《TCP/IP网络编程》阅读笔记--并发多进程服务端的使用

目录

1--并发服务器端

2--进程

2-1--进程的相关概念

2-2--fork()创建进程

2-3--僵尸进程

2-4--wait()和waitpid()销毁僵尸进程

3--信号处理

3-1--signal()函数

3-2--sigaction()函数

3--3--利用信号处理技术消灭僵尸进程

4--基于多任务的并发服务器

5--分割 TCP 的 I/O 程序

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1--并发服务器端

并发服务器端主要有以下三类：

        ① 多进程服务器：通过创建多个进程提供服务；

        ② 多路复用服务器：通过捆绑并统一管理I/O对象提供服务；

        ③ 多线程服务器：通过生成与客户端等量的线程提供服务；

2--进程

2-1--进程的相关概念

进程的相关概念：

        ① 进程的定义如下：占用内存空间的正在运行的程序；

        ② 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；

        ③ 对于 CPU 而言，核的个数与可同时运行的进程数相同；若进程数超过核数，进程将分时使用 CPU 资源；

        ④ 无论进程是如何创建的，所有进程都会从操作系统中分配到进程 ID，其值为大于 2 的整数；

2-2--fork()创建进程

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);// 成功时返回进程 ID，失败时返回 -1

        fork() 函数会复制父进程的进程副本给创建的子进程，两个进程都将执行 fork() 函数调用后的语句；具体执行的内容可根据 fork() 函数的返回值进行区分，对于父进程 fork() 函数返回子进程的进程 ID，对于子进程 fork() 函数返回 0；

// gcc fork.c -o fork
// ./fork
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int gval = 10;
int main(int argc, char *argv[]){__pid_t pid;int lval = 20;gval++, lval += 5;pid = fork();if(pid == 0){ // 对于子进程，fork返回0，因此执行以下内容gval += 2, lval += 2;}else{ // 对于父进程，执行以下内容gval -= 2, lval -= 2;}if(pid == 0){// 对于子进程，复制父进程的进程副本，则最初 gval = 11, lval = 25;// 执行 += 2 后，gval = 13, lval = 27;printf("Child Proc: [%d, %d] \n", gval, lval);}else{// 对于父进程，执行 -= 2后，gval = 9, lval = 23;printf("Parent Proc: [%d %d] \n", gval, lval);}return 0;
}

2-3--僵尸进程

        一般进程完成工作后都应被立即销毁，但部分进行由于各种原因导致不能及时销毁，就成为了僵尸进程，其会占用系统中的重要资源；

        终止僵尸进程的两种方式：① 传递参数给 exit 函数并调用 exit 函数；② main 函数中执行 return 语句并返回值；

        向 exit 函数传递的参数值和 main 函数 return 语句的返回值都会传递给操作系统，而操作系统不会立即销毁子进程，直到把这些返回值传递给父进程；这种不会被立即销毁的子进程就是僵尸进程；

        此外，操作系统不会主动将返回值传递给父进程；只有父进程主动发起请求时，操作系统才会将子进程的返回值传递给父进程；因此，如果父进程未主动要求获得子进程的结束状态值，操作系统就不会销毁子进程，子进程就一直处于僵尸进程状态；

// gcc zombie.c -o zombie
// ./zombie
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(int argc, char *argv[]){__pid_t pid = fork();if(pid == 0){puts("Hi, I am a child process");}else{// 父进程终止时，子进程也会被同时销毁// 本案例通过延缓父进程的终止时间，来让子进程进入僵尸进程状态printf("Child Process ID: %d \n", pid);sleep(30);}if(pid == 0){puts("End child process");}else{puts("End parent process");}return 0;
}

        通过 ps au 可以观测到在父进程睡眠的时间里，子进程成为了僵尸进程（Z+状态）；

2-4--wait()和waitpid()销毁僵尸进程

        为了销毁僵尸子进程，父进程必须主动请求获取子进程的返回值；

        父进程调用 wait() 函数 和 waitpid() 函数可以主动获取子进程的返回值；

#include <sys/wait.h>pid_t wait(int* statloc);
// 成功时返回终止的子进程 ID, 失败时返回 -1;
// 子进程的返回值会保存到 statloc 所指的内存空间// WIFEXITED() 子进程正常终止时返回 true
// WEXITSTATUS() 返回子进程的返回值

