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C網(wǎng)絡(luò)編程：Server處理多個Client(多進(jìn)程server方法 和 non-blocking與select結(jié)合)
參看基于TCP/UDP的socket代碼,，同一時間Server只能處理一個Client請求：在使用當(dāng)前連接的socket和client進(jìn)行交互的時候,，不能夠accept新的連接請求。為了使Server能夠處理多個Client請求，常見的方法：
多進(jìn)程方法(每個子進(jìn)程單獨(dú)處理一個client連接)
在每個accept成功之后，使用fork創(chuàng)建一個子進(jìn)程專門處理該client的connection,，父進(jìn)程(server)本身可以繼續(xù)accept其他新的client的連接請求。具體如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#define DEFAULT_PORT 1984 //默認(rèn)端口 #define BUFFER_SIZE 1024 //buffer大小
void sigCatcher(int n) {
//printf("a child process dies\n");
while(waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
}
int clientProcess(int new_sock);
int main(int argc, char *argv[]) {
unsigned short int port;
//get port, use default if not set
if (argc == 2) {
port = atoi(argv[1]);
} else if (argc < 2) {
port = DEFAULT_PORT;
} else {
fprintf(stderr, "USAGE: %s [port]\n", argv[0]);
return 1;
}
//create socket
int sock;
if ( (sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ) {
perror("socket failed, ");
return 1;
}
printf("socket done\n");
//create socket address and initialize
struct sockaddr_in bind_addr;
memset(&bind_addr, 0, sizeof(bind_addr));
bind_addr.sin_family = AF_INET;
bind_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //設(shè)置接受任意地址
bind_addr.sin_port = htons(port); //將host byte order轉(zhuǎn)換為network byte order
//bind (bind socket to the created socket address)
if ( bind(sock, (struct sockaddr *) &bind_addr, sizeof(bind_addr)) == -1 ) {
perror("bind failed, ");
return 1;
}
printf("bind done\n");
//listen
if ( listen(sock, 5) == -1) {
perror("listen failed.");
return 1;
}
printf("listen done\n");
//handler to clear zombie process
signal(SIGCHLD, sigCatcher);
//loop and respond to client
int new_sock;
int pid;
while (1) {
//wait for a connection, then accept it
if ( (new_sock = accept(sock, NULL, NULL)) == -1 ) {
perror("accept failed.");
return 1;
}
printf("accept done\n");
pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("fork failed");
return 1;
} else if (pid == 0) {
//這里是子進(jìn)程
close(sock); //子進(jìn)程中不需要server的sock
clientProcess(new_sock); //使用新的new_sock和client進(jìn)行交互
close(new_sock); //關(guān)閉client的連接
exit(EXIT_SUCCESS); //子進(jìn)程退出
} else {
//這里是父進(jìn)程
close(new_sock); //由于new_sock已經(jīng)交給子進(jìn)程處理,，這里可以關(guān)閉了
}
}
return 0;
}
int clientProcess(int new_sock) {
int recv_size;
char buffer[BUFFER_SIZE];
memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
if ( (recv_size = recv(new_sock, buffer, sizeof(buffer), 0)) == -1) {
perror("recv failed");
return 1;
}
printf("%s\n", buffer);
char *response = "This is the response";
if ( send(new_sock, response, strlen(response) + 1, 0) == -1 ) {
perror("send failed");
return 1;
}
return 0;
}
其中的signal(SIGCHLD, sigCatcher)代碼為了處理zombie process問題：當(dāng)server進(jìn)程運(yùn)行時間較長,，且產(chǎn)生越來越多的子進(jìn)程，當(dāng)這些子進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束都會成為zombie process,，占據(jù)系統(tǒng)的process table,。解決方法是在父進(jìn)程(server進(jìn)程)中顯式地處理子進(jìn)程結(jié)束之后發(fā)出的SIGCHLD信號：調(diào)用wait/waitpid清理子進(jìn)程的zombie信息。
