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C++利用libcurl庫實現(xiàn)多線程文件下載

 更新時間：2024年01月08日 08:27:58   作者：曾格愛自研  
這篇文章主要為大家詳細介紹了C++如何利用libcurl庫實現(xiàn)多線程文件下載,文章的示例代碼講解詳細,具有一定的借鑒價值,有需要的小伙伴可以參考下

可以平時在linux上當作自己的一個小小的下載器

linux環(huán)境準備

1.在項目目錄下新建:

  • build 目錄： 用來編譯
  • src目錄：用來編寫源碼（本例比較簡單，就沒建了）

2.在build目錄下新建CMakeLists.txt，寫入以下內(nèi)容

cmake_minimum_required(VERSION 3.3)
project(ThreadDownLoad)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)

# 這里要寫../main.cpp，因為需要在構(gòu)建目錄下make，可執(zhí)行文件要填相對構(gòu)建目錄的路徑
add_executable(ThreadDownLoad ../main.cpp)

3.Cmake生成Makefile等文件

Cmake . -B ./build

4.完成main.cpp，進行make

注意可執(zhí)行文件設(shè)置，因為需要在構(gòu)建目錄下make，可執(zhí)行文件要填相對構(gòu)建目錄的路徑

多線程文件下載

實現(xiàn)功能：

網(wǎng)絡(luò)文件下載：libcurl庫，設(shè)置文件寫入函數(shù)，以及下載進度回調(diào)函數(shù)

多文件下載：先獲取服務(wù)器文件大小，將文件分段平均分配給子線程下載

慎用mmap，雖然它能較少磁盤IO,但是它只能進行整個文件的映射，可能會造成內(nèi)存不足

斷點續(xù)傳：注冊信號（如中斷信號），信號發(fā)生時，將子線程的下載range存入文件

文件下載方式

mmap內(nèi)存映射

  • 先向服務(wù)器發(fā)送請求，獲取文件大小fileLen，創(chuàng)建文件，將其指針移動到fileLen，寫入數(shù)據(jù)1
  • 類似迅雷下載預(yù)先分配大小）,將其mmap映射到內(nèi)存，然后再發(fā)請求進行下載

fwrite直接寫文件

這里選擇第二種

mmap實現(xiàn)內(nèi)存映射原理：

  • 調(diào)用mmap函數(shù)時，系統(tǒng)會為這個文件在進程的地址空間中分配一塊虛擬內(nèi)存區(qū)域，這個區(qū)域的大小通常是文件大小的整數(shù)倍。
  • 系統(tǒng)會將文件的內(nèi)容讀入內(nèi)存中，并將這個虛擬內(nèi)存區(qū)域與文件建立映射關(guān)系，使得進程可以通過對這個虛擬內(nèi)存區(qū)域的訪問來訪問文件的內(nèi)容。
  • 進程對這個虛擬內(nèi)存區(qū)域的訪問會被轉(zhuǎn)換為對文件的讀寫操作，這些操作會被操作系統(tǒng)自動同步到磁盤上，從而保證文件內(nèi)容的一致性。
  • 當進程不再需要這個虛擬內(nèi)存區(qū)域時，可以調(diào)用munmap函數(shù)來釋放這個區(qū)域，這個區(qū)域的內(nèi)容也會被自動同步到磁盤上。

mmap實現(xiàn)進程貢獻原理：（mmap不是在進程內(nèi)分配虛擬內(nèi)存嗎，怎么實現(xiàn)進程的共享內(nèi)存呢？）

  • 使用共享文件：進程A和進程B都打開同一個文件，并使用mmap將這個文件映射到自己的虛擬內(nèi)存中。這樣，進程A和進程B就可以通過對這個虛擬內(nèi)存區(qū)域的訪問來實現(xiàn)共享內(nèi)存。當一個進程修改了這個虛擬內(nèi)存區(qū)域的內(nèi)容時，操作系統(tǒng)會自動同步到磁盤上，從而保證數(shù)據(jù)的一致性。
  • 使用匿名映射：進程A和進程B都使用mmap函數(shù)創(chuàng)建一個匿名映射區(qū)域，并將這個區(qū)域映射到自己的虛擬內(nèi)存中。這樣，進程A和進程B就可以通過對這個虛擬內(nèi)存區(qū)域的訪問來實現(xiàn)共享內(nèi)存。當一個進程修改了這個虛擬內(nèi)存區(qū)域的內(nèi)容時，操作系統(tǒng)會自動同步到物理內(nèi)存中，從而保證數(shù)據(jù)的一致性。

