网络编程教程（六）Linux服务器编程框架
一、服务器编程框架
| 模块 | 单个服务器程序 | 服务器机群 |
| I/O处理单元 | 处理客户连接，读写网络数据 | 作为接入服务器，实现负载均衡 |
| 逻辑单元 | 业务进程或线程 | 逻辑服务器 |
| 网络存储单元 | 本地数据库 、文件或缓存 | 数据库服务器 |
| 请求队列 | 各单元之间的通信方式 | 各服务器之间的永久TCP连接 |
I/O处理单元是服务器管理客户连接的模块。主要完成以下工作：等待并接受新的客户连接，接受客户数据，将服务器响应数据返回给客户端。但是，数据的收发不一定在I/O处理单元中执行，也可能在逻辑单元中执行，具体在何处执行取决于事件处理模式。对于一个服务器机群来说，它实现负载均衡，从所有逻辑服务器中选取负荷最小的一台来为新客户服务。
一个逻辑单元通常是一个线程或者进程。它分析并处理客户数据，然后将结果传递给I/O处理单元或者直接发送给客户端。对服务器机群而言，一个逻辑单元本身是一台逻辑服务器。服务器通常拥有多个逻辑单元，以实现对多个客户任务的并行处理。
网络存储单元可以使数据库、缓存和文件，甚至是一台独立的服务器。但它不是必须的，比如ssh、telnet等登录服务就不需要这个单元。
请求队列是各单元之间的通信方式的抽象。I/O处理单元收到客户请求时，需要以某种方式通知一个逻辑单元来处理该请求。同样，多个逻辑单元同时访问同一个存储单元时，也需要采用某种机制来协调处理竞态条件。请求队列通常实现为池的一部分。
二、I/O模型
1.阻塞I/O和非阻塞I/O
阻塞I/O执行的系统调用可能因为无法立即完成而被操作系统挂起，直到等待的事件发生为止。非阻塞I/O执行的系统调用总是立即返回，而不管事件是否已经发生，如果事件没有立即发生则返回-1，和出错情况一样，此时可根据errno来区分这两种情况。对accept/send和recv而言，事件未发生时errno通常被设置为EAGAIN或者EWOULDBLOCK;对于connect而言，errno则被设置成EINPROGRESS。非阻塞I/O一般和I/O通知机制一起使用，如I/O复用和SIGIO信号。
2.I/O复用
I/O复用是最常使用的I/O通知机制，指定是应用程序通过I/O复用函数向内核注册一组事件，内核通过I/O复用函数把其中就绪的事件通知给应用程序。Linux上常用的I/O复用函数是select、poll和epoll_wait。I/O复用函数本身是阻塞的，它们能提高程序效率的原因在于它们具有同时监听多个I/O事件的能力。
3.四种I/O模型
阻塞I/O、I/O复用、信号驱动I/O这三者都是同步I/O模型。
| I/O模型 | 读写操作和阻塞阶段 |
| 阻塞I/O | 程序阻塞与读写函数 |
| I/O复用 | 程序阻塞与I/O复用系统调用，但可同时监听多个I/O事件。对I/O本身的读写操作是非阻塞的 |
| SIGIO信号 | ·信号触发读写就绪事件，用户程序执行读写操作，程序没有阻塞阶段 |
| 异步I/O | 内核执行读写操作并触发读写完成事件。程序没有阻塞阶段 |
三、两种高效的事件处理模式
服务器程序通常要处理三类事件：I/O事件、信号和定时事件。两种高效的事件处理模式：Reactor和Proactor。一般地，同步I/O模型常用于实现Reactor模式，异步I/O模型则用于实现Proactor模式。
1.Reactor模式
Reactor是一种这样的模式，它要求主线程（I/O处理单元）只负责监听文件描述符上是否有事件发生，有的话就立即将该事件通知工作线程（逻辑单元）。除此之外，主线程不作任何其他实质性工作。读写数据，接收新的连接，以及处理客户请求均在工作线程完成。
使用同步I/O模型（以epoll_wait为例）实现的Reactor模式的工作流程是：
(1)主线程往epoll内核事件表中注册socket读就绪事件；
(2)主线程调用epoll_wait等待socket上有数据可读；
(3)当socket上有数据可读时，epoll_wait通知主线程。主线程则将socket可读事件放入请求队列；
(4)睡眠在请求队列上的某个工作线程被唤醒，它从socket读取数据，并处理客户请求，然后往epoll内核事件表中注册该socket上的写就绪事件；
(5)主线程调用epoll_wait等待socket可写；
(6)当socket可写时，epoll_wait通知主线程，主线程将socket可写事件放入请求队列；
(7)睡眠在请求队列上的某个工作线程被唤醒，它往socket上写入服务器处理客户请求的结果。
2.Proactor模式
Proactor模式将所有I/O操作都交给主线程和内核来处理，工作线程仅负责业务逻辑。
使用异步I/O模型（以aio_read和aio_write为例）实现的Proactor模式工作流程是：
(1)主线程调用aio_read函数想内核注册socket上读完成事件，并告诉内核用户读缓冲区的位置，以及读操作完成时如何通知应用程序;
(2)主线程继续处理其他逻辑;
(3)当socket上的数据被读入用户缓冲区后，内核将向应用程序发送一个信号，以通知应用程序数据已经可用;
(4)应用程序预先定义好的处理函数选择一个工作线程来处理客户请求。工作线程处理完客户请求以后，调用aio_write函数想内核注册socket上的写完成事件，并告诉内核用户写缓冲区的位置，以及写操作完成时如何通知应用程序;
(5)主线程继续处理其他逻辑;
(6)当用户缓冲区的数据被写入socket之后，内核将向应用程序发送一个信号，以通知应用程序数据已经发送完毕;
(7)应用程序预先定义好的信号处理函数选择一个工作线程来做善后处理，比如决定是否关闭socket.
