Linux網絡編程--9. 服務器模型
 

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第八軍團 時間：2004-1-17 21:50:48 
   
  學習過《軟件工程》吧.軟件工程可是每一個程序員"必修"的課程啊.如果你沒有學習過, 建議你去看一看. 在這一章里面,我們一起來從軟件工程的角度學習網絡編程的思想.在我們寫程序之前, 我們都應該從軟件工程的角度規劃好我們的軟件,這樣我們開發軟件的效率才會高. 在網絡程序里面,一般的來說都是許多客戶機對應一個服務器.為了處理客戶機的請求, 對服務端的程序就提出了特殊的要求.我們學習一下目前最常用的服務器模型.  

循環服務器:循環服務器在同一個時刻只可以響應一個客戶端的請求  

并發服務器:并發服務器在同一個時刻可以響應多個客戶端的請求  


9.1 循環服務器:UDP服務器  
UDP循環服務器的實現非常簡單:UDP服務器每次從套接字上讀取一個客戶端的請求,處理, 然后將結果返回給客戶機.  

可以用下面的算法來實現.  

   socket(...); 
   bind(...); 
   while(1) 
    { 
         recvfrom(...); 
         process(...); 
         sendto(...); 
   } 

因為UDP是非面向連接的,沒有一個客戶端可以老是占住服務端. 只要處理過程不是死循環, 服務器對于每一個客戶機的請求總是能夠滿足.  
9.2 循環服務器:TCP服務器  
TCP循環服務器的實現也不難:TCP服務器接受一個客戶端的連接,然后處理,完成了這個客戶的所有請求后,斷開連接.  

算法如下:  

        socket(...); 
        bind(...); 
        listen(...); 
        while(1) 
        { 
                accept(...); 
                while(1) 
                { 
                        read(...); 
                        process(...); 
                        write(...); 
                } 
                close(...); 
        } 

TCP循環服務器一次只能處理一個客戶端的請求.只有在這個客戶的所有請求都滿足后, 服務器才可以繼續后面的請求.這樣如果有一個客戶端占住服務器不放時,其它的客戶機都不能工作了.因此,TCP服務器一般很少用循環服務器模型的.  

9.3 并發服務器:TCP服務器  
為了彌補循環TCP服務器的缺陷,人們又想出了并發服務器的模型. 并發服務器的思想是每一個客戶機的請求并不由服務器直接處理,而是服務器創建一個 子進程來處理.  

算法如下:  

  socket(...); 
  bind(...); 
  listen(...); 
  while(1) 
  { 
        accept(...); 
        if(fork(..)==0) 
          { 
              while(1) 
               {         
                read(...); 
                process(...); 
                write(...); 
               } 
           close(...); 
           exit(...); 
          } 
        close(...); 
  }      

TCP并發服務器可以解決TCP循環服務器客戶機獨占服務器的情況. 不過也同時帶來了一個不小的問題.為了響應客戶機的請求,服務器要創建子進程來處理. 而創建子進程是一種非常消耗資源的操作.  

9.4 并發服務器:多路復用I/O  
為了解決創建子進程帶來的系統資源消耗,人們又想出了多路復用I/O模型.  

首先介紹一個函數select  

 int select(int nfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds, 
                fd_set *except fds,struct timeval *timeout) 
 void FD_SET(int fd,fd_set *fdset) 
 void FD_CLR(int fd,fd_set *fdset) 
 void FD_ZERO(fd_set *fdset) 
 int FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset) 

一般的來說當我們在向文件讀寫時,進程有可能在讀寫出阻塞,直到一定的條件滿足. 比如我們從一個套接字讀數據時,可能緩沖區里面沒有數據可讀(通信的對方還沒有 發送數據過來),這個時候我們的讀調用就會等待(阻塞)直到有數據可讀.如果我們不 希望阻塞,我們的一個選擇是用select系統調用. 只要我們設置好select的各個參數,那么當文件可以讀寫的時候select回"通知"我們 說可以讀寫了. readfds所有要讀的文件文件描述符的集合  
writefds所有要的寫文件文件描述符的集合  

exceptfds其他的服要向我們通知的文件描述符  

timeout超時設置.  

nfds所有我們監控的文件描述符中最大的那一個加1  

在我們調用select時進程會一直阻塞直到以下的一種情況發生. 1)有文件可以讀.2)有文件可以寫.3)超時所設置的時間到.  

