基于linux下的高并发服务器开发（第四章）- 多进程实现并发服务器(回射服务器)

1. socket

// 套接字通信分两部分：

- 服务器端：被动接受连接，一般不会主动发起连接

- 客户端：主动向服务器发起连接

2.字节序转换函数

当格式化的数据在两台使用不同字节序的主机之间直接传递时，接收端必然错误的解释之。解决问题的方法是：发送端总是把要发送的数据转换成大端字节序数据后再发送，而接收端知道对方传送过来的数据总是采用大端字节序，所以接收端可以根据自身采用的字节序决定是否对接收到的数据进行转换（小端机转换，大端机不转换）。

网络字节顺序是 TCP/IP 中规定好的一种数据表示格式，它与具体的 CPU 类型、操作系统等无关，从而可以保证数据在不同主机之间传输时能够被正确解释，网络字节顺序采用大端排序方式。

BSD Socket提供了封装好的转换接口，方便程序员使用。包括从主机字节序到网络字节序的转换函数： htons、htonl；从网络字节序到主机字节序的转换函数：ntohs、ntohl。

h - host 主机，主机字节序
to - 转换成什么
n - network 网络字节序
s - short unsigned short
l - long unsigned int

#include <arpa/inet.h>
// 转换端口
uint16_t htons(uint16_t hostshort); // 主机字节序 - 网络字节序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort); // 主机字节序 - 网络字节序
// 转IP
uint32_t htonl(uint32_t hostlong); // 主机字节序 - 网络字节序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong); // 主机字节序 - 网络字节序

3. socket 地址

// socket地址其实是一个结构体，封装端口号和IP等信息。后面的socket相关的api中需要
// 使用到这个socket地址。
// 客户端 -> 服务器（IP, Port）

通用 socket 地址

socket 网络编程接口中表示 socket 地址的是结构体 sockaddr，其定义如下：

#include <bits/socket.h>
struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;
    char sa_data[14];
};
typedef unsigned short int sa_family_t;

sa_family 成员是地址族类型（sa_family_t）的变量。地址族类型通常与协议族类型对应。常见的协议族（protocol family，也称 domain）和对应的地址族入下所示：

宏 PF_* 和 AF_* 都定义在 bits/socket.h 头文件中，且后者与前者有完全相同的值，所以二者通常混用。

sa_data 成员用于存放 socket 地址值。但是，不同的协议族的地址值具有不同的含义和长度，如下所示：

由上表可知，14 字节的 sa_data 根本无法容纳多数协议族的地址值。因此，Linux 定义了下面这个新的通用的 socket 地址结构体，这个结构体不仅提供了足够大的空间用于存放地址值，而且是内存对齐的。

#include <bits/socket.h>
struct sockaddr_storage
{
    sa_family_t sa_family;
    unsigned long int __ss_align;
    char __ss_padding[ 128 - sizeof(__ss_align) ];
};
typedef unsigned short int sa_family_t;

专用 socket 地址

很多网络编程函数诞生早于 IPv4 协议，那时候都使用的是 struct sockaddr 结构体，为了向前兼容，现在sockaddr 退化成了（void *）的作用，传递一个地址给函数，至于这个函数是 sockaddr_in 还是 sockaddr_in6，由地址族确定，然后函数内部再强制类型转化为所需的地址类型。

UNIX 本地域协议族使用如下专用的 socket 地址结构体：

#include <sys/un.h>
struct sockaddr_un
{
    sa_family_t sin_family;
    char sun_path[108];
};

