【linux 多进程并发】0302 Linux下多进程模型的网络服务器架构设计，实时响应多客户端请求_基于多进程的 linux 的网络服务器设计与实现

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0302 多进程网络服务器架构

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一、概述

在大规模数据处理中，会有大量的客户端接入同一台服务器，每个客户端都需要长时间提供服务。

服务器采用中心化的部署，而客户端往往分散在不同机器上，服务器与客户端之间跨网络通信，一般采用C/S架构。

而服务端的架构需要能应对大量并发客户端，同时可以给每个客户端独占的服务，这就用到了多任务的网络模型架构，下面我们来看看用多进程如何实现。

二、多路复用的网络模型

C/S架构中，处理大量的网络请求，需要一套基于多路复用的网络处理模型。

可以同时处理网络连接请求和网络数据传递;
减少程序的阻塞时间，避免无效的CPU消耗；
适应不同的并发规模；

以此为目标实现如下网络模型。

2.1 服务端网络监听

多路复用模型这里采用了epoll方式，如果自己的平台不支持，可以换为select或者poll的方式。

在这里插入图片描述

代码如下：

#include  #include  #include  #include  #include  #include  #include  #include   #define MAX_EVENTS 10 #define BUFFER_SIZE 1024 #define PORT 8080  // 设置文件描述符为非阻塞模式 int set_nonblocking(int fd) { int flags, s; flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0); if (flags == -1) { perror(\"fcntl F_GETFL\"); return -1; } flags |= O_NONBLOCK; s = fcntl(fd, F_SETFL, flags); if (s == -1) { perror(\"fcntl F_SETFL\"); return -1; } return 0; } int main() { int listen_fd, conn_fd, nfds, epoll_fd; struct sockaddr_in server_addr; struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS]; char buffer[BUFFER_SIZE]; ssize_t count; // 创建监听socket  listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (listen_fd == -1) { perror(\"socket\"); exit(EXIT_FAILURE); } // 设置非阻塞模式  if (set_nonblocking(listen_fd) == -1) { close(listen_fd); exit(EXIT_FAILURE); } // 绑定地址和端口  server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; server_addr.sin_port = htons(PORT); if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) { perror(\"bind\"); close(listen_fd); exit(EXIT_FAILURE); } // 开始监听  if (listen(listen_fd, SOMAXCONN) == -1) { perror(\"listen\"); close(listen_fd); exit(EXIT_FAILURE); } // 创建epoll实例  epoll_fd = epoll_create1(0); if (epoll_fd == -1) { perror(\"epoll_create1\"); close(listen_fd); exit(EXIT_FAILURE); } // 添加监听socket到epoll实例  ev.events = EPOLLIN; ev.data.fd = listen_fd; if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ev) == -1) { perror(\"epoll_ctl: listen_fd\"); close(listen_fd); close(epoll_fd); exit(EXIT_FAILURE); } // 主循环  while (1) { nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1); if (nfds == -1) {  perror(\"epoll_wait\");  exit(EXIT_FAILURE); } for (int n = 0; n < nfds; ++n) {  if (events[n].data.fd == listen_fd) {  // 新的连接  conn_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL);  if (conn_fd == -1) {perror(\"accept\");continue;  }  // 设置非阻塞模式  if (set_nonblocking(conn_fd) == -1) {close(conn_fd);continue;  }  // 添加新的连接socket到epoll实例  ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  ev.data.fd = conn_fd;  if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, conn_fd, &ev) == -1) {perror(\"epoll_ctl: conn_fd\");close(conn_fd);  }  } else {  // 处理读事件  conn_fd = events[n].data.fd;  while ((count = read(conn_fd, buffer, BUFFER_SIZE)) > 0) {// 处理接收到的数据（这里简单回显）   write(conn_fd, buffer, count);  }  if (count == -1 && errno != EAGAIN) {// 出现错误或连接关闭   close(conn_fd);  } else if (count == 0) {// 连接关闭   close(conn_fd);  }  // 从epoll实例中移除已关闭的socket  if (count <= 0 && errno != EAGAIN) {ev.events = 0;epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, conn_fd, &ev);  } } } } close(listen_fd); close(epoll_fd); return 0; }

