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1. 多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器
我們?cè)谏弦还?jié)寫的TCP服務(wù)器只能處理單連接，在代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器與非并發(fā)服務(wù)器在創(chuàng)建監(jiān)聽套接字、綁定、監(jiān)聽這幾個(gè)步驟是一樣的，但是在接收連接請(qǐng)求的時(shí)候，多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器是這樣實(shí)現(xiàn)的：父進(jìn)程負(fù)責(zé)接受連接請(qǐng)求，一旦連接成功，將會(huì)創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程與客戶端通信。示意圖如下：
（1）什么是并發(fā)
單核CPU → 多進(jìn)程/線程并發(fā) → 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)
并發(fā) → 某一個(gè)時(shí)間片/點(diǎn)所能處理的任務(wù)數(shù)
服務(wù)器并發(fā)：服務(wù)器在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)/片所能處理的連接數(shù)所能接收的client連接越多，并發(fā)量越大
（2）多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器需要注意的幾個(gè)要點(diǎn)
使用多進(jìn)程的方式來解決服務(wù)器處理多連接的問題，需要注意下面幾點(diǎn)：
共享：讀時(shí)共享、寫時(shí)復(fù)制。有血緣關(guān)系的進(jìn)程間將會(huì)共享
文件描述符
內(nèi)存映射區(qū)mmap
父進(jìn)程扮演什么角色？
等待接受客戶端連接accept()
有連接的時(shí)候通過fork()創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。父進(jìn)程只負(fù)責(zé)等待客戶端連接，即通過accept()阻塞等待連接請(qǐng)求，一旦有連接請(qǐng)求，馬上通過fork()創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，子進(jìn)程通過共享父進(jìn)程的文件描述符來實(shí)現(xiàn)和client通信。
將用于通信的文件描述符關(guān)閉。accept()接受連接請(qǐng)求后會(huì)返回一個(gè)用于通信的文件描述符，而父進(jìn)程的職責(zé)是等待連接并fork()創(chuàng)建用于通信的子進(jìn)程，所以對(duì)于父進(jìn)程來說，用于通信的文件描述符是沒有用處的，關(guān)閉該文件描述符來節(jié)省開銷。我們知道，文件描述符是有上限的，最多1024個(gè)(0-1023)，如果不關(guān)閉的話，每次fork()一個(gè)子進(jìn)程都要浪費(fèi)一個(gè)文件描述符，如果進(jìn)程多了，可能文件描述符就不夠用了。
子進(jìn)程扮演什么角色？
通信。通過共享的父進(jìn)程accept()返回的文件描述符來與客戶端通信。
將用于監(jiān)聽的文件描述符關(guān)閉。同樣是為了節(jié)省資源，子進(jìn)程被fork()出來后也會(huì)擁有一個(gè)用于監(jiān)聽的文件描述符(因?yàn)樽舆M(jìn)程是對(duì)父進(jìn)程的拷貝)，但是子進(jìn)程的作用是與客戶端通信，所以用于監(jiān)聽的文件描述符對(duì)子進(jìn)程而言并無用處，關(guān)閉以節(jié)省資源。
創(chuàng)建的子進(jìn)程個(gè)數(shù)有限制嗎？
受硬件限制
文件描述符默認(rèn)上限1024
子進(jìn)程資源回收
wait/waitpid
使用信號(hào)回收
signal
sigaction
捕捉信號(hào)SIGCHLD
（3）讀時(shí)共享寫時(shí)復(fù)制詳解
首先看圖
如果父子進(jìn)程都只是讀數(shù)據(jù)，那么他們都通過虛擬地址去訪問1號(hào)物理地址的內(nèi)容，如果此時(shí)父進(jìn)程修改了數(shù)據(jù)a=8，那么父進(jìn)程會(huì)先復(fù)制一份數(shù)據(jù)到2號(hào)內(nèi)存，然后修改2號(hào)內(nèi)存的數(shù)據(jù)，父進(jìn)程再讀的時(shí)候就去2號(hào)內(nèi)存讀，而子進(jìn)程依然去1號(hào)內(nèi)存讀。如果子進(jìn)程也要修改這個(gè)全局變量，那么子進(jìn)程也會(huì)拷貝一份數(shù)據(jù)到內(nèi)存3，然后修改內(nèi)存3的數(shù)據(jù)，子進(jìn)程訪問數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)訪問內(nèi)存3的數(shù)據(jù)。（多個(gè)子進(jìn)程就會(huì)拷貝多份）
2. 多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器代碼實(shí)現(xiàn)
#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <string.h>#include <sys/socket.h>#include <arpa/inet.h>#include <ctype.h>#include <signal.h>#include <sys/wait.h>#include <errno.h>// 進(jìn)程回收函數(shù)void recyle(int num){pid_t pid;while( (pid = waitpid(-1, NULL, WNOHANG)) > 0 ){printf("child died , pid = %dn", pid);}}int main(int argc, const char* argv[]){if(argc < 2){printf("eg: ./a.out portn");exit(1);}struct sockaddr_in serv_addr;socklen_t serv_len = sizeof(serv_addr);int port = atoi(argv[1]);// 