言的socket编程接口建立与TCP服务器的连接。它处理了连接过程中可能遇到的错误，并在连接失败时提供了错误信息，是网络编程中的基础知识应用。

• send_recv_tcppkt：该函数负责构造测试消息，通过建立的TCP连接发送给服务器，并接收服务器的响应。它展示了如何在C语言中进行网络IO操作，以及如何验证接收到的响应数据与发送的数据是否一致，是理解网络数据传输原理的实践案例。

• test_qps_entry：作为线程的入口点，此函数封装了连接建立、消息发送接收和结果验证的整个流程。它体现了并发测试的实现方式，即通过多线程模拟多个客户端同时对服务器发起请求，从而测试服务器在并发情况下的性能。

-详细代码放在最后！

并发控制

通过pthread库创建多线程是本程序实现并发测试的关键。文章将详细讨论如何使用pthread_create创建线程、pthread_join等待线程结束，以及如何通过线程间的协作和同步来模拟真实的并发环境。这不仅是网络性能测试的常用方法，也是学习多线程编程的好例子。

通过这样

详细的介绍和分析，读者不仅可以理解TCP服务器QPS性能测试的实现，还能深入学习C语言的网络编程和多线程编程技巧，为进一步掌握网络应用开发和性能优化打下坚实的基础。

编码实践

注意事项

• 错误处理：在网络编程中，错误处理至关重要。应该对所有可能失败的系统调用（如socket、connect、send、recv等）进行检查，并处理错误情况。这不仅帮助开发者理解问题所在，还能增强程序的稳健性和可用性。
• 内存管理：正确的内存管理是避免内存泄露和段错误的关键。当使用如malloc分配内存时，应确保在不再需要时使用free释放内存。此外，使用栈内存（如局部变量）时，注意避免溢出。
• 网络编程的最佳实践：保持代码的可读性和可维护性。使用清晰的变量名，避免冗长的函数，合理地组织代码结构。同时，了解并使用系统调用的非阻塞版本，可以提高程序的性能和响应性。

代码中的特定技巧

• 宏定义TIME_SUB_MS的使用：通过宏定义实现的时间差计算不仅代码更简洁，而且提高了代码的复用性。它演示了宏的强大能力，特别是在执行频繁的操作如时间差计算时，能有效地减少代码量和提高执行效率。
• 避免硬编码和魔法数字：程序中应使用宏定义或常量替代直接在代码中硬编码的数字和字符串，这样做增加了代码的可读性和可维护性。例如，端口号、缓冲区大小等，都应定义为常量或宏，而不是直接在代码中使用数字。

测试与分析

测试环境搭建

• TCP服务器设置：首先，需要搭建一个TCP服务器，以便程序可以连接并发送请求。可以使用现有的服务器软件，或者简单编写一个监听特定端口的TCP服务器。确保服务器配置能够处理高并发的连接和请求。
  - 可以参考探索Linux下高性能异步I/O：用liburing实现的Echo服务器这篇文章，自己动手实现服务器，然后用本篇文章介绍的测试程序去测试，会有更深刻的认识！
• 网络环境：测试的网络环境也很重要。确保测试机和服务器之间的网络稳定，且带宽足够。网络不稳定或延迟高将直接影响测试结果的准确性。

运行程序

• 编译程序：使用C语言编译器（如gcc）编译源代码。例如，使用命令gcc -o test_qps test_qps.c -lpthread来编译程序，并链接pthread库。
• 使用命令行参数配置测试：运行程序时，通过命令行参数指定服务器地址、端口、线程数等。确保理解每个参数的含义，以便根据测试需求进行调整。

结果解读

• 测试结果示例：程序运行结束后，将输出测试的总体结果，包括成功的请求数、失败的请求数、总耗时和计算出的QPS值。
• 计算QPS：QPS = 成功的请求数 / 总耗时（秒）。高QPS值表示服务器能够在单位时间内处理更多的请求，反映了服务器的高性能。
• 成功与失败的请求比例：注意观察失败请求的比例，如果失败率高，则需要检查服务器配置或程序中的错误处理逻辑。低失败率与高QPS共同标志着服务器的高效率和稳定性。

代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#include <sys/time.h>
#include <pthread.h>
#include <arpa/inet.h>


typedef struct test_context_s {
   

	char serverip[16];
	int port;
	int threadnum;
	int connection;
	int requestion;

#if 1
	int failed;
#endif