多进程服务器
1、进程概念及应用
我们知道，监听套接字会有一个等待队列，里面存放着不同客户端的连接请求，如果有一百个客户端，每个客户端的请求处理是0.5s，第一个客户端当然不会不满，但第一百个客户端就会有相当大的意见了。为了要使得所有客户端都尽可能的满意，我们应采用并发服务端，使其同时向所有发起请求的客户端提供服务。而且，网络程序中数据通信时间比CPU运算时间占比更大，因此，向多个客户端提供服务是一种有效利用CPU的方式。接下来讨论同时向多个客户端提供服务的并发服务端，下面提出具有代表性的并发服务端实现模型和方法：
- 多进程服务器：通过创建多个进程提供服务
- 多路复用服务器：通过捆绑并统一管理I/O对象提供服务
- 多线程服务器：通过生成与客户端等量的线程提供服务
先来简单理解下进程：我们打开电脑一般不会只做一件事，比方单纯的浏览网站，单纯的聊天。一般我们都是几件事轮流切换着做，我们会在浏览网页时打开音乐播放器播放音乐，还会时不时回复下QQ消息。那么这里就牵扯到三个进程了，一个是浏览器进程，一个是播放器进程，还有一个是QQ进程。从操作系统的角度看，进程是程序流的基本单位，若创建多个进程，则操作系统将同时运行。有时一个程序运行过程中也会产生多个进程，像谷歌浏览器，打开一个tab页，实际上就是产生一个新的进程。接下来要创建的多进程服务器就是其中的代表，编写服务端前，先了解一下通过程序创建进程的方法。
CPU核的个数和进程数：拥有两个运算器的CPU称为双核CPU，拥有四个运算器的CPU称作四核CPU。也就是说，一个CPU可能包含多个运算器（核）。核的个数与可同时运行的进程数相同，相反，若进程数超过核数，进程将分时使用CPU资源。但因CPU运算速度极快，我们会感到所有进程同时运行，当然，核数越多，这种感觉越明显。
2、基于多任务的并发服务器
之前的回声服务端每次只能向一个客户端提供服务，现在，我们将扩展回声服务端，使其可以同时向多个客户端提供服务。图1-2给出了基于多进程的并发回声服务端的实现模型
从图1-2可以看出，每当客户端请求时，回声服务端都创建子进程以提供服务，请求服务的客户端若有五个，则将创建五个子进程提供服务。为了完成这个任务，需要经过如下过程：
- 第一阶段：回声服务端（父进程）通过调用accept函数受理连接请求
- 第二阶段：此时获取的套接字文件描述符创建并传递给子进程
- 第三阶段：子进程利用传递来的文件描述符提供服务
此处容易引起困惑的是向子进程传递套接字文件描述符的方法，其实没什么大不了的，子进程会复制父进程拥有的所有资源，实际上根本不用另外经过传递文件描述符的过程
echo_mpserv.c
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <signal.h> #include <sys/wait.h> #include <arpa/inet.h> #include <sys/socket.h> #define BUF_SIZE 30 void error_handling(char *message); void read_childproc(int sig); int main(int argc, char *argv[]) { int serv_sock, clnt_sock; struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr; pid_t pid; struct sigaction act; socklen_t adr_sz; int str_len, state; char buf[BUF_SIZE]; if (argc != 2) { printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]); exit(1); } act.sa_handler = read_childproc; sigemptyset(&act.sa_mask); act.sa_flags = 0; state = sigaction(SIGCHLD, &act, 0); serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr)); serv_adr.sin_family = AF_INET; serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1])); if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) error_handling("bind() error"); if (listen(serv_sock, 5) == -1) error_handling("listen() error"); while (1) { adr_sz = sizeof(clnt_adr); clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz); if (clnt_sock == -1) continue; else puts("new client connected..."); pid = fork(); if (pid == -1) { close(clnt_sock); continue; } if (pid == 0) { close(serv_sock); while ((str_len = read(clnt_sock, buf, BUF_SIZE)) != 0) write(clnt_sock, buf, str_len); close(clnt_sock); puts("client disconnected..."); return 0; } else close(clnt_sock); } close(serv_sock); return 0; } void read_childproc(int sig) { pid_t pid; int status; pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG); printf("removed proc id: %d \n", pid); } void error_handling(char *message) { fputs(message, stderr); fputc('\n', stderr); exit(1); }
- 第29~32行：为防止产生僵尸进程而编写的代码
- 第47、52行：第47行调用accept函数后，在第52行调用fork函数。因此，父子进程分别带有一个第47行生成的套接字（受理客户端连接请求时创建的）文件描述符
- 第58~66行：子进程运行的区域，此部分向客户端提供回声服务，第60行关闭第33行创建的服务端套接字，这是因为服务端套接字文件描述符同样也传递到子进程，这一点稍后单独讨论
- 第69行：第47行中通过accept函数创建的套接字文件描述符已复制给子进程，因此服务端需要销毁自己拥有的文件描述符，这一点稍后单独说明
编译echo_mpserv.c并运行
# gcc echo_mpserv.c -o echo_mpserv # ./echo_mpserv 8500 new client connected... new client connected... client disconnected... removed proc id: 7825 client disconnected... removed proc id: 7823
通过echo_client程序连接服务端例1
# ./echo_client 127.0.0.1 8500 Connected.......... Input message(Q to quit):Hello world! Message from server:Hello world! Input message(Q to quit):Hello Amy! Message from server:Hello Amy! Input message(Q to quit):Hello Tom! Message from server:Hello Tom! Input message(Q to quit):q
通过echo_client程序连接服务端例2
