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C网络编程：Server处理多个Client(多进程server方法 和 non-blocking与select结合)
参看基于TCP/UDP的socket代码，同一时间Server只能处理一个Client请求：在使用当前连接的socket和client进行交互的时候，不能够accept新的连接请求。为了使Server能够处理多个Client请求，常见的方法：
多进程方法(每个子进程单独处理一个client连接)
在每个accept成功之后，使用fork创建一个子进程专门处理该client的connection，父进程(server)本身可以继续accept其他新的client的连接请求。具体如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define DEFAULT_PORT 1984 //默认端口 #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); //设置接受任意地址
bind_addr.sin_port = htons(port); //将host byte order转换为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) {
//这里是子进程
close(sock); //子进程中不需要server的sock
clientProcess(new_sock); //使用新的new_sock和client进行交互
close(new_sock); //关闭client的连接
exit(EXIT_SUCCESS); //子进程退出
} else {
//这里是父进程
close(new_sock); //由于new_sock已经交给子进程处理，这里可以关闭了
}
}
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)代码为了处理zombie process问题：当server进程运行时间较长，且产生越来越多的子进程，当这些子进程运行结束都会成为zombie process，占据系统的process table。解决方法是在父进程(server进程)中显式地处理子进程结束之后发出的SIGCHLD信号：调用wait/waitpid清理子进程的zombie信息。
测试：运行server程序，然后同时运行2个client(telnet localhost 1984)，可看到该server能够很好地处理2个client。
- 多进程方法的优点：
每个独立进程处理一个独立的client，对server进程来说只需要accept新的连接，对每个子进程来说只需要处理自己的client即可。
- 多进程方法的缺点：
子进程的创建需要独立的父进程资源副本，开销较大，对高并发的请求不太适合；且一个进程仅处理一个client不能有效发挥作用。另外有些情况下还需要进程间进行通信以协调各进程要完成的任务。
使用select实现non-blocking socket(single process concurrent server)
blocking socket VS non-blocking socket
默认情况下socket是blocking的，即函数accept(), recv/recvfrom, send/sendto，connect等，需等待函数执行结束之后才能够返回(此时操作系统切换到其他进程执行)。accpet()等待到有client连接请求并接受成功之后，recv/recvfrom需要读取完client发送的数据之后才能够返回。
可设置socket为non-blocking模式，即调用函数立即返回，而不是必须等待满足一定条件才返回。参看http://www.scottklement.com/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.
设置socket为非阻塞non-blocking
使用socket()创建的socket(file descriptor)，默认是阻塞的(blocking)；使用函数fcntl()(file control)可设置创建的socket为非阻塞的non-blocking。
#include
#include
sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
int flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);
fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
这样使用原本blocking的各种函数，可以立即获得返回结果。通过判断返回的errno了解状态：
accept():
在non-blocking模式下，如果返回值为-1，且errno == EAGAIN或errno == EWOULDBLOCK表示no connections没有新连接请求；
recv()/recvfrom():
在non-blocking模式下，如果返回值为-1，且errno == EAGAIN表示没有可接受的数据或很在接受尚未完成；
send()/sendto():
在non-blocking模式下，如果返回值为-1，且errno == EAGAIN或errno == EWOULDBLOCK表示没有可发送数据或数据发送正在进行没有完成。
read/write:
在non-blocking模式下，如果返回-1，且errno == EAGAIN表示没有可读写数据或可读写正在进行尚未完成。
connect():
在non-bloking模式下，如果返回-1，且errno = EINPROGRESS表示正在连接。
使用如上方法，可以创建一个non-blocking的server的程序，类似如下代码：
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
...
}
...