TCP/IP 协议族有 sockaddr_in 和 sockaddr_in6 两个专用的 socket 地址结构体，它们分别用于 IPv4 和 IPv6：

#include <netinet/in.h>
struct sockaddr_in
{
    sa_family_t sin_family; /* __SOCKADDR_COMMON(sin_) */
    in_port_t sin_port; /* Port number. */
    struct in_addr sin_addr; /* Internet address. */
    /* Pad to size of `struct sockaddr'. */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) - __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
                sizeof (in_port_t) - sizeof (struct in_addr)];
};
struct in_addr
{
    in_addr_t s_addr;
};
struct sockaddr_in6
{
    sa_family_t sin6_family;
    in_port_t sin6_port; /* Transport layer port # */
    uint32_t sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */
    struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6 address */
    uint32_t sin6_scope_id; /* IPv6 scope-id */
};
typedef unsigned short uint16_t;
typedef unsigned int uint32_t;
typedef uint16_t in_port_t;
typedef uint32_t in_addr_t;
#define __SOCKADDR_COMMON_SIZE (sizeof (unsigned short int))

所有专用 socket 地址（以及 sockaddr_storage）类型的变量在实际使用时都需要转化为通用 socket 地址类型 sockaddr（强制转化即可），因为所有 socket 编程接口使用的地址参数类型都是 sockaddr。

4. IP地址转换（字符串ip-整数，主机、网络字节序的转换）

通常，人们习惯用可读性好的字符串来表示 IP 地址，比如用点分十进制字符串表示 IPv4 地址，以及用十六进制字符串表示 IPv6 地址。但编程中我们需要先把它们转化为整数（二进制数）方能使用。而记录日志时则相反，我们要把整数表示的 IP 地址转化为可读的字符串。下面 3 个函数可用于用点分十进制字符串表示的 IPv4 地址和用网络字节序整数表示的 IPv4 地址之间的转换：

#include <arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

下面这对更新的函数也能完成前面 3 个函数同样的功能，并且它们同时适用 IPv4 地址和 IPv6 地址：

#include <arpa/inet.h>
// p:点分十进制的IP字符串，n:表示network，网络字节序的整数
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
    af:地址族： AF_INET AF_INET6
    src:需要转换的点分十进制的IP字符串
    dst:转换后的结果保存在这个里面

// 将网络字节序的整数，转换成点分十进制的IP地址字符串
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
    af:地址族： AF_INET AF_INET6
    src: 要转换的ip的整数的地址
    dst: 转换成IP地址字符串保存的地方
    size：第三个参数的大小（数组的大小）
    返回值：返回转换后的数据的地址（字符串），和 dst 是一样的

5. TCP通信流程

// TCP 和 UDP -> 传输层的协议
UDP:用户数据报协议，面向无连接，可以单播，多播，广播， 面向数据报，不可靠
TCP:传输控制协议，面向连接的，可靠的，基于字节流，仅支持单播传输


                   UDP                                     TCP
是否创建连接       无连接                                  面向连接
是否可靠           不可靠                                   可靠的
连接的对象个数   一对一、一对多、多对一、多对多              支持一对一
传输的方式         面向数据报                              面向字节流
首部开销           8个字节                               最少20个字节
适用场景        实时应用（视频会议，直播）           可靠性高的应用（文件传输）

// TCP 通信的流程
// 服务器端 （被动接受连接的角色）
1. 创建一个用于监听的套接字
    - 监听：监听有客户端的连接
    - 套接字：这个套接字其实就是一个文件描述符
2. 将这个监听文件描述符和本地的IP和端口绑定（IP和端口就是服务器的地址信息）
    - 客户端连接服务器的时候使用的就是这个IP和端口
3. 设置监听，监听的fd开始工作
4. 阻塞等待，当有客户端发起连接，解除阻塞，接受客户端的连接，会得到一个和客户端通信的套接字
（fd）
5. 通信
    - 接收数据
    - 发送数据
6. 通信结束，断开连接

// 客户端
1. 创建一个用于通信的套接字（fd）
2. 连接服务器，需要指定连接的服务器的 IP 和 端口
3. 连接成功了，客户端可以直接和服务器通信
    - 接收数据
    - 发送数据
4. 通信结束，断开连接