        父进程调用 wait() 函数时，如果没有已终止的子进程，则父进程的程序将会阻塞，直至有子进程终止来返回值；

// gcc wait.c -o wait
// ./wait
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main(int argc, char* argv[]){int status;__pid_t pid = fork();if(pid == 0){return 3; // 第一个子进程返回3}else{printf("Child PID: %d \n", pid); // 第一个子进程的 IDpid = fork(); // 创建第二个子进程if(pid == 0){exit(7); // 第二个子进程返回7}else{printf("Child PID : %d \n", pid); // 第二个子进程的 IDwait(&status); // 主动请求获取子进程的返回值if(WIFEXITED(status)){printf("Chile send one: %d \n", WEXITSTATUS(status));}wait(&status); // 主动请求获取子进程的返回值if(WIFEXITED(status)){printf("Child send two: %d \n", WEXITSTATUS(status));}sleep(30); // 这时候父进程选择睡眠，子进程也不会成为僵尸进程}}return 0;
}

        wait() 函数会引起程序阻塞，而 waitpid() 函数不会引起阻塞；

#include <sys/wait.h>pid_t waitpid(pid_t pid, int* statloc, int options);
// 成功时返回终止的子进程的ID(或0)，失败时返回-1
// pid 表示等待终止的目标子进程的 ID，传递 -1 时与 wait() 相同，即可以等待任意子进程终止
// statloc 存放子进程返回结果的地址空间
// options 设置为 WNOHANG 时，即使没有终止的子进程，父进程也不会进入阻塞状态，而是返回 0 并结束函数

// gcc waitpid.c -o waitpid
// ./waitpid
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main(int argc, char *argv[]){int status;__pid_t pid = fork();if(pid == 0){sleep(15);return 24;}else{// 没有终止的子进程时，返回0，则一直循环调用waitpid()// 直到有终止的子进程来跳出循环while(!waitpid(-1, &status, WNOHANG)){sleep(3);puts("sleep 3sec.");}if(WIFEXITED(status)){printf("Child send %d \n", WEXITSTATUS(status));}return 0;}
}

3--信号处理

        上述父进程调用 wait() 函数会阻塞，而调用 waitpid() 函数也必须不断调用（因为不知道子进程何时终止），这也同样会影响父进程的工作效率；

        通过信号处理机制，可以解决上述问题；信号表示在特定事件发生时由操作系统向进程发送（通知）的消息；

        因此可以通过注册信号，当子进程终止时，让操作系统将子进程终止的消息发送给父进程，这时候父进程才请求获取子进程的返回值；

3-1--signal()函数

#include <signal.h>
void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);// 第一个参数 signo 表示特殊情况信息
// 第二个参数表示特殊情况发生后，要调用的函数的地址值（指针）// 常见特殊情况
// 1. SIGALRM 表示已到调用 alarm 函数注册的时间
// 2. SIGINT 表示遇到了 CTRL+C 的情况
// 3. SIGCHLD 表示遇到了子进程终止的情况#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
// 返回 0 或以秒为单位的距离 SIGALRM 信号发生的所剩时间（即还剩下多长时间就会发生 SIGALRM 信号时间）
// 经过 seconds 秒后会发生 SIGALRM 信号事件

        发生信号事件时，将会唤醒由于调用 sleep 函数而进入阻塞状态的进程；即：即使还没到 sleep 函数规定的事件也会被强制唤醒，而进程一旦唤醒后就不会再进入睡眠状态；

// gcc signal.c -o signal
// ./signal#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>void timeout(int sig){if(sig == SIGALRM){puts("Time out!");}alarm(2);
}void keycontrol(int sig){if(sig == SIGINT){puts("CTRL+C pressed");}
}int main(int argc, char *argv[]){int i;signal(SIGALRM, timeout);signal(SIGINT, keycontrol);alarm(2);for(i = 0; i < 3; i++){puts("wait...");sleep(100); // 不会真的睡眠 100s，因为alarm函数会产生SIGALRM信号事件，从而唤醒进程}return 0;
}

3-2--sigaction()函数

        sigaction() 函数的功能类似于 signal() 函数，但 sigaction() 更稳定；因为 signal() 函数在不同操作系统中可能存在区别，但 sigaction() 在不同 UNIX 系统中完全相同；