说明

TCP服务端的基本步骤创建socket，设置为非阻塞模式，绑定IP与端口，开启监听；
这里服务端的socket需要设置为非阻塞模式，因为我们是在单进程中处理多个连接，每个连接不能阻塞等待；
然后加入到epoll监听池中，开始epoll事件的等待；这里只处理接收事件；
如果有服务端socket的接收事件，那么说明有客户端连接消息，进行accep，创建客户端连接的socket；
同样将客户端连接的socket设置为非阻塞，理由同上；加入epoll临听池中，同样也只处理接收事件；
如果有客户端连接的socket上的接收事件，那么说明客户端正在给服务端发消息；
收到客户端消息后，这里只是简单处理，原样再发给客户端；
如果客户端关闭或出错，将客户端连接关闭，并从epoll临听池中移除；

2.2 客户端测试

现在我们来编写一个简单的客户端模拟程序，测试一下多路复用的网络框架。

/* * ex020302_client.c */#include  #include  #include  #include  #include   #define SERVER_IP \"127.0.0.1\" #define SERVER_PORT 4808 #define BUFFER_SIZE 1024 #define CLIENT_SEND_CNT 20int main() { int sockfd; struct sockaddr_in server_addr; char buffer[BUFFER_SIZE] = {0}; const char *message = \"Hello, Server!\"; // 创建套接字  if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) { perror(\"socket creation failed\"); exit(EXIT_FAILURE); } // 配置服务器地址信息  server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT); // 将IP地址从字符串转换为二进制形式  if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr) <= 0) { perror(\"Invalid address/ Address not supported\"); close(sockfd); exit(EXIT_FAILURE); } // 连接到服务器  if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) { perror(\"Connection Failed\"); close(sockfd); exit(EXIT_FAILURE); } for(int i = 0; i < CLIENT_SEND_CNT; i++) { // 发送消息到服务器  send(sockfd, message, strlen(message), 0); printf(\"Message sent: %s\\n\", message);  // 接收服务器的响应  int bytes_received = recv(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0); if (bytes_received < 0) {  perror(\"Error in receiving\"); } else if (bytes_received == 0) {  printf(\"Server closed the connection\\n\"); } else {  buffer[bytes_received] = \'\\0\'; // 确保字符串以空字符结尾  printf(\"Message received from server: %s\\n\", buffer); } sleep(1); } // 关闭套接字  close(sockfd); return 0; }

说明

TCP客户端建立的基本步骤，创建socket，初始化服务端地址，连接服务器;
然后向服务端发送相同的消息；
每次发送完成后，等待接收消息；

2.3 客户端测试

可以看到，服务端处理客户端的请求时，都是按照接收到的顺序进行串行处理；

当客户端的数量达到成百上千时，对客户端的响应时间就会出现非常明显的延迟，

这种延迟会随着业务的复杂度而放大。

这时就需要充分利用多核CPU硬件资源，来进行并发任务的处理。

三、多进程服务处理

上面是在单个任务进程中处理了监听和大量任务连接的网络处理，各客户端连接的服务会相互影响，实际是串行化处理的。

要让大量的客户端能同时被响应，需要采用多任务的方式，那么在上面的网络模型基础上加入多进程，服务端为每个客户端连接准备一个独立的进程，这样就可以及时响应。

3.1 多进程架构

首先我们利用前面几个章节的介绍，来搭建一个多进程的代码架构，由主进程根据需要进行创建子进程，并且由主进程进行全局的控制。

在这里插入图片描述

/* * ex020302_netprocess.c */#include  #include  #include  #include  #include  #include  #include  #include   #define MAX_EVENTS 10 #define BUFFER_SIZE 1024 #define PORT 4808 void daemon_fork(){int pid = -1;pid = fork();if(pid < 0){printf(\"fork error[%s]\\n\",strerror(errno));exit(-1);}else if(pid > 0){// parent exit.exit(0);}else {// child daemonreturn;}}void subprocess(int sock){ int pid = -1;pid = fork();if(pid < 0){printf(\"fork error[%s]\\n\",strerror(errno));exit(-1);}else if(pid > 0){// parent. close(sock);return;}else {// child  close(listen_fd); processMsg(sock);exit(0);}}