加鎖控制：

  • 無論是使用共享文件還是匿名映射，進程間共享內(nèi)存的原理都是一樣的，即通過將同一個物理內(nèi)存區(qū)域映射到多個進程的虛擬內(nèi)存中來實現(xiàn)共享。 =》 核心原理
  • 由于多個進程可以同時訪問這個物理內(nèi)存區(qū)域，因此需要使用同步機制來保證數(shù)據(jù)的一致性。常用的同步機制包括信號量、互斥鎖、讀寫鎖等。

多線程下載

首先，開啟10個（根據(jù)文件大小和機器性能確定）線程，然后為每個子線程創(chuàng)建一個fileInfo實例，構(gòu)成一個fileInfo指針數(shù)組傳給每個線程（方便子線程打印下載進度）

struct fileInfo {
    const char *url;   // 服務(wù)器下載路徑
    char *fileptr;     // 共享內(nèi)存指針
    int offset; //  start
    int end;   // end
    pthread_t thid;
    double download; // 當前線程下載量
    double totalDownload;  // 所有線程總下載量
    FILE *recordfile;     // 文件句柄
};

開啟線程下載：

int download(const char *url, const char *filename) {
    // 1. 先向服務(wù)器發(fā)送請求，獲取文件大小，創(chuàng)建本地文件（迅雷下載預(yù)先分配大?。?，然后再發(fā)一次請求進行下載
    // 文件下載兩種思路：fwrite直接寫文件；預(yù)先創(chuàng)建文件通過mmap內(nèi)存映射；這里選第二種
    long fileLength = getDownloadFileLength(url);
    printf("downloadFileLength: %ld\n", fileLength);

    // write
    int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR); //
    if (fd == -1) {
        return -1;
    }
    // 移動文件指針，使得預(yù)創(chuàng)建的文件和服務(wù)器的文件一樣大（在最后寫一個1）
    if (-1 == lseek(fd, fileLength-1, SEEK_SET)) {
        perror("lseek");
        close(fd);
        return -1;
    }
    if (1 != write(fd, "", 1)) {
        perror("write");
        close(fd);
        return -1;
    }
    
    // 2. 將文件映射到內(nèi)存
    char *fileptr = (char *)mmap(NULL, fileLength, PROT_READ| PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (fileptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        close(fd);
        return -1;
    }
    FILE *fp = fopen("a.txt", "r");

    // thread arg
    int i = 0;
    long partSize = fileLength / THREAD_NUM;
    struct fileInfo *info[THREAD_NUM+1] = {NULL};

    // 3.創(chuàng)建多個線程，每個線程一個文件下載器
    for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {

        info[i] = (struct fileInfo*)malloc(sizeof(struct fileInfo));
        memset(info[i], 0, sizeof(struct fileInfo));

        // 多個線程將文件分塊下載
        info[i]->offset = i * partSize;
        if (i < THREAD_NUM) {
            info[i]->end = (i+1) * partSize - 1;
        } else {
            info[i]->end = fileLength - 1;
        }
        info[i]->fileptr = fileptr;   // 內(nèi)存映射（多線程共享內(nèi)存）
        info[i]->url = url;
        info[i]->download = 0;
        info[i]->recordfile = fp;
    }
    pInfoTable = info;

