【高性能服务器】多进程并发模型

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对于常见的C/S模型，一个服务端通常需要服务多个客户端。如果使用单行的处理模型，当新的客户端请求服务端的服务时，就必须等待比它先到的客户端的请求全部完成。

因此引入多进程并发服务器模型。多进程并发服务器模型的简单流程图如下所示。父进程创建一个套接字，然后与自己的IP地址、端口号进行绑定。之后调用开始监听来自客户端的敲门，当有客户端来敲门时，accept()接收客户端的连接并创建一个新套接字用于与客户端通信。接下来调用fork()函数，当调用fork()函数时，操作系统会复制当前进程的一个副本，包括进程的代码、数据和状态等信息。如果其返回值为负数，表示创建子进程失败。否则他在父子进程中有不同的返回值：如果返回值为0，表示当前代码正在子进程中执行。如果返回值大于0，表示当前代码正在父进程中执行，返回的值是子进程的进程ID。因此可以使用if-else语句来编写子进程的处理代码。

在子进程中，先关闭从父进程中复制下来监听套接字，这个套接字在子进程中没有用了，纯属浪费资源，之后再进行与客户端的通信。而在父进程中，同理关闭accept()创建的新套接字，然后继续监听客户端的连接请求。

多进程

父进程处理连接请求，子进程处理消息收发

缺点：

1、子进程与客户端高度绑定。如果客户端连接断开频繁，服务器会频繁创建销毁子进程，系统开销较大，资源浪费

2、并发数量取决于进程数量，如果系统可创建的进程较少，那表示服务器并发数受进程数量限制

3、进程模型本身有较大内存开销

使用服务器测试业务：

客户端向标准输入发送小写字符串，服务端响应回复对应大写字符，"abcAS"->"ABCAS"

客户端向服务端发送关键字localtime，服务端响应回复系统时间、

服务端：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <time.h>

#define _SERVER_IP "xxx.xxx.xxx.xxx"
#define _PORT 8080
#define _BACKLOG 128
#define _SHUTDOWN 1
#define _TRUE 1
#define _FALSE 0
#define _IPSIZE 16
#define _RECVLEN 1500


int main()
{
    int recvlen;
        struct sockaddr_in serverAddr,clientAddr;
        int server_fd;
        int client_fd;
        char Result[_RECVLEN];
        char client_ip[_IPSIZE];
    pid_t pid;
    socklen_t Addrlen;
        serverAddr.sin_family=AF_INET;
        serverAddr.sin_port=htons(_PORT);
        serverAddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
        server_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
        bind(server_fd,(struct sockaddr*)&serverAddr,sizeof(serverAddr));
        listen(server_fd,_BACKLOG);
        printf("Test TCP Server Version 1.1.0 is Running...\n");
        time_t tp;
    char time_buf[100];//存放当前系统时间
    int toupper_flag;
    while(_SHUTDOWN)
        {
        Addrlen=sizeof(clientAddr);
        if((client_fd=accept(server_fd,(struct sockaddr*)&clientAddr,&Addrlen))>0)
        {
       //Socket通信
           bzero(Result,sizeof(Result));
           bzero(client_ip,sizeof(client_ip));
           inet_ntop(AF_INET,&clientAddr.sin_addr.s_addr,client_ip,_IPSIZE);
           printf("Connection From :IP[%s],PORT[%d]\n",client_ip,ntohs(clientAddr.sin_port));
           sprintf(Result,"Hi [%s] Welcome to my TCP test server!service version 1.1.0...",client_ip);
           send(client_fd,Result,strlen(Result),0);
       bzero(Result,sizeof(Result));
       pid=fork();//创建子进程处理通信，父进程只用于处理连接请求
       if(pid>0)
       {