3.两者的区别
Reactor模式适用于耗时短的处理场景，同时接受多个服务请求，并且一次同步的处理它们的事件驱动程序。
Proactor则适用于耗时长的处理场景，异步接受和同时处理多个服务器请求的事件驱动程序。
四、两种高效的并发模式
并发编程的目的是让程序“同时”执行多个任务。而并发模式是指I/O处理单元和多个逻辑单元之间协调完成任务的方法。
1.半同步/半异步模式
同步是指程序完全按照代码序列的顺序执行；异步是指程序的执行需要有系统事件来驱动，常见的系统事件包括中断、信号等。
一种高效的半同步/半异步模式是指，主线程只管理监听socket，连接socket由工作线程来管理。主线程是异步的，工作线程也是异步的，这不是严格意义上的半同步/半异步.
2.领导者/追随者模式
领导者/追随者模式是多个工作线程轮流获得事件源集合，轮流监听、分发并处理时间的一种模式。在任意时间点，程序都仅有一个领导者，它负责监听I/O事件，而其他线程则都是追随者，他们休眠在线程池中等待称为新的领导者。当前的领导者如果检测到I/O事件，首先要冲线程池中推选出新的领导者线程，然后处理I/O事件。此时，新的领导者等待新的I/O事件，而原来的领导者则处理I/O事件，二者实现了并发。
五、提高服务器性能的其他建议
高性能服务器要注意的几个方面：池、数据复制、上下文切换和锁。
1.池
池是一组资源的集合，这组资源在服务器启动之初就完全被创建好并初始化，这称为静态资源分配。当拂去其正式运行阶段，即开始处理客户请求的时候，如果需要相关资源，则可以直接从池中获取，无需动态分配。因为直接从池中获取资源比动态分配资源的速度要快的多，因为分配系统资源的系统调用都是很耗时的，涉及到用户态和内核态的来回切换。当服务器处理完一个客户连接以后，可以把相关资源放回池中，无需执行系统调用来释放资源。
常见的池有内存池、进程池、线程池和连接池。
(1)内存池
内存池通常用于socket的接收缓冲和发送缓冲。内存池的大小可以根据情况进行分配，一种是预先分配好固定的内存池大小，另一种是根据情况动态扩大接收缓冲区。
(2)进程池/线程池
进程池和线程池都是用于并发的手段，当我们需要一个工作进程或工作线程来处理新到来的客户请求时，我们可以直接从进程的池或线程池中取得一个执行实体，而无须动态调用fork或pthread_create等函数来创建进程和线程。
(3)连接池
连接池通常用于服务器或服务器机群的内部永久连接。如每个逻辑单元都可能需要频繁访问本地的某个数据库。简单做法是：逻辑单元每次需要访问数据库的时候，就像数据库程序发起连接，而访问完毕后释放连接。这种做法效率太低。一种解决方案是使用连接池。连接池是服务器预先和数据库程序建立的一组连接的集合。当某个逻辑单元需要访问数据库时，它可以直接从连接池中取得一个连接的实体并使用之。待完成后再返回给连接池。
2.数据复制
尽量使用“零拷贝”函数，如sendfile()、tee()等，从而避免数据在用户空间和内核空间的来回拷贝，提高效率。
3.上下文切换和锁
不管是多进程还是多线程，数量都不应该太多，否则可能出现进程间或线程间切换占用大量的CPU时间，从而降低效率。
并发程序中考虑的另外一个问题是共享资源的加锁保护，加的锁应粒度尽可能的小。
补充：socket的基础API中，可能被阻塞的系统调用包括accept、send、recv和connect.