}
纯non-blocking程序缺点：如果运行如上程序会发现调用accept可以理解返回，但这样会耗费大量的CPU time，实际中并不会这样使用。实际中将non-blocking和select结合使用。
non-blocking和select结合使用
select通过轮询，监视指定file descriptor(包括socket)的变化，知道:哪些ready for reading, 哪些ready for writing，哪些发生了错误等。select和non-blocking结合使用可很好地实现socket的多client同步通信。
select函数：
#include
#include
#include
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: 指定要侦听ready to read的file descriptor，可以为NULL
//writefds: 指定要侦听ready to write的file descriptor，可以为NULL
//errorfds: 指定要侦听errors的file descriptor，可以为NULL
//timeout: 指定侦听到期的时间长度，如果该struct timeval的各个域都为0，则相当于完全的non-blocking模式；如果该参数为NULL，相当于block模式；
//select返回total number of bits set in readfds, writefds and errorfds，当timeout的时候返回0，发生错误返回-1。
//另外select会更新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为距离超时时刻的剩余时间。
另外，fd_set类型需要使用如下4个宏进行赋值：
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.
因此通过如下代码可以将要侦听的file descriptor/socket添加到响应的fd_set中，例如：
fd_set readfds;
FD_ZERO(&readfds);
int sock;
sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
FD_SET(sock, &readfds); //将新创建的socket添加到readfds中
FD_SET(stdin, &readfds); //将stdin添加到readfds中
struct timeval类型：
struct timeval {
int tv_sec; //seconds
int tv_usec; //microseconds，注意这里是微秒不是毫秒，1秒 = 1000, 000微秒
};
因此，使用select函数可以添加希望侦听的file descriptor/socket到read, write或error中(如果对某一项不感兴趣，可以设置为NULL)，并设置每次侦听的timeout时间。
注意如果设置timeout为：
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 0;
timeout.tv_usec = 0;
相当于每次select立即返回相当于纯non-blocking模式；
如果设置timeout参数为NULL，则每次select持续等待到有变化则相当于blocking模式。
使用select和non-blocking实现server处理多client实例：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define DEFAULT_PORT 1984 //默认端口
#define BUFF_SIZE 1024 //buffer大小
#define SELECT_TIMEOUT 5 //select的timeout seconds
//函数：设置sock为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);
}
}
//函数：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;
//获取自定义端口
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);
}
//创建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);
}
//设置sock为non-blocking
setSockNonBlock(sock);
//创建要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); //设置接受任意地址
bind_addr.sin_port = htons(port); //将host byte order转换为network byte order
//bind sock到创建的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");
//创建并初始化select需要的参数(这里仅监视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之后会更新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);
//循环接受client请求
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的值都会被修改，因此每次都进行重置
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(这里没有设置writefds和errorfds，如有需要可以设置)
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;
}
//检查每个socket，并进行读(如果是sock则accept)
for (i = 0; i <= maxfd; i++) {
if (!FD_ISSET(i, &readfds)) {
continue;
}
//可读的socket
if ( i == sock) {
//当前是server的socket，不进行读写而是accept新连接
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);
//设置new_sock为non-blocking
setSockNonBlock(new_sock);
//把new_sock添加到select的侦听中
if (new_sock > maxfd) {
maxfd = new_sock;
}
FD_SET(new_sock, &readfds_bak);
} else {
//当前是client连接的socket，可以写(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);
//立即将收到的内容写回去，并关闭连接
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);
//将当前的socket从select的侦听中移除
FD_CLR(i, &readfds_bak);
}
}
}
return 0;
}
编译并运行如上程序，然后尝试使用多个telnet localhost 1984连接该server。可以发现各个connection很好地独立工作。因此，使用select可实现一个进程尽最大所能地处理尽可能多的client。
参考：
- http://www.linuxhowtos.org/C_C++/socket.htm
- http://beej.us/guide/bgnet/output/html/multipage/clientserver.html
- http://beej.us/guide/bgnet/output/html/multipage/advanced.html
- http://www.scottklement.com/rpg/socktut/nonblocking.html
- http://en.wikipedia.org/wiki/Select_%28Unix%29
- http://www.lowtek.com/sockets/select.html
- http://systhread.net/texts/200909netconn4.php
- http://www.tenouk.com/Module41.html
- http://stackoverflow.com/questions/1150635/unix-nonblocking-i-o-o-nonblock-vs-fionbio
- http://stackoverflow.com/questions/1735781/non-blocking-pipe-using-popen
- http://www.kegel.com/dkftpbench/nonblocking.html