測試：運(yùn)行server程序,，然后同時運(yùn)行2個client(telnet localhost 1984),，可看到該server能夠很好地處理2個client。
多進(jìn)程方法的優(yōu)點(diǎn)：
每個獨(dú)立進(jìn)程處理一個獨(dú)立的client,，對server進(jìn)程來說只需要accept新的連接,，對每個子進(jìn)程來說只需要處理自己的client即可,。
多進(jìn)程方法的缺點(diǎn)：
子進(jìn)程的創(chuàng)建需要獨(dú)立的父進(jìn)程資源副本，開銷較大,，對高并發(fā)的請求不太適合,；且一個進(jìn)程僅處理一個client不能有效發(fā)揮作用。另外有些情況下還需要進(jìn)程間進(jìn)行通信以協(xié)調(diào)各進(jìn)程要完成的任務(wù),。
使用select實(shí)現(xiàn)non-blocking socket(single process concurrent server)
blocking socket VS non-blocking socket
默認(rèn)情況下socket是blocking的，即函數(shù)accept(), recv/recvfrom, send/sendto,，connect等,，需等待函數(shù)執(zhí)行結(jié)束之后才能夠返回(此時操作系統(tǒng)切換到其他進(jìn)程執(zhí)行)。accpet()等待到有client連接請求并接受成功之后,，recv/recvfrom需要讀取完client發(fā)送的數(shù)據(jù)之后才能夠返回,。
可設(shè)置socket為non-blocking模式，即調(diào)用函數(shù)立即返回,，而不是必須等待滿足一定條件才返回,。參看http://www./rpg/socktut/nonblocking.html
non-blocking: by default, sockets are blocking - this means that they stop the function from returning until all data has been transfered.
With multiple connections which may or may not be transmitting data to a server, this would not be very good as connections may have to wait to transmit their data.
設(shè)置socket為非阻塞non-blocking
使用socket()創(chuàng)建的socket(file descriptor)，默認(rèn)是阻塞的(blocking),；使用函數(shù)fcntl()(file control)可設(shè)置創(chuàng)建的socket為非阻塞的non-blocking,。
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
int flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);
fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
這樣使用原本blocking的各種函數(shù)，可以立即獲得返回結(jié)果,。通過判斷返回的errno了解狀態(tài)：
accept():
在non-blocking模式下,，如果返回值為-1，且errno == EAGAIN或errno == EWOULDBLOCK表示no connections沒有新連接請求,；
recv()/recvfrom():
在non-blocking模式下,，如果返回值為-1，且errno == EAGAIN表示沒有可接受的數(shù)據(jù)或很在接受尚未完成,；
send()/sendto():
在non-blocking模式下,，如果返回值為-1，且errno == EAGAIN或errno == EWOULDBLOCK表示沒有可發(fā)送數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)發(fā)送正在進(jìn)行沒有完成,。
read/write:
在non-blocking模式下,，如果返回-1，且errno == EAGAIN表示沒有可讀寫數(shù)據(jù)或可讀寫正在進(jìn)行尚未完成,。
connect():
在non-bloking模式下,，如果返回-1，且errno = EINPROGRESS表示正在連接,。
使用如上方法,，可以創(chuàng)建一個non-blocking的server的程序，類似如下代碼：
int main(int argc, char *argv[]) {
int sock;
if ( (sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ) {
perror("socket failed");
return 1;
}
//set socket to be non-blocking
int flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);
fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
//create socket address to bind
struct sockaddr_in bind_addr
...
//bind
bind(...)
...
//listen
listen(...)
...
//loop
int new_sock;
while (1) {
new_sock = accept(sock, NULL, NULL);
if (new_sock == -1 && errno == EAGAIN) {
fprintf(stderr, "no client connections yet\n");
continue;
} else if (new_sock == -1) {
perror("accept failed");
return 1;
}
//read and write
...
}
...