    //pthread_t thid[THREAD_NUM+1] = {0};
    for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {
        pthread_create(&(info[i]->thid), NULL, worker, info[i]);  // 將要傳給worker的文件信息封裝成一個結(jié)構(gòu)體
        usleep(1);
    }
    // 等到子線程都退出，子線程才退出
    for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {
        pthread_join(info[i]->thid, NULL);
    }
    // 釋放資源
    for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {
        free(info[i]);
    }
    if (fp)
        fclose(fp);
    munmap(fileptr, fileLength);
    close(fd);
    return 0;
}

子線程利用curl庫下載

子線程實現(xiàn)邏輯: 文件寫入回調(diào)與進度回調(diào)

void *worker(void *arg) {

    struct fileInfo *info = (struct fileInfo*)arg;

    char range[64] = {0};

    // mutex_lock
    if (info->recordfile) {
        // 用于斷點續(xù)傳，從文件中讀取range
        fscanf(info->recordfile, "%d-%d", &info->offset, &info->end);
    }
    // mutex_unlock
    if (info->offset > info->end) return NULL;

    snprintf(range, 64, "%d-%d", info->offset, info->end);

    CURL *curl = curl_easy_init();
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_URL, info->url); // url
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEFUNCTION, writeFunc); // 文件下載函數(shù)，libcurl在寫入時執(zhí)行
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEDATA, info);          // 寫入回調(diào)傳參
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_NOPROGRESS, 0L); // progress  =》 沒有下載進度為0
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_PROGRESSFUNCTION, progressFunc);   // 回調(diào)函數(shù)：libcurl發(fā)起請求時調(diào)用
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_PROGRESSDATA, info);         // 進度回調(diào)函數(shù)傳參
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_RANGE, range);  // 控制從服務(wù)器文件的下載范圍
    // http range
    CURLcode res = curl_easy_perform(curl);
    if (res != CURLE_OK) {
        printf("res %d\n", res);
    }
    curl_easy_cleanup(curl);

    return NULL;
}

文件寫入：將服務(wù)器傳回的n塊文件寫入共享內(nèi)存,這里不需要加鎖，每個進程寫入的共享內(nèi)存地址不一樣

// 寫入回調(diào)：ptr 參數(shù)是接收到的數(shù)據(jù)的指針；size 參數(shù)是每個數(shù)據(jù)塊的大?。籱emb 參數(shù)是數(shù)據(jù)塊的數(shù)量
size_t writeFunc(void *ptr, size_t size, size_t memb, void *userdata) {

    struct fileInfo *info = (struct fileInfo *)userdata;
    printf("writeFunc\n");

    memcpy(info->fileptr + info->offset, ptr, size * memb);
    info->offset += size * memb;

    return size * memb;
}

進度回調(diào)：子進程打印文件的當前下載進度

// 進度回調(diào)
int progressFunc(void *userdata, double totalDownload, double nowDownload, double totalUpload, double nowUpload) {
    printf("progressFunc\n");
    int percent = 0;
    static int print = 1;
    struct fileInfo *info = (struct fileInfo*)userdata;
    info->download = nowDownload;
    info->totalDownload = totalDownload;
    // save

    if (totalDownload > 0) {

        int i = 0;
        double allDownload = 0;
        double total = 0;

        for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {
            allDownload += pInfoTable[i]->download;
            total += pInfoTable[i]->totalDownload;
        }

        percent = (int)(allDownload / total * 100);
    }

    if (percent == print) {
        printf("threadid: %ld, percent: %d%%\n", info->thid, percent);
        print += 1;
    }

    return 0;
}

斷點續(xù)傳

注冊一個信號（如中斷信號），當信號發(fā)生時，在文件中記錄每個線程的下一次下載range,下一次子線程下載時，下載文件中的range部分即可

// 當收到中斷信號后，記錄每個線程的下載進度
void signal_handler(int signum) {

    printf("signum: %d\n", signum);

    int fd = open("a.txt",  O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);
    if (fd == -1) {
        exit(1);
    }

    int i = 0;
    for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {
        char range[64] = {0};
        snprintf(range, 64, "%d-%d\r\n", pInfoTable[i]->offset, pInfoTable[i]->end);
        write(fd, range, strlen(range));
    }
    close(fd);
    exit(1);
}