為了設置文件描述符我們要使用幾個宏. FD_SET將fd加入到fdset  

FD_CLR將fd從fdset里面清除  

FD_ZERO從fdset中清除所有的文件描述符  

FD_ISSET判斷fd是否在fdset集合中  

使用select的一個例子  

int use_select(int *readfd,int n) 
{ 
   fd_set my_readfd; 
   int maxfd; 
   int i; 
    
   maxfd=readfd[0]; 
   for(i=1;i    if(readfd[i]>maxfd) maxfd=readfd[i]; 
   while(1) 
   { 
        /*   將所有的文件描述符加入   */ 
        FD_ZERO(&my_readfd); 
        for(i=0;i            FD_SET(readfd[i],*my_readfd); 
        /*     進程阻塞                 */ 
        select(maxfd+1,& my_readfd,NULL,NULL,NULL);  
        /*        有東西可以讀了       */ 
        for(i=0;i          if(FD_ISSET(readfd[i],&my_readfd)) 
              { 
                  /* 原來是我可以讀了  */  
                        we_read(readfd[i]); 
              } 
   } 
} 

使用select后我們的服務器程序就變成了.  


        初始話(socket,bind,listen); 
         
    while(1) 
        { 
        設置監聽讀寫文件描述符(FD_*);    
         
        調用select; 
         
        如果是傾聽套接字就緒,說明一個新的連接請求建立 
             {  
                建立連接(accept); 
                加入到監聽文件描述符中去; 
             } 
       否則說明是一個已經連接過的描述符 
                { 
                    進行操作(read或者write); 
                 } 
                         
        }                

多路復用I/O可以解決資源限制的問題.著模型實際上是將UDP循環模型用在了TCP上面. 這也就帶來了一些問題.如由于服務器依次處理客戶的請求,所以可能會導致有的客戶 會等待很久.  

9.5 并發服務器:UDP服務器  
人們把并發的概念用于UDP就得到了并發UDP服務器模型. 并發UDP服務器模型其實是簡單的.和并發的TCP服務器模型一樣是創建一個子進程來處理的 算法和并發的TCP模型一樣.  

除非服務器在處理客戶端的請求所用的時間比較長以外,人們實際上很少用這種模型.  


9.6 一個并發TCP服務器實例  

#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#define MY_PORT         8888 

int main(int argc ,char **argv) 
{ 
 int listen_fd,accept_fd; 
 struct sockaddr_in     client_addr; 
 int n; 
  
 if((listen_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0) 
  { 
        printf("Socket Error:%s\n\a",strerror(errno)); 
        exit(1); 
  } 
  
 bzero(&client_addr,sizeof(struct sockaddr_in)); 
 client_addr.sin_family=AF_INET; 
 client_addr.sin_port=htons(MY_PORT); 
 client_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); 
 n=1; 
 /* 如果服務器終止后,服務器可以第二次快速啟動而不用等待一段時間  */ 
 setsockopt(listen_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&n,sizeof(int)); 
 if(bind(listen_fd,(struct sockaddr *)&client_addr,sizeof(client_addr))<0) 
  { 
        printf("Bind Error:%s\n\a",strerror(errno)); 
        exit(1); 
  } 
  listen(listen_fd,5); 
  while(1) 
  { 
   accept_fd=accept(listen_fd,NULL,NULL); 
   if((accept_fd<0)&&(errno==EINTR)) 
          continue; 
   else if(accept_fd<0) 
    { 
        printf("Accept Error:%s\n\a",strerror(errno)); 
        continue; 
    } 
  if((n=fork())==0) 
   { 
        /* 子進程處理客戶端的連接 */ 
        char buffer[1024]; 

        close(listen_fd); 
        n=read(accept_fd,buffer,1024); 
        write(accept_fd,buffer,n); 
        close(accept_fd); 
        exit(0); 
   } 
   else if(n<0) 
        printf("Fork Error:%s\n\a",strerror(errno)); 
   close(accept_fd); 
  } 
}  

你可以用我們前面寫客戶端程序來調試著程序,或者是用來telnet調試