創(chuàng)建套接字int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 初始化服務(wù)器 sockaddr_inmemset(&serv_addr, 0, serv_len);serv_addr.sin_family = AF_INET; // 地址族serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 監(jiān)聽本機(jī)所有的IPserv_addr.sin_port = htons(port); // 設(shè)置端口// 綁定IP和端口bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, serv_len);// 設(shè)置同時(shí)監(jiān)聽的最大個(gè)數(shù)listen(lfd, 36);printf("Start accept ......n");// 使用信號(hào)回收子進(jìn)程pcb //這個(gè)子進(jìn)程回收機(jī)制會(huì)被子進(jìn)程復(fù)制struct sigaction act;act.sa_handler = recyle;act.sa_flags = 0;sigemptyset(&act.sa_mask);sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);struct sockaddr_in client_addr;socklen_t cli_len = sizeof(client_addr);while(1){// 父進(jìn)程接收連接請(qǐng)求// accept阻塞的時(shí)候被信號(hào)中斷, 處理信號(hào)對(duì)應(yīng)的操作之后(比如子進(jìn)程終止，收到信號(hào)后去回收子進(jìn)程)// 回來之后不阻塞了, 直接返回-1, 這時(shí)候 errno==EINTRint cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cli_len);//解決方法就是，在一個(gè)循環(huán)中判斷，如果accept阻塞過程中被信號(hào)打斷//也就是返回值-1且errno == EINTR，那么再一次調(diào)用accept//這樣accept會(huì)再次回到阻塞狀態(tài)，并且返回值不是-1，也就不會(huì)進(jìn)入循環(huán)//等到再次被信號(hào)打斷的時(shí)候才會(huì)再次進(jìn)入循環(huán)/*這里的cfd雖然只定義了一個(gè)，但是在每個(gè)子進(jìn)程中都會(huì)有一個(gè)拷貝，并且修改一個(gè)子進(jìn)程的cfd不會(huì)影響其它子進(jìn)程*/while(cfd == -1 && errno == EINTR){cfd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cli_len);}printf("connect sucessfuln");// 創(chuàng)建子進(jìn)程pid_t pid = fork();if(pid == 0){close(lfd);// child process// 通信char ip[64];while(1){// client ip portprintf("client IP: %s, port: %dn",inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),ntohs(client_addr.sin_port));char buf[1024];int len = read(cfd, buf, sizeof(buf));if(len == -1){perror("read error");exit(1);}else if(len == 0){printf("客戶端斷開了連接n");close(cfd);break;}else{printf("recv buf: %sn", buf);write(cfd, buf, len);}}// 干掉子進(jìn)程return 0;}else if(pid > 0){// parent processclose(cfd);}}close(lfd);return 0;}
3. 多線程并發(fā)服務(wù)器
多線程并發(fā)服務(wù)器示意圖如下：
在多進(jìn)程模型中，fork得到的子進(jìn)程會(huì)復(fù)制父進(jìn)程的文件描述符cfd等信息，每個(gè)進(jìn)程的cfd都是自己的，操作互不影響。但是線程不同，現(xiàn)在只有主線程的cfd，多個(gè)線程間的信息是共享的，假如說傳遞給每個(gè)子線程的cfd都是同一個(gè)，那么線程1修改該文件描述符指向的內(nèi)容會(huì)影響到線程2的通信，因?yàn)樗鼈児蚕磉@一個(gè)文件描述符。所以這里需要建立一個(gè)文件描述符數(shù)組，每個(gè)子線程對(duì)應(yīng)數(shù)組中的一個(gè)文件描述符。
另外連接主線程的client是哪一個(gè)，也就是說哪個(gè)client對(duì)應(yīng)和哪個(gè)子線程通信，這也需要把和子線程通信的client的ip和port傳給和該client通信的子線程，這樣子線程才能知道通信的客戶端的ip和port。
于是我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組，每個(gè)子線程對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)體數(shù)組中的一個(gè)成員，而結(jié)構(gòu)體數(shù)組中的每個(gè)成員將作為參數(shù)傳遞給子進(jìn)程的回調(diào)函數(shù)。
歸根到底就是因?yàn)椋M(jìn)程是獨(dú)立的，線程是共享的。
線程共享下面的資源:
全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)
堆區(qū)
一塊有效內(nèi)存的地址，比如說把線程1的一塊內(nèi)存的地址傳給線程2，那么線程2也可以操作這塊內(nèi)存。
4. 多線程并發(fā)服務(wù)器代碼實(shí)現(xiàn)