       }
       else if(pid==0)
       {

       //读取用户数据，如果用户发的是普通小写字符字符串，转换为大写，如果发送的是local关键字，响应时间
       //持续响应，循环读写
       while((recvlen=recv(client_fd,Result,sizeof(Result),0))>0)
       {//处理客户端业务
        printf("Client Say:%s\n",Result);
        if(strcmp(Result,"localtime")==0)
        {
        tp=time(NULL);//获取时间种子
        ctime_r(&tp,time_buf);
        time_buf[strcspn(time_buf,"\n")]='\0';
        printf("[%s]Response SysTime Successfully!\n",client_ip);
        send(client_fd,time_buf,strlen(time_buf)+1,0);
        }
        else
        {
        toupper_flag=0;
        while(recvlen>toupper_flag)
        {
            Result[toupper_flag]=toupper(Result[toupper_flag]);
            ++toupper_flag;
        }
        printf("[%s]Response Toupper Successfully!\n",client_ip);
        send(client_fd,Result,recvlen,0);
        }
       }
       if(recvlen==0)//客户端退出
       {
           close(client_fd);
           printf("[%s] is Exiting,Kill Child\n",client_ip);
           exit(0);
       }
       }
       else
       {
        perror("fork call failed");
        exit(0);
       }
       close(client_fd);
        }
        else
        {
        perror("accpet failed");
        close(server_fd);
        exit(0);
        }
        }
        close(server_fd);
        return 0;
}

客户端：

#ifndef _MYSOCK_H_
#define _MYSOCK_H_

#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>

int SOCKET(int domain, int type, int protocol);
int BIND(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
ssize_t RECV(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
ssize_t SEND(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);
int CONNECT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
int ACCEPT(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen);
int LISTEN(int sockfd, int backlog);
char* FGETS(char* s, int size, FILE* stream);
int SELECT(int nfds, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds,
           struct timeval* timeout);
int socket_init();
int return_response(int clientfd, const char* clientip);
//void strDeal(int *client_fd);

// 全局变量声明
char recv_buf[1024];
char time_buf[64];
int serverFd, clientFd;
struct sockaddr_in clientAddr;
fd_set set, oset;
int client_array[1020];
int maxfd, ready;
socklen_t addrlen;
char clientip[16];
time_t tp;
ssize_t recvlen;
int toupper_flag;
#define SHUTDOWN 1
#endif
#include "MySock.h"


//客户端源码编写，连接服务器成功，服务器反馈信息

#define _IP "xxx.xxx.xxx.xxx"
#define _PORT 8080
int main()
{
    struct sockaddr_in ServerAddr;
    bzero(&ServerAddr,sizeof(ServerAddr));
    ServerAddr.sin_family=AF_INET;
	ServerAddr.sin_port=htons(_PORT);
    inet_pton(AF_INET,_IP,&ServerAddr.sin_addr.s_addr);
    
    int Myfd=SOCKET(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    //看需求决定是否要绑定
    char Response[1024];//存放服务端反馈信息
    ssize_t recvlen;
    bzero(Response,sizeof(Response));
    char sendbuf[1024];
    
    if((CONNECT(Myfd,(struct sockaddr *)&ServerAddr,sizeof(ServerAddr)))==0)
    {
    while(1)
    {    
     if((recvlen=RECV(Myfd,Response,sizeof(Response),0))>0)
     {
         printf("%s\n",Response);
     }
    
    printf("Please Type Some text:");//读取标准输入发送给服务端
    FGETS(sendbuf,sizeof(sendbuf),stdin);    
    sendbuf[strcspn(sendbuf,"\n")]='\0';
    SEND(Myfd,sendbuf,sizeof(sendbuf),0);
    }
    }
    close(Myfd);
    printf("Client is Over\n");
    return 0;
}

运行结果：可以同时运行多个客户端

通过命令查看服务端运行的子进程：

当客户端退出后，杀死子进程

缺点：频繁创建子进程开销大，并且对回收考虑欠佳，会产生僵尸进程

多进程+多线程

在父进程下创建两个线程，一个线程负责处理连接请求，另外一个线程处理子进程的回收。

负责回收的线程通过捕捉SIGCHLD信号触发捕捉函数杀死子进程

如果基于信号数量决定回收操作次数，一定会漏回收，所以回收方式应该是产生一次SIGCHLD信号，尽可能将当前可回收的所有僵尸回收完毕。

由于信号处理行为是共享的，如果产生回收信号，主线程也会尝试捕捉并执行捕捉函数，如果调用了捕捉函数，那么会强制中断主线程中的阻塞函数，影响连接。所以主线程需要设置对SIGCHLD屏蔽，屏蔽在线程创建后，继承给普通线程，普通线程完成捕捉设定，而后解除信号屏蔽。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>