# ./echo_client 127.0.0.1 8500 Connected.......... Input message(Q to quit):Hello Java! Message from server:Hello Java! Input message(Q to quit):Hello Python! Message from server:Hello Python! Input message(Q to quit):Hello Golang! Message from server:Hello Golang! Input message(Q to quit):q
启动服务端后，要创建多个客户端连接，可以验证通过服务端同时向大多数客户端提供服务
3、通过fork函数复制文件描述符
示例echo_mpserv.c中给出了通过fork函数复制文件描述符的过程，父进程将两个套接字（一个是服务端套接字，另一个是与客户端连接的套接字）文件描述符复制给子进程。文件描述符的实际复制多少有些难以理解，调用fork函数时复制父进程的所有资源，有些人可能认为也会同时复制套接字，但套接字并非进程所有，从严格意义上来说，套接字属于操作系统资源，只是进程拥有代表相应套接字的文件描述符。
示例echo_mpserv.c中的fork函数调用过程如图1-3所示，调用fork函数后，两个文件描述符指向同一套接字
图1-3 调用fork函数并复制文件描述符
图1-3所示，一个套接字中存在两个文件描述符，只有两个文件描述符都销毁后，才能销毁套接字。如果维持图中的连接状态，即使子进程销毁了与客户端连接的套接字文件描述符，也无法完全销毁套接字（服务端套接字同理）。因此，调用fork函数后，要将无关紧要的套接字文件描述符关掉，如图1-4所示
图1-4 整理复制的文件描述符
4、分割I/O程序的优点
我们已经实现的回声客户端的数据回声方式为：向服务端传输数据，并等待服务端回复。无条件等待，直到接收完服务端的回声数据后，才能传输下一批数据。传输数据后需要等待服务端返回的数据，因为程序中重复调用了read和write函数，只能这么写的原因之一是：程序在一个进程运行，但现在可以创建多个进程，因此可以分割数据收发过程，默认分割模型如图1-5所示：
图1-5 回声客户端I/O分割模型
从1-5可以看出，客户端的父进程负责接收数据，额外创建的子进程负责发送数据。分割后，不同进程分别负责输入和输出，这样，无论客户端是否从服务端接收完数据都可以进程传输。选择这种实现方式的原因很多，但最重要的一点是，程序的实现更加简单，也许有人质疑：既然多产生一个进程，怎么能算简化程序呢？其实，按照这种实现方式，父进程只需编写接收数据的代码，子进程只需编写发送数据的代码，所以会简化。实际上，在一个进程内同时实现数据收发逻辑要考虑更多细节，程序会更复杂
分割I/O程序的另一个好处是，可以提高频繁交换数据的程序性能，如图1-6
图1-6 数据交换方法比较
图1-6左侧演示的是之前回声客户端数据交换方式，右侧演示的是分割I/O后的客户端数据传输方式。服务端相同，不同的是客户端区域。分割I/O后的客户端发送数据时不必考虑接收数据的情况，因此可以连续发送数据，由此提高同一时间内传输的数据量，这种差异在网速较慢时尤为明显
5、回声客户端的I/O程序分割
既然我们知道I/O程序分割的意义，接下来通过实际代码进行实现，分割的对象是回声客户端，下面回声客户端可以结合之前的回声服务端echo_mpserv.c运行
echo_mpclient.c
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <arpa/inet.h> #include <sys/socket.h> #define BUF_SIZE 30 void error_handling(char *message); void read_routine(int sock, char *buf); void write_routine(int sock, char *buf); int main(int argc, char *argv[]) { int sock; pid_t pid; char buf[BUF_SIZE]; struct sockaddr_in serv_adr; if (argc != 3) { printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]); exit(1); } sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr)); serv_adr.sin_family = AF_INET; serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) error_handling("connect() error!"); pid = fork(); if (pid == 0) write_routine(sock, buf); else read_routine(sock, buf); close(sock); return 0; } void read_routine(int sock, char *buf) { while (1) { int str_len = read(sock, buf, BUF_SIZE); if (str_len == 0) return; buf[str_len] = 0; printf("Message from server: %s", buf); } } void write_routine(int sock, char *buf) { while (1) { fgets(buf, BUF_SIZE, stdin); if (!strcmp(buf, "q\n") || !strcmp(buf, "Q\n")) { shutdown(sock, SHUT_WR); return; } write(sock, buf, strlen(buf)); } } void error_handling(char *message) { fputs(message, stderr); fputc('\n', stderr); exit(1); }
- 第34~37行：第35行调用的write_routine函数中只有数据传输相关代码，第37行调用的read_routine函数中只有数据输入相关代码。像这样分割I/O并分别在不同函数中定义，将有利于代码实现
- 第62行：调用shutdown函数向服务端传输EOF，当然，执行第63行的return语句后，可以调用第39行的close函数传递EOF，但现在已通过第33行的fork函数调用复制了文件描述符，此时无法通过一次close函数调用传递EOF，因此需要通过shutdown函数调用另外传递
启动服务端
# ./echo_mpserv 8500 new client connected... client disconnected... removed proc id: 7941
编译echo_mpclient.c并运行
# gcc echo_client.c -o echo_client # ./echo_mpclient 127.0.0.1 8500 Hello world! Message from server: Hello world! Hello Amy! Message from server: Hello Amy! Hello Tom! Message from server: Hello Tom! q
为了简化输出过程，与之前示例不同，不会输出提示字符串：“Input message(Q to quit):”。无论是否接收消息，每次通过键盘输入字符串都会输出前面的提示字符串，可能会造成输出混乱，所以上面示例就没在输出提示字符串。
浙公网安备 33010602011771号