#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <string.h>#include <sys/socket.h>#include <arpa/inet.h>#include <ctype.h>#include <pthread.h>// 自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) //把線程處理函數(shù)所需要的信息封裝進(jìn)來typedef struct SockInfo{int fd; // 文件描述符struct sockaddr_in addr; //ip地址結(jié)構(gòu)體pthread_t id; //線程id}SockInfo;// 子線程處理函數(shù)void* worker(void* arg){char ip[64];char buf[1024];SockInfo* info = (SockInfo*)arg;// 通信while(1){printf("Client IP: %s, port: %dn",inet_ntop(AF_INET, &info->addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),ntohs(info->addr.sin_port));int len = read(info->fd, buf, sizeof(buf));if(len == -1){perror("read error");pthread_exit(NULL); //只退出子線程//exit(1); //exit會(huì)把主線程也一塊退出}else if(len == 0){printf("客戶端已經(jīng)斷開了連接n");close(info->fd);break;}else{printf("recv buf: %sn", buf);write(info->fd, buf, len);}}return NULL;}int main(int argc, const char* argv[]){if(argc < 2){printf("eg: ./a.out portn");exit(1);}struct sockaddr_in serv_addr;socklen_t serv_len = sizeof(serv_addr);int port = atoi(argv[1]);// 創(chuàng)建套接字int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 初始化服務(wù)器 sockaddr_inmemset(&serv_addr, 0, serv_len);serv_addr.sin_family = AF_INET; // 地址族serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 監(jiān)聽本機(jī)所有的IPserv_addr.sin_port = htons(port); // 設(shè)置端口// 綁定IP和端口bind(lfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, serv_len);// 設(shè)置同時(shí)監(jiān)聽的最大個(gè)數(shù)listen(lfd, 36);printf("Start accept ......n");int i = 0;SockInfo info[256]; //每個(gè)線程對(duì)應(yīng)數(shù)組的一個(gè)元素，最多256個(gè)線程// 規(guī)定 fd == -1 說明這是一個(gè)無效文件描述符，也就是說這個(gè)文件描述符是空閑的，沒被占用for(i=0; i<sizeof(info)/sizeof(info[0]); ++i){info[i].fd = -1; //所有文件描述符全部初始化為-1}socklen_t cli_len = sizeof(struct sockaddr_in);while(1){// 選一個(gè)沒有被使用的, 最小的數(shù)組元素//因?yàn)橛锌赡芪覀兪褂玫奈募枋龇麑?duì)應(yīng)數(shù)組下標(biāo)i已經(jīng)累加到了100，但是前面//99個(gè)都已經(jīng)被釋放了（斷開連接了），我們最好選用一個(gè)當(dāng)前空閑的數(shù)組下標(biāo)最小//的文件描述符，以合理利用資源for(i=0; i<256; ++i){if(info[i].fd == -1){break; //這樣就能把數(shù)組下標(biāo)最小的fd找出來，并確保i指向它，直接break出去}}if(i == 256) //整個(gè)數(shù)組都被用完了，直接break出while循環(huán){break;}// 主線程 - 等待接受連接請(qǐng)求info[i].fd = accept(lfd, (struct sockaddr*)&info[i].addr, &cli_len); //第二個(gè)參數(shù)是傳出參數(shù)，//傳出客戶端ip信息(struct sockaddr*)類型// 創(chuàng)建子線程 - 通信pthread_create(&info[i].id, NULL, worker, &info[i]);// 設(shè)置線程分離 //這樣子線程終止的時(shí)候會(huì)自動(dòng)釋放，就不需要主線程去釋放了pthread_detach(info[i].id);}close(lfd);// 只退出主線程 //對(duì)子線程無影響，子線程可以繼續(xù)通信pthread_exit(NULL);return 0;}
5. 擴(kuò)展：Socket API封裝
#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <errno.h>#include <sys/socket.h>void perr_exit(const char *s){perror(s);exit(-1);}//也可以在vim下按2K跳轉(zhuǎn)到man文檔中的accept函數(shù)，因?yàn)閙an文檔跳轉(zhuǎn)不區(qū)分大小寫int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr){int n;again:if ((n = accept(fd, sa, salenptr)) < 0){//ECONNABORTED 發(fā)生在重傳（一定次數(shù)）失敗后，強(qiáng)制關(guān)閉套接字//EINTR 進(jìn)程被信號(hào)中斷 //如果accept函數(shù)在阻塞時(shí)被信號(hào)打斷，處理完信號(hào)//返回時(shí)就不會(huì)在阻塞了，而是直接返回-1if ((errno == ECONNABORTED) || (errno == EINTR)){goto again; //如果accept阻塞時(shí)被信號(hào)打斷了，需要在執(zhí)行一次accept繼續(xù)阻塞}else{perr_exit("accept