}
純non-blocking程序缺點(diǎn)：如果運(yùn)行如上程序會發(fā)現(xiàn)調(diào)用accept可以理解返回,，但這樣會耗費(fèi)大量的CPU time,，實(shí)際中并不會這樣使用,。實(shí)際中將non-blocking和select結(jié)合使用。
non-blocking和select結(jié)合使用
select通過輪詢,，監(jiān)視指定file descriptor(包括socket)的變化,，知道:哪些ready for reading, 哪些ready for writing，哪些發(fā)生了錯誤等,。select和non-blocking結(jié)合使用可很好地實(shí)現(xiàn)socket的多client同步通信,。
select函數(shù)：
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int select(int maxfd, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* errorfds, struct timeval* timeout);
//maxfd: 所有set中最大的file descriptor + 1
//readfds: 指定要偵聽ready to read的file descriptor，可以為NULL
//writefds: 指定要偵聽ready to write的file descriptor,，可以為NULL
//errorfds: 指定要偵聽errors的file descriptor,，可以為NULL
//timeout: 指定偵聽到期的時間長度，如果該struct timeval的各個域都為0,，則相當(dāng)于完全的non-blocking模式,；如果該參數(shù)為NULL，相當(dāng)于block模式,；
//select返回total number of bits set in readfds, writefds and errorfds,，當(dāng)timeout的時候返回0，發(fā)生錯誤返回-1,。
//另外select會更新readfds(保存ready to read的file descriptor), writefds(保存read to write的fd), errorfds(保存error的fd),，且更新timeout為距離超時時刻的剩余時間。
另外,，fd_set類型需要使用如下4個宏進(jìn)行賦值：
FD_ZERO(fd_set *set); //Clear all entries from the set.
FD_SET(int fd, fd_set *set); //Add fd to the set.
FD_CLR(int fd, fd_set *set); //Remove fd from the set.
FD_ISSET(int fd, fd_set *set); //Return true if fd is in the set.
因此通過如下代碼可以將要偵聽的file descriptor/socket添加到響應(yīng)的fd_set中,，例如：
fd_set readfds;
FD_ZERO(&readfds);
int sock;
sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
FD_SET(sock, &readfds); //將新創(chuàng)建的socket添加到readfds中
FD_SET(stdin, &readfds); //將stdin添加到readfds中
struct timeval類型：
struct timeval {
int tv_sec; //seconds
int tv_usec; //microseconds，注意這里是微秒不是毫秒,，1秒 = 1000, 000微秒
};
因此,，使用select函數(shù)可以添加希望偵聽的file descriptor/socket到read, write或error中(如果對某一項(xiàng)不感興趣，可以設(shè)置為NULL),，并設(shè)置每次偵聽的timeout時間,。
注意如果設(shè)置timeout為：
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 0;
timeout.tv_usec = 0;
相當(dāng)于每次select立即返回相當(dāng)于純non-blocking模式；
如果設(shè)置timeout參數(shù)為NULL,，則每次select持續(xù)等待到有變化則相當(dāng)于blocking模式,。
使用select和non-blocking實(shí)現(xiàn)server處理多client實(shí)例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <sys/time.h>
#define DEFAULT_PORT 1984 //默認(rèn)端口
#define BUFF_SIZE 1024 //buffer大小
#define SELECT_TIMEOUT 5 //select的timeout seconds
//函數(shù)：設(shè)置sock為non-blocking mode
void setSockNonBlock(int sock) {
int flags;
flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);
if (flags < 0) {
perror("fcntl(F_GETFL) failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) < 0) {
perror("fcntl(F_SETFL) failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
//函數(shù)：更新maxfd
int updateMaxfd(fd_set fds, int maxfd) {
int i;
int new_maxfd = 0;
for (i = 0; i <= maxfd; i++) {
if (FD_ISSET(i, &fds) && i > new_maxfd) {
new_maxfd = i;
}
}
return new_maxfd;
}
int main(int argc, char *argv[]) {
unsigned short int port;
//獲取自定義端口
if (argc == 2) {
port = atoi(argv[1]);
} else if (argc < 2) {
port = DEFAULT_PORT;
} else {
fprintf(stderr, "USAGE: %s [port]\n", argv[0]);
exit(EXIT_FAILURE);
}
//創(chuàng)建socket
int sock;
if ( (sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ) {
perror("socket failed, ");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("socket done\n");
//in case of 'address already in use' error message
int yes = 1;
if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int))) {