说明

daemon服务程序函数，这个前一章节已经介绍过了，服务端以后台进程的方式运行；
子进程任务处理函数；这里创建的是任务子进程，并在子进程中调用消息处理函数；
这里需要注意的是，在子进程中要关闭服务端的socket，同时在父进程中要关闭客户端连接的socket; 因为父子进程会复制内存空间，但是在各自的进程中，已经不再需要；

3.2 并发网络处理模型

现在就可以将上面的多路复用网络处理放入多进程架构中，处理逻辑进行如下切分：

服务端监听socket初始化，多路复用器的初始化等，都放在主进程中，作为服务端网络初始化的一部分；
每个客户端连接的socket，以及它的读写消息处理逻辑，放在子进程中；这样每个客户端连接对应一个后台服务子进程；
创建子进程的时机，也就是在主进程中接收到新连接时，创建新连接成功后，就可以新建子进程进行处理；
而子进程的退出时间，就是客户端断开连接，或者处理出错时；

void initializeServerNet(){ struct sockaddr_in server_addr; // 创建监听socket  listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (listen_fd == -1) { perror(\"socket\"); exit(EXIT_FAILURE); } // 绑定地址和端口  server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; server_addr.sin_port = htons(PORT); if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) { perror(\"bind\"); close(listen_fd); exit(EXIT_FAILURE); } // 开始监听 if (listen(listen_fd, SOMAXCONN) == -1) { perror(\"listen\"); close(listen_fd); exit(EXIT_FAILURE); }}void closeServerFd(){ close(listen_fd); }void dispatchLoop(){ int conn_fd; // 主循环  while (1) { // 新的连接  conn_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL); if (conn_fd == -1) {  perror(\"accept\");  sleep(1); continue; } subprocess(conn_fd); } }void processMsg(int sock){ char buffer[BUFFER_SIZE]; ssize_t count; printf(\"serv-process:%d start.\\n\"); while ((count = read(sock, buffer, BUFFER_SIZE)) > 0) { // 处理接收到的数据（这里简单回显） write(sock, buffer, count); } if (count == -1 && errno != EAGAIN) { // 出现错误或连接关闭 close(sock); } else if (count == 0) { // 连接关闭 close(sock); } printf(\"serv-process:%d exit.\\n\");}

那么主程序实现如下：

void daemon_fork();void subprocess(int sock);void processMsg(int sock);void initializeServerNet();void closeServerFd();void dispatchLoop();int listen_fd;int main(int argc ,char *argv[]){daemon_fork();initializeServerNet(); dispatchLoop(); closeServerFd();return 0;}

在主进程中先进程服务端初始化；
然后就可以开始监听，并接收客户端的连接；
当有客户端连接时，就创建客户端连接，并启动子进程与该客户端进行网络通信；
子进程在客户端断开连接或出错时，就会退出；

2.3 客户端测试

可以看到将客户端发送次数调大后，开启的客户端越多，服务端启动的子进程也就会越多；

此时，可以看到服务端每个进程的CPU使用率并不是很高；

但是随着客户端数量越来越多，服务端进程数量超过CPU核数时，就会增加系统的负担；

四、总结

本文主要介绍了基于多进程架构的网络服务器的设计与实现，在多进程架构中每个客户端会有一个服务端的进程专门处理通信，增加了对客户端消息的响应效率，提升了并发处理能力。

结尾

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作者邮箱：study@senllang.onaliyun.com
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【linux 多进程并发】0302 Linux下多进程模型的网络服务器架构设计，实时响应多客户端请求_基于多进程的 linux 的网络服务器设计与实现

0302 多进程网络服务器架构

一、概述

二、多路复用的网络模型

2.1 服务端网络监听

2.2 客户端测试

2.3 客户端测试

三、多进程服务处理

3.1 多进程架构

3.2 并发网络处理模型

2.3 客户端测试

四、总结

结尾

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【linux 多进程并发】0302 Linux下多进程模型的网络服务器架构设计，实时响应多客户端请求_基于多进程的 linux 的网络服务器设计与实现

0302 多进程网络服务器架构

一、概述

二、多路复用的网络模型

2.1 服务端网络监听

2.2 客户端测试

2.3 客户端测试

三、多进程服务处理

3.1 多进程架构

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