6. 套接字函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h> // 包含了这个头文件，上面两个就可以省略
int socket(int domain, int type, int protocol);
    - 功能：创建一个套接字
    - 参数：
        - domain: 协议族
            AF_INET : ipv4
            AF_INET6 : ipv6
            AF_UNIX, AF_LOCAL : 本地套接字通信（进程间通信）
        - type: 通信过程中使用的协议类型
            SOCK_STREAM : 流式协议
            SOCK_DGRAM : 报式协议
    - protocol : 具体的一个协议。一般写0
            - SOCK_STREAM : 流式协议默认使用 TCP
            - SOCK_DGRAM : 报式协议默认使用 UDP
    - 返回值：
        - 成功：返回文件描述符，操作的就是内核缓冲区。
        - 失败：-1

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); // socket命
名
	- 功能：绑定，将fd 和本地的IP + 端口进行绑定
	- 参数：
		- sockfd : 通过socket函数得到的文件描述符
		- addr : 需要绑定的socket地址，这个地址封装了ip和端口号的信息
		- addrlen : 第二个参数结构体占的内存大小
		
int listen(int sockfd, int backlog); // /proc/sys/net/core/somaxconn
	- 功能：监听这个socket上的连接
	- 参数：
		- sockfd : 通过socket()函数得到的文件描述符
		- backlog : 未连接的和已经连接的和的最大值， 5
		
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
	- 功能：接收客户端连接，默认是一个阻塞的函数，阻塞等待客户端连接
	- 参数：
		- sockfd : 用于监听的文件描述符
		- addr : 传出参数，记录了连接成功后客户端的地址信息（ip，port）
		- addrlen : 指定第二个参数的对应的内存大小
	- 返回值：
		- 成功 ：用于通信的文件描述符
		- 失败 ： -1
		
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
	- 功能： 客户端连接服务器
	- 参数：
		- sockfd : 用于通信的文件描述符
		- addr : 客户端要连接的服务器的地址信息
		- addrlen : 第二个参数的内存大小
	- 返回值：成功 0， 失败 -1

//读写数据
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); // 写数据
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); // 读数据

7.SIGCHLD信号

SIGCHLD的产生条件：

子进程终止
子进程接收到SIGSTOP信号停止时
子进程处于停止状态，接收到SIGCONT后唤醒

注意：通过signal(SIGCHLD, SIG_IGN)通知内核对子进程的结束不关心，由内核回收。如果不想让父进程挂起，可以在父进程中加入一条语句：signal(SIGCHLD,SIG_IGN);表示父进程忽略SIGCHLD信号，该信号是子进程退出的时候向父进程发送的。

基于linux下的高并发服务器开发（第二章）- 2.27 SIGCHLD 信号_呵呵哒(￣▽￣)"的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_41987016/article/details/131859897?spm=1001.2014.3001.5501

8.案例：多进程实现并发服务器

多进程实现并发服务器_多进程并发服务器_Neo_21的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/Neo_21/article/details/129224851

多线程实现并发服务器

以下思路和文字总结来自爱编程的大丙：服务器并发 | 爱编程的大丙 (subingwen.cn)

如果要编写多进程版的并发服务器程序，首先要考虑，创建出的多个进程都是什么角色，这样就可以在程序中对号入座了。在Tcp服务器端一共有两个角色，分别是：监听和通信，监听是一个持续的动作，如果有新连接就建立连接，如果没有新连接就阻塞。关于通信是需要和多个客户端同时进行的，因此需要多个进程，这样才能达到互不影响的效果。进程也有两大类：父进程和子进程，通过分析我们可以这样分配进程：

父进程：
- 负责监听，处理客户端的连接请求，也就是在父进程中循环调用accept()函数
- 创建子进程：建立一个新的连接，就创建一个新的子进程，让这个子进程和对应的客户端通信
- 回收子进程资源：子进程退出回收其内核PCB资源，防止出现僵尸进程
子进程：负责通信，基于父进程建立新连接之后得到的文件描述符，和对应的客户端完成数据的接收和发送。
- 发送数据：send() / write()
- 接收数据：recv() / read()

