Unix/Linux编程：并发的、面向连接的(TCP)服务器-----多进程版(ECHO)

￡神魔★判官ぃ 2022-10-05 13:56 122阅读 0赞

# 引言 #

本文将构造并发服务器所使用的算法如下：

*  主1：创建套接字并将其绑定到它所提供服务的熟知端口上，让该套接字保持无连接的
 *  主2：将该端口设置为被动模式，使其准备为服务器所用
 *  主3：反复调用accept以便接收来自客户的下一个连接请求，并创建新的从线程或者进程来处理响应
 *  从1：从主线程传递来的连接请求(即针对连接的套接字)开始
 *  从2：用该连接与客户进行交互：读取请求并发回响应
 *  从3：关闭连接并退出。在处理完客户的所有请求后，从线程退出

服务器计算响应时，服务器依赖操作系统对并发处理的支持来达到并发性。在系统启动时，系统管理员设法让主服务器进行自动启动。主服务器将永远运行，等待从客户到来的新的连接。主服务器创建一个新的从线程/进程处理每个新连接，并允许各个从线程/进程处理与客户的所有通信。

# 并发echo #

[echo客户端][echo]打开某个服务器的连接，然后在该连接上重复发送数据，并读取从服务器返回的“回显”(echo)。ECHO服务器响应每个客户端，它接收连接，读取来自该连接的数据，然后向客户发回与该服务器所收到的数据相同的数据

为允许客户发送任意多的数据，服务器在发送响应前并非读取全部输入。它只是交替的进行读和写。当新的连接到达时，服务器就进入循环。在每一次循环中，服务器首先从该连接中读取数据，然后将数据写回到该连接上。服务器在遇到文件结束(end-of-file)的条件前，将不断循环，直到end-of-file满足后才关闭连接

## 循环和并发实现的比较 ##

ECHO服务器的循环实现可能表现欠佳，因为它要求某个给定的客户等待此服务器处理在这以前到达的连接请求。如果客户要发送大量的数据，循环服务器在处理完该请求之前，会让其他的客户延迟

ECHO服务器的并发实现避免了长时间的延迟，因为它不允许单个客户占有所有的资源。并发服务器使其可以与很多客户同时进行通信。因此，从客户的观点来看，并发服务器提供了较短的响应时间

## 进程结构 ##

下图说明了并发的、面向连接的进程结构，该服务器使用了单线程进程，其中主服务器进行不与客户端直接通信，它只是在熟知端口上等待下一个连接请求。一旦有某一个请求到达，系统就返回用于该连接的新套接字描述符。主服务器创建一个从进行来处理该连接，并且运行从进程并发操作。在任何时候，服务器都包括了一个主进程，以及零个或者多个从进程  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
为避免等待连接时使用CPU资源，主服务器使用accept的阻塞调用从熟知端口上获得下一个连接。也就是说，并发服务器的主服务器大部分出于accept调用的阻塞状态。当连接到达时，accept调用就返回，使得主进程继续运行。主进程创建一个从进程来处理请求，并重新调用accept。该调用在另一个连接请求到达强将使得服务器再次阻塞

# 并发echo服务器实现 #

/* TCPechod.c - main, TCPechod */
    
    #define	_USE_BSD
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/signal.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <sys/time.h>
    #include <sys/resource.h>
    #include <sys/wait.h>
    #include <sys/errno.h>
    #include <netinet/in.h>
    
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    
    #define	QLEN		  32	/* maximum connection queue length	*/
    #define	BUFSIZE		4096
    
    
    
    void	reaper(int);
    int	TCPechod(int fd);
    int	errexit(const char *format, ...);
    int	passiveTCP(const char *service, int qlen);
    
    /*------------------------------------------------------------------------
     * main - Concurrent TCP server for ECHO service
     *------------------------------------------------------------------------
     */
    int main(int argc, char *argv[])
    {
        
    	char	*service = "echo";	/* service name or port number	*/
    	struct	sockaddr_in fsin;	/* the address of a client	*/
    	unsigned int	alen;		/* length of client's address	*/
    	int	msock;			/* master server socket		*/
    	int	ssock;			/* slave server socket		*/
    
    	switch (argc) {
        
    	case	1:
    		break;
    	case	2:
    		service = argv[1];
    		break;
    	default:
    		errexit("usage: TCPechod [port]\n");
    	}
    
    	msock = passiveTCP(service, QLEN);
    
    	(void) signal(SIGCHLD, reaper);
    
    	while (1) {
        
    		alen = sizeof(fsin);
    		ssock = accept(msock, (struct sockaddr *)&fsin, &alen);
    		if (ssock < 0) {
        
    			if (errno == EINTR)
    				continue;
    			errexit("accept: %s\n", strerror(errno));
    		}
    		switch (fork()) {
        
    		case 0:		/* child */
    			(void) close(msock);
    			exit(TCPechod(ssock));
    		default:	/* parent */
    			(void) close(ssock);
    			break;
    		case -1:
    			errexit("fork: %s\n", strerror(errno));
    		}
    	}
    }
    