源碼

// gcc -o multi_download multi_download.c -lcurl

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <curl/curl.h>
#include <fcntl.h>
// 需要在linux上使用
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>

// fork();

struct fileInfo {
    const char *url;   // 服務(wù)器下載路徑
    char *fileptr;     // 共享內(nèi)存指針
    int offset; //  start
    int end;   // end
    pthread_t thid;
    double download; // 當前線程下載量
    double totalDownload;  // 所有線程總下載量
    FILE *recordfile;     // 文件句柄
};

#define THREAD_NUM    10

struct fileInfo **pInfoTable;   // 二級指針=>指針數(shù)組
double downloadFileLength = 0;

// 寫入回調(diào)：ptr 參數(shù)是接收到的數(shù)據(jù)的指針；size 參數(shù)是每個數(shù)據(jù)塊的大?。籱emb 參數(shù)是數(shù)據(jù)塊的數(shù)量
size_t writeFunc(void *ptr, size_t size, size_t memb, void *userdata) {

    struct fileInfo *info = (struct fileInfo *)userdata;
    printf("writeFunc\n");

    memcpy(info->fileptr + info->offset, ptr, size * memb);
    info->offset += size * memb;

    return size * memb;
}

// 進度回調(diào)
int progressFunc(void *userdata, double totalDownload, double nowDownload, double totalUpload, double nowUpload) {
    printf("progressFunc\n");
    int percent = 0;
    static int print = 1;
    struct fileInfo *info = (struct fileInfo*)userdata;
    info->download = nowDownload;
    info->totalDownload = totalDownload;
    // save

    if (totalDownload > 0) {

        int i = 0;
        double allDownload = 0;
        double total = 0;

        for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {
            allDownload += pInfoTable[i]->download;
            total += pInfoTable[i]->totalDownload;
        }

        percent = (int)(allDownload / total * 100);
    }

    if (percent == print) {
        printf("threadid: %ld, percent: %d%%\n", info->thid, percent);
        print += 1;
    }

    return 0;
}

//
double getDownloadFileLength(const char *url) {

    CURL *curl = curl_easy_init();

    printf("url: %s\n", url);
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_URL, url);
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_USERAGENT, "Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/115.0.0.0 Safari/537.36");
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_HEADER, 1);
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_NOBODY, 1);

    CURLcode res = curl_easy_perform(curl);
    if (res == CURLE_OK) {
        printf("downloadFileLength success\n");
        curl_easy_getinfo(curl, CURLINFO_CONTENT_LENGTH_DOWNLOAD, &downloadFileLength);
    } else {
        printf("downloadFileLength error\n");
        downloadFileLength = -1;
    }
    curl_easy_cleanup(curl);

    return downloadFileLength;
}

int recordnum = 0;

void *worker(void *arg) {

    struct fileInfo *info = (struct fileInfo*)arg;

    char range[64] = {0};

    // mutex_lock
    if (info->recordfile) {
        // 用于斷點續(xù)傳，從文件中讀取range
        fscanf(info->recordfile, "%d-%d", &info->offset, &info->end);
    }
    // mutex_unlock
    if (info->offset > info->end) return NULL;

    snprintf(range, 64, "%d-%d", info->offset, info->end);

    CURL *curl = curl_easy_init();
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_URL, info->url); // url
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEFUNCTION, writeFunc); // 文件下載函數(shù)，libcurl在寫入時執(zhí)行
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEDATA, info);          // 寫入回調(diào)傳參
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_NOPROGRESS, 0L); // progress  =》 沒有下載進度為0
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_PROGRESSFUNCTION, progressFunc);   // 回調(diào)函數(shù)：libcurl發(fā)起請求時調(diào)用
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_PROGRESSDATA, info);         // 進度回調(diào)函數(shù)傳參
    curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_RANGE, range);  // 控制從服務(wù)器文件的下載范圍
    // http range
    CURLcode res = curl_easy_perform(curl);
    if (res != CURLE_OK) {
        printf("res %d\n", res);
    }
    curl_easy_cleanup(curl);