error");}}return n;}int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen){int n;if ((n = bind(fd, sa, salen)) < 0){perr_exit("bind error");}return n;}int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen){int n;n = connect(fd, sa, salen);if (n < 0){perr_exit("connect error");}return n;}int Listen(int fd, int backlog){int n;if ((n = listen(fd, backlog)) < 0){perr_exit("listen error");}return n;}int Socket(int family, int type, int protocol){int n;if ((n = socket(family, type, protocol)) < 0){perr_exit("socket error");}return n;}ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes){ssize_t n;again:if ( (n = read(fd, ptr, nbytes)) == -1){if (errno == EINTR)goto again; //如果read被信號(hào)中斷了，應(yīng)該讓它繼續(xù)去read等待讀數(shù)據(jù) （read阻塞時(shí)）elsereturn -1;}return n;}ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes){ssize_t n;again:if ((n = write(fd, ptr, nbytes)) == -1){if (errno == EINTR)goto again;elsereturn -1;}return n;}int Close(int fd){int n;if ((n = close(fd)) == -1)perr_exit("close error");return n;}/*參三: 應(yīng)該讀取的字節(jié)數(shù)*/ //一直讀到n字節(jié)數(shù)才會(huì)返回，否則阻塞等待//socket 4096 readn(cfd, buf, 4096) nleft = 4096-1500ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n){size_t nleft; //usigned int 剩余未讀取的字節(jié)數(shù)ssize_t nread; //int 實(shí)際讀到的字節(jié)數(shù)char *ptr;ptr = vptr;nleft = n; //n 未讀取字節(jié)數(shù)while (nleft > 0){if ((nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0){if (errno == EINTR){nread = 0;}else{return -1;}}else if (nread == 0){break;}nleft -= nread; //nleft = nleft - nreadptr += nread;}return n - nleft;}ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n){size_t nleft;ssize_t nwritten;const char *ptr;ptr = vptr;nleft = n;while (nleft > 0){if ( (nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0){if (nwritten < 0 && errno == EINTR)nwritten = 0;elsereturn -1;}nleft -= nwritten;ptr += nwritten;}return n;}static ssize_t my_read(int fd, char *ptr) //靜態(tài)函數(shù)保證了讀完第一個(gè)100字節(jié)才去讀下一個(gè)100字節(jié)，而不是每次調(diào)用都讀100字節(jié){static int read_cnt; //改變量存在靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，下次調(diào)用my_read函數(shù)的時(shí)候，read_cnt會(huì)保留上次的值static char *read_ptr;static char read_buf[100];//因?yàn)檫@里的變量都是static的，所以并非每次調(diào)用my_read都會(huì)讀100字節(jié)，而是讀完100字節(jié)再去讀下一個(gè)100字節(jié)if (read_cnt <= 0) {again:if ( (read_cnt = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) < 0) //"hellon"{if (errno == EINTR)goto again;return -1;}else if (read_cnt == 0)return 0;read_ptr = read_buf;}read_cnt--; //在上次調(diào)用結(jié)束的值基礎(chǔ)上--，保證了讀完100字節(jié)再去讀下一個(gè)100字節(jié)*ptr = *read_ptr++;return 1;}/*readline --- fgets*///傳出參數(shù) vptrssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen){ssize_t n, rc;char c, *ptr;ptr = vptr;for (n = 1; n < maxlen; n++){if ((rc = my_read(fd, &c)) == 1) //ptr[] = hellon{*ptr++ = c;if (c == 'n') //先讀100個(gè)字節(jié)，依次遍歷，遇到 'n' 說明一行讀完了break;}else if (rc == 0){*ptr = 0;return n-1;}elsereturn -1;}*ptr = 0;return n;}