    /*------------------------------------------------------------------------
     * TCPechod - echo data until end of file
     *------------------------------------------------------------------------
     */
    int TCPechod(int fd)
    {
        
    	char	buf[BUFSIZ];
    	int	cc;
    
    	while (cc = read(fd, buf, sizeof buf)) {
        
    		if (cc < 0)
    			errexit("echo read: %s\n", strerror(errno));
    		if (write(fd, buf, cc) < 0)
    			errexit("echo write: %s\n", strerror(errno));
    	}
    	return 0;
    }
    
    /*------------------------------------------------------------------------
     * reaper - clean up zombie children
     *------------------------------------------------------------------------
     */
    void reaper(int sig)
    {
        
    	int	status;
    
    	while (wait3(&status, WNOHANG, (struct rusage *)0) >= 0)
    		/* empty */;
    }

主服务器进程从main开始执行。主服务器检测完参数后，就调用passiveTCP为熟知端口创建一个被动套接字，然后就进入无限循环。符号常量QLEN作为第二个参数传递给了passiveTCP，它指定了服务器正忙于处理当前连接时，能被放入队列中的其他传入TCP连接的最大数。

在每次循环中，主服务器调用accept等待客户的连接请求。accept调用会在请求到达前将其阻塞。在下层协议软件收到连接请求后，系统为新连接创建一个套接字，然后accept返回套接字描述符

accept返回后，主服务器创建一个从进程处理连接。为此，主进程调用fork将自己分成两个进程。新创建的子进程中的线程首先关闭主监听套接字，然后调用  
TCPechod处理连接。父进程中的线程关闭那个为处理新连接而创建的套接字，并继续执行无限循环。下一次循环将在accept处等待新连接的到达。

从进程关闭监听套接字之后，就调用TCPechod，TCPechod为一个连接提供ECHO服务。TCPechod中包括一个循环，它重复调用read以便从连接上获取数据，然后调用write通过该连接发回数据。正常情况下，read返回读取到的字节数(正数)；当出现错误(比如客户和服务网络中断了)就返回一个小于0的值；如果遇到文件结束(end-of-file)的情况(即不能从套接字提取更多数据时)，它就返回一个0。同样，write正常情况下返回所写的字节数，如果出错就返回小于0的值。

TCPechod结束时如果能够正确无误的会送所有数据，它就返回0。当TCPechod返回时，主程序使用返回值作为exit调用的一个参数。Linux将exit调用解释为终止进程的请求，并使用其参数作为退出程序码。通常约定，进程使用退出码0标识正常终止。当从进程退出时，系统自动关闭所有打开的描述符，包括用于TCP连接的描述符

# 清除游离(errant)进程 #

由于使用fork的并发服务器动态的生成进程，这就引入了一个潜在的问题，即不完全终止的进程。Linux是这样解决这个问题的，只要一个子进程退出，就给父进程发送一个信号(signal)。正在退出的进程将保证将僵尸状态(zombie status)。直到父进程执行wait3的系统调用终止。为完全终止子进程(即清除僵尸进程)，ECHO服务器将捕获子进程的终止状态，并执行一个信号处理函数。调用

(void) signal(SIGCHLD, reaper);

通知操作系统，主服务器进程在收到子进程已退出信号(SIGCHLD)时，就应执行函数reaper。在调用signal之后，服务器每收到一个SIGCHLD信号，系统都会自动调用reaper

函数reaper调用wait3完成子进程的终止并退出。wait3在一个或者多个子进程退出前将阻塞。它将返回值放在一个状态结构中，通过查看该结构可以找到已经退出的进程。由于程序在SIGCHLD信号到达时调用wait3，它在一个子进程已经退出后总是被调用的。为确保一个错误的调用不会导致服务器死锁，程序使用参数WNOHANG指明wait3不要为进程退出而阻塞等待，而是立即返回，即使在没有进程已退出的情况下

>  *  wait3若在option中设置WNOHANG位，与那么该系统调用就是非阻塞的，也就是说会立刻返回而不是等待子进程的状态发生变化。
>  *  如果子进程的状态（正在运行or正常退出or被信号终止or被信号停止）发生变化，则会把状态具体信息保存在类型为siginfo\_t结构的变量中。
>  *  ●如果设置了选项WNOHANG，而调用中wait3发现没有已退出的子进程可收集，则返回0；

# 总结 #

面向连接的服务器通过运行多个客户与服务器通信而达到并发。本文使用fork函数在每次连接到达时创建一个新的从进程。主线程的线程永远不会与任何客户交互；它只是接收连接，并创建一个从进程处理各个连接

每个从进程在主进程调用fork之后立即开始执行。主进程关闭新连接所用的描述符的副本，从连接关闭主描述符的副本。由于操作系统要关闭从进程的套接字副本，在从进程退出后，一个到客户的连接就终止了。

[echo]: https://blog.csdn.net/zhizhengguan/article/details/117728935
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221005/15b08ae0144344a9ab853daf337b6d1d.png