    return NULL;
}


// https://releases.ubuntu.com/22.04/ubuntu-22.04.2-live-server-amd64.iso.zsync
// ubuntu.zsync.backup
int download(const char *url, const char *filename) {
    // 1. 先向服務(wù)器發(fā)送請求，獲取文件大小，創(chuàng)建本地文件（迅雷下載預(yù)先分配大?。?，然后再發(fā)一次請求進行下載
    // 文件下載兩種思路：fwrite直接寫文件；預(yù)先創(chuàng)建文件通過mmap內(nèi)存映射；這里選第二種
    long fileLength = getDownloadFileLength(url);
    printf("downloadFileLength: %ld\n", fileLength);

    // write
    int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR); //
    if (fd == -1) {
        return -1;
    }
    // 移動文件指針，使得預(yù)創(chuàng)建的文件和服務(wù)器的文件一樣大（在最后寫一個1）
    if (-1 == lseek(fd, fileLength-1, SEEK_SET)) {
        perror("lseek");
        close(fd);
        return -1;
    }
    if (1 != write(fd, "", 1)) {
        perror("write");
        close(fd);
        return -1;
    }

    // 2. 將文件映射到內(nèi)存
    char *fileptr = (char *)mmap(NULL, fileLength, PROT_READ| PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (fileptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        close(fd);
        return -1;
    }
    FILE *fp = fopen("a.txt", "r");

    // thread arg
    int i = 0;
    long partSize = fileLength / THREAD_NUM;
    struct fileInfo *info[THREAD_NUM+1] = {NULL};

    // 3.創(chuàng)建多個線程，每個線程一個文件下載器
    for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {

        info[i] = (struct fileInfo*)malloc(sizeof(struct fileInfo));
        memset(info[i], 0, sizeof(struct fileInfo));

        // 多個線程將文件分塊下載
        info[i]->offset = i * partSize;
        if (i < THREAD_NUM) {
            info[i]->end = (i+1) * partSize - 1;
        } else {
            info[i]->end = fileLength - 1;
        }
        info[i]->fileptr = fileptr;   // 內(nèi)存映射（多線程共享內(nèi)存）
        info[i]->url = url;
        info[i]->download = 0;
        info[i]->recordfile = fp;
    }
    pInfoTable = info;

    //pthread_t thid[THREAD_NUM+1] = {0};
    for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {
        pthread_create(&(info[i]->thid), NULL, worker, info[i]);  // 將要傳給worker的文件信息封裝成一個結(jié)構(gòu)體
        usleep(1);
    }
    // 等到子線程都退出，子線程才退出
    for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {
        pthread_join(info[i]->thid, NULL);
    }
    // 釋放資源
    for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {
        free(info[i]);
    }

    if (fp)
        fclose(fp);

    munmap(fileptr, fileLength);
    close(fd);
    return 0;
}

// 當收到中斷信號后，記錄每個線程的下載進度
void signal_handler(int signum) {

    printf("signum: %d\n", signum);

    int fd = open("a.txt",  O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);
    if (fd == -1) {
        exit(1);
    }

    int i = 0;
    for (i = 0;i <= THREAD_NUM;i ++) {
        char range[64] = {0};
        snprintf(range, 64, "%d-%d\r\n", pInfoTable[i]->offset, pInfoTable[i]->end);
        write(fd, range, strlen(range));
    }
    close(fd);
    exit(1);
}

//
#if 1
// 2G:  ./ThreadDownLoad https://releases.ubuntu.com/22.04/ubuntu-22.04.3-live-server-amd64.iso ubuntu.zenger
// 11M: ./ThreadDownLoad https://releases.ubuntu.com/22.04/ubuntu-22.04.3-desktop-amd64.iso.zsync ubuntu.zenger
int main(int argc, const char *argv[]) {
    if (argc != 3) {
        printf("arg error\n");
        return -1;
    }

    if (SIG_ERR == signal(SIGINT, signal_handler)) {
        perror("signal");
        return -1;
    }

    return download(argv[1], argv[2]);

}
#endif

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