perror("setsockopt failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//設(shè)置sock為non-blocking
setSockNonBlock(sock);
//創(chuàng)建要bind的socket address
struct sockaddr_in bind_addr;
memset(&bind_addr, 0, sizeof(bind_addr));
bind_addr.sin_family = AF_INET;
bind_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //設(shè)置接受任意地址
bind_addr.sin_port = htons(port); //將host byte order轉(zhuǎn)換為network byte order
//bind sock到創(chuàng)建的socket address上
if ( bind(sock, (struct sockaddr *) &bind_addr, sizeof(bind_addr)) == -1 ) {
perror("bind failed, ");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("bind done\n");
//listen
if ( listen(sock, 5) == -1) {
perror("listen failed.");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("listen done\n");
//創(chuàng)建并初始化select需要的參數(shù)(這里僅監(jiān)視read)，并把sock添加到fd_set中
fd_set readfds;
fd_set readfds_bak; //backup for readfds(由于每次select之后會更新readfds,，因此需要backup)
struct timeval timeout;
int maxfd;
maxfd = sock;
FD_ZERO(&readfds);
FD_ZERO(&readfds_bak);
FD_SET(sock, &readfds_bak);
//循環(huán)接受client請求
int new_sock;
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addr_len;
char client_ip_str[INET_ADDRSTRLEN];
int res;
int i;
char buffer[BUFF_SIZE];
int recv_size;
while (1) {
//注意select之后readfds和timeout的值都會被修改,，因此每次都進(jìn)行重置
readfds = readfds_bak;
maxfd = updateMaxfd(readfds, maxfd); //更新maxfd
timeout.tv_sec = SELECT_TIMEOUT;
timeout.tv_usec = 0;
printf("selecting maxfd=%d\n", maxfd);
//select(這里沒有設(shè)置writefds和errorfds，如有需要可以設(shè)置)
res = select(maxfd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
if (res == -1) {
perror("select failed");
exit(EXIT_FAILURE);
} else if (res == 0) {
fprintf(stderr, "no socket ready for read within %d secs\n", SELECT_TIMEOUT);
continue;
}
//檢查每個socket,，并進(jìn)行讀(如果是sock則accept)
for (i = 0; i <= maxfd; i++) {
if (!FD_ISSET(i, &readfds)) {
continue;
}
//可讀的socket
if ( i == sock) {
//當(dāng)前是server的socket,，不進(jìn)行讀寫而是accept新連接
client_addr_len = sizeof(client_addr);
new_sock = accept(sock, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_addr_len);
if (new_sock == -1) {
perror("accept failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (!inet_ntop(AF_INET, &(client_addr.sin_addr), client_ip_str, sizeof(client_ip_str))) {
perror("inet_ntop failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("accept a client from: %s\n", client_ip_str);
//設(shè)置new_sock為non-blocking
setSockNonBlock(new_sock);
//把new_sock添加到select的偵聽中
if (new_sock > maxfd) {
maxfd = new_sock;
}
FD_SET(new_sock, &readfds_bak);
} else {
//當(dāng)前是client連接的socket，可以寫(read from client)
memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
if ( (recv_size = recv(i, buffer, sizeof(buffer), 0)) == -1 ) {
perror("recv failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("recved from new_sock=%d : %s(%d length string)\n", i, buffer, recv_size);
//立即將收到的內(nèi)容寫回去,，并關(guān)閉連接
if ( send(i, buffer, recv_size, 0) == -1 ) {
perror("send failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("send to new_sock=%d done\n", i);
if ( close(i) == -1 ) {
perror("close failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("close new_sock=%d done\n", i);
//將當(dāng)前的socket從select的偵聽中移除
FD_CLR(i, &readfds_bak);
}
}
}
return 0;
}
編譯并運(yùn)行如上程序,，然后嘗試使用多個telnet localhost 1984連接該server,。可以發(fā)現(xiàn)各個connection很好地獨(dú)立工作,。因此,，使用select可實(shí)現(xiàn)一個進(jìn)程盡最大所能地處理盡可能多的client。
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