在多进程版的服务器端程序中，多个进程是有血缘关系，对应有血缘关系的进程来说，还需要想明白他们有哪些资源是可以被继承的，哪些资源是独占的，以及一些其他细节：

子进程是父进程的拷贝，在子进程的内核区PCB中，文件描述符也是可以被拷贝的，因此在父进程可以使用的文件描述符在子进程中也有一份，并且可以使用它们做和父进程一样的事情。
父子进程有用各自的独立的虚拟地址空间，因此所有的资源都是独占的
为了节省系统资源，对于只有在父进程才能用到的资源，可以在子进程中将其释放掉，父进程亦如此。
由于需要在父进程中做accept()操作，并且要释放子进程资源，如果想要更高效一下可以使用信号的方式处理

server_process.c

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <wait.h>
#include <errno.h>

void recyleChild(int arg) {
	// 回收子进程PCB的资源
    while(1) {
        int ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
        if(ret == -1) {
            // 所有的子进程都回收了
            break;
        }else if(ret == 0) {
            // 还有子进程活着
            break;
        } else if(ret > 0){
            // 被回收了
            printf("子进程 %d 被回收了\n", ret);
        }
    }
}

int main() {
	// 捕捉子进程死亡时发送的SIGCHLD信号
    struct sigaction act;
    act.sa_flags = 0;
    act.sa_handler = recyleChild; 
	sigemptyset(&act.sa_mask);// 清空临时阻塞信号集
    // 注册信号捕捉
    sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);
    

    // 创建socket
    int lfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(lfd == -1){
        perror("socket");
        exit(-1);
    }

    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(9999);
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    // 绑定
    int ret = bind(lfd,(struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));
    if(ret == -1) {
        perror("bind");
        exit(-1);
    }

    // 监听
    ret = listen(lfd, 128);
    if(ret == -1) {
        perror("listen");
        exit(-1);
    }

    // 不断循环等待客户端连接
    while(1) {

        struct sockaddr_in cliaddr;
        int len = sizeof(cliaddr);
        // 接受连接
        int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &len);
        if(cfd == -1) {
            if(errno == EINTR) {
                continue;
            }
            perror("accept");
            exit(-1);
        }

        // 每一个连接进来，创建一个子进程跟客户端通信
        pid_t pid = fork();
        if(pid == 0) {
            // 子进程
            // 获取客户端的信息
            char cliIp[16];
            inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr.s_addr, cliIp, sizeof(cliIp));
            unsigned short cliPort = ntohs(cliaddr.sin_port);
            printf("client ip is : %s, prot is %d\n", cliIp, cliPort);

            // 接收客户端发来的数据
            char recvBuf[1024];
            while(1) {
                int len = read(cfd, &recvBuf, sizeof(recvBuf));

                if(len == -1) {
                    perror("read");
                    exit(-1);
                }else if(len > 0) {
                    printf("recv client : %s\n", recvBuf);
                } else if(len == 0) {
                    printf("client closed....\n");
                    break;
                }
                write(cfd, recvBuf, strlen(recvBuf) + 1);
            }
            close(cfd);
            exit(0);    // 退出当前子进程
        }

    }
    close(lfd);
    return 0;
}

client.c

// TCP通信的客户端
#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int main() {

    // 1.创建套接字
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }

    // 2.连接服务器端
    struct sockaddr_in serveraddr;
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "192.168.193.128", &serveraddr.sin_addr.s_addr);
    serveraddr.sin_port = htons(9999);
    int ret = connect(fd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));

    if(ret == -1) {
        perror("connect");
        exit(-1);
    }
    
    // 3. 通信
    char recvBuf[1024];
    int i = 0;
    while(1) {
        
        sprintf(recvBuf, "data : %d\n", i++);
        
        // 给服务器端发送数据
        write(fd, recvBuf, strlen(recvBuf)+1);

        int len = read(fd, recvBuf, sizeof(recvBuf));
        if(len == -1) {
            perror("read");
            exit(-1);
        } else if(len > 0) {
            printf("recv server : %s\n", recvBuf);
        } else if(len == 0) {
            // 表示服务器端断开连接
            printf("server closed...");
            break;
        }

        sleep(1);
    }

    // 关闭连接
    close(fd);

    return 0;
}

运行效果：