#define _SERVER_IP "xxx.xxx.xxx.xxx"
#define _PORT 8080
#define _BACKLOG 128
#define _SHUTDOWN 1
#define _TRUE 1
#define _FALSE 0
#define _IPSIZE 16
#define _RECVLEN 1500

void sig_wait(int n)
{
    pid_t zpid;
    while((zpid=waitpid(-1,NULL,WNOHANG))>0)
    {
        printf("wait Thread Tid [0x%x] Wait Successfully,Zombie %d\n",(unsigned int)pthread_self(),zpid);
    }
}

void * thread_wait(void *arg)
{
    //设定信号捕捉
    pthread_detach(pthread_self());
    struct sigaction act,oact;
    act.sa_handler=sig_wait;
    act.sa_flags=0;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    sigaction(SIGCHLD,&act,&oact);
    //解除屏蔽
    sigprocmask(SIG_SETMASK,&act.sa_mask,NULL);
    printf("wait Thread [0x%x] is Waiting...\n",(unsigned int)pthread_self());
    while(1)
     sleep(1);
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    int recvlen;
  	struct sockaddr_in serverAddr,clientAddr;
	int server_fd;
	int client_fd;
	char Result[_RECVLEN];
	char client_ip[_IPSIZE];
    pid_t pid;
    
    //主线程设置屏蔽
    sigset_t set,oldset;
    sigemptyset(&set);
    sigaddset(&set,SIGCHLD);
    sigprocmask(SIG_SETMASK,&set,&oldset);
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid,NULL,thread_wait,NULL);//创建回收线程
    

    socklen_t Addrlen;
	serverAddr.sin_family=AF_INET;
	serverAddr.sin_port=htons(_PORT);
	serverAddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
	server_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	bind(server_fd,(struct sockaddr*)&serverAddr,sizeof(serverAddr));
	listen(server_fd,_BACKLOG);
	printf("Test TCP Server Version 1.1.0 is Running...\n");
	time_t tp;
    char time_buf[100];//存放当前系统时间
    int toupper_flag;
    while(_SHUTDOWN)
	{
	Addrlen=sizeof(clientAddr);
	if((client_fd=accept(server_fd,(struct sockaddr*)&clientAddr,&Addrlen))>0)
	{
       //Socket通信
	   bzero(Result,sizeof(Result));
	   bzero(client_ip,sizeof(client_ip));
	   inet_ntop(AF_INET,&clientAddr.sin_addr.s_addr,client_ip,_IPSIZE);
	   printf("Connection From :IP[%s],PORT[%d]\n",client_ip,ntohs(clientAddr.sin_port));
	   sprintf(Result,"Hi [%s] Welcome to my TCP test server!service version 1.1.0...",client_ip);
	   send(client_fd,Result,strlen(Result),0);
       bzero(Result,sizeof(Result));
       pid=fork();//创建子进程处理通信，父进程只用于处理连接请求
       if(pid>0)
       {

       }
       else if(pid==0)
       {

       //读取用户数据，如果用户发的是普通小写字符字符串，转换为大写，如果发送的是local关键字，响应时间
       //持续响应，循环读写
       while((recvlen=recv(client_fd,Result,sizeof(Result),0))>0)
       {//处理客户端业务
        printf("Client Say:%s\n",Result);
        if(strcmp(Result,"localtime")==0)
        {
        tp=time(NULL);//获取时间种子
        ctime_r(&tp,time_buf);
        time_buf[strcspn(time_buf,"\n")]='\0';
        printf("[%s]Response SysTime Successfully!\n",client_ip);
        send(client_fd,time_buf,strlen(time_buf)+1,0);
        }
        else
        {
        toupper_flag=0;
        while(recvlen>toupper_flag)
        {
            Result[toupper_flag]=toupper(Result[toupper_flag]);
            ++toupper_flag;
        }
        printf("[%s]Response Toupper Successfully!\n",client_ip);
        send(client_fd,Result,recvlen,0);
        }
       }
       if(recvlen==0)//客户端退出
       {
           close(client_fd);
           printf("[%s] is Exiting,Kill Child\n",client_ip);
           exit(0);
       }
       }
       else
       {
        perror("fork call failed");
        exit(0);
       }
       close(client_fd);	
	}
	else
	{
	perror("accpet failed");
	close(server_fd);
	exit(0);
	}
	}
	close(server_fd);
	return 0;
}

当客户端进程退出后，成功杀死了僵尸进程

服务端下有两个线程，一个负责创建通信进程，一个负责回收僵尸进程

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