#include <signal.h>int sigaction(int signo, const struct sigaction* act, struct sigaction* oldact);
// 成功时返回0，失败时返回 -1
// signo 用于传递信号信息
// act 对应于 signo 的信号处理函数
// oldact 获取之前注册的信号处理函数的指针，不用时传递0struct sigaction{void (*sa_handler)(int); // 信号处理函数的指针sigset_t sa_mask; // 初始化为0int sa_flags; // 初始化为0
}

// gcc sigaction.c -o sigaction
// ./sigaction#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>void timeout(int sig){if(sig == SIGALRM){puts("Time out!");}alarm(2);
}int main(int argc, char* argv[]){int i;struct sigaction act;act.sa_handler = timeout;sigemptyset(&act.sa_mask); // 调用sigemptyset()将sa_mask的所有位初始化为0act.sa_flags = 0; // sa_flags也初始化为0sigaction(SIGALRM, &act, 0);alarm(2);for(int i = 0; i < 3; i++){puts("wait...");sleep(100);}return 0;
}

3--3--利用信号处理技术消灭僵尸进程

// gcc remove_zombie.c -o remove_zombie
// ./remove_zombie#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>void read_childproc(int sig){int status;pid_t id = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 等待任意子线程结束if(WIFEXITED(status)){ // 判断子线程是否正常终止printf("Remove proc id: %d \n", id);printf("Child send: %d \n", WEXITSTATUS(status)); // 打印子线程的返回值}
}int main(int argc, char *argv[]){pid_t pid;struct sigaction act;act.sa_handler = read_childproc; // 设置信号处理函数sigemptyset(&act.sa_mask);act.sa_flags = 0;sigaction(SIGCHLD, &act, 0); // 调用sigaction()，当遇到子线程结束的信号时，调用信号处理函数pid = fork();if(pid == 0){ // 子线程执行区域puts("Hi! I'm child process");sleep(10);return 12;}else{printf("Child proc id: %d \n", pid);pid = fork();if(pid == 0){ // 另一个子线程执行区域puts("Hi! I'm child process");sleep(10);return 24;}else{int i;printf("Child proc id: %d \n", pid);for(int i = 0; i < 5; i++){puts("wait...");sleep(5);}}}return 0;
}

4--基于多任务的并发服务器

        每当有客户端请求服务时，回声服务器端都创建子进程以提供服务；

        使用 fork() 创建进程时，子进程会复制父进程拥有的所有资源，因此无需额外传递文件描述符；

// gcc echo_mpserv.c -o echo_mpserv
// ./echo_mpserv 9190#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 30void error_handling(char *message){fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}void read_childproc(int sig){__pid_t pid;int status;pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);printf("remove proc id: %d \n", pid);
}int main(int argc, char* argv[]){int serv_sock, clnt_sock;struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;__pid_t pid;struct sigaction act; // 信号socklen_t adr_sz;int str_len, state;char buf[BUF_SIZE];if(argc != 2){printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}// 防止僵尸进程act.sa_handler = read_childproc; //设置信号处理函数sigemptyset(&act.sa_mask);act.sa_flags = 0;state = sigaction(SIGCHLD, &act, 0);serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建 tcp socketmemset(&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...");}// 每当有客户端请求服务时，clnt_sock 不为 -1// 因此会执行 fork() 函数创建子进程，并由子进程向客户端提供服务pid = fork(); if(pid == -1){close(clnt_sock);continue;}if(pid == 0){ // 子进程运行区域close(serv_sock); // 将复制过来的父进程中的服务器文件描述符销毁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{ // 父进程运行区域// 因为客户端的文件描述符已经复制到子进程中// 由子进程处理客户端的内容，因此父进程需要销毁客户端的文件描述符close(clnt_sock); }}close(serv_sock);return 0;
}

5--分割 TCP 的 I/O 程序

        客户端通过 fork() 创建子进程，将 I/O 分割；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，因此客户端是否从服务器端接收完数据都可以进行传输；

// gcc echo_mpclient.c -o echo_mpclient
// ./echo_mpclient 127.0.0.1 9190#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUF_SIZE 30void error_handling(char *message){fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}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); // 调用 shutdown 函数向服务器端传递 EOFreturn;}write(sock, buf, strlen(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); // 创建 tcp socketmemset(&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(); // 创建子进程实现 I/O 分离if(pid == 0){ // 子进程写数据到服务器端write_routine(sock, buf);}else{ // 父进程从服务器端中读取数据read_routine(sock, buf);}close(sock);return 0;
}