一起写一个Web服务器（3）
转自：http://python.jobbole.com/81820/
“发明创造时，我们学得最多” —— Piaget
在本系列第二部分，你已经创造了一个可以处理基本的 HTTP GET 请求的 WSGI 服务器。我还问了你一个问题，“怎么让服务器在同一时间处理多个请求？”在本文中你将找到答案。那么，系好安全带加大马力。你马上就乘上快车啦。准备好Linux、Mac OS X（或任何类unix系统）和 Python。本文的所有源码都能在GitHub上找到。
首先咱们回忆下一个基本的Web服务器长什么样，要处理客户端请求它得做什么。你在第一部分和第二部分创建的是一个迭代的服务器，每次处理一个客户端请求。除非已经处理了当前的客户端请求，否则它不能接受新的连接。有些客户端对此就不开心了，因为它们必须要排队等待，而且如果服务器繁忙的话，这个队伍会很长。
以下是迭代服务器webserver3a.py的代码：
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34
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#####################################################################
# Iterative server - webserver3a.py #
# #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X #
#####################################################################
import
socket
SERVER_ADDRESS
=
(
HOST
,
PORT
)
=
''
,
8888
REQUEST_QUEUE_SIZE
=
5
def
handle_request
(
client_connection
)
:
request
=
client_connection
.
recv
(
1024
)
print
(
request
.
decode
(
)
)
http_response
=
b
"""
HTTP/1.1 200 OK
Hello, World!
"""
client_connection
.
sendall
(
http_response
)
def
serve_forever
(
)
:
listen_socket
=
socket
.
socket
(
socket
.
AF_INET
,
socket
.
SOCK_STREAM
)
listen_socket
.
setsockopt
(
socket
.
SOL_SOCKET
,
socket
.
SO_REUSEADDR
,
1
)
listen_socket
.
bind
(
SERVER_ADDRESS
)
listen_socket
.
listen
(
REQUEST_QUEUE_SIZE
)
print
(
'Serving HTTP on port {port} ...'
.
format
(
port
=
PORT
)
)
while
True
:
client_connection
,
client_address
=
listen_socket
.
accept
(
)
handle_request
(
client_connection
)
client_connection
.
close
(
)
if
__name__
==
'__main__'
:
serve_forever
(
)
|
要观察服务器同一时间只处理一个客户端请求，稍微修改一下服务器，在每次发送给客户端响应后添加一个60秒的延迟。添加这行代码就是告诉服务器睡眠60秒。
以下是睡眠版的服务器webserver3b.py代码：
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|
#########################################################################
# Iterative server - webserver3b.py #
# #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X #
# #
# - Server sleeps for 60 seconds after sending a response to a client #
#########################################################################
import
socket
import
time
SERVER_ADDRESS
=
(
HOST
,
PORT
)
=
''
,
8888
REQUEST_QUEUE_SIZE
=
5
def
handle_request
(
client_connection
)
:
request
=
client_connection
.
recv
(
1024
)
print
(
request
.
decode
(
)
)
http_response
=
b
"""
HTTP/1.1 200 OK
Hello, World!
"""
client_connection
.
sendall
(
http_response
)
time
.
sleep
(
60
)
# sleep and block the process for 60 seconds
def
serve_forever
(
)
:
listen_socket
=
socket
.
socket
(
socket
.
AF_INET
,
socket
.
SOCK_STREAM
)
listen_socket
.
setsockopt
(
socket
.
SOL_SOCKET
,
socket
.
SO_REUSEADDR
,
1
)
listen_socket
.
bind
(
SERVER_ADDRESS
)
listen_socket
.
listen
(
REQUEST_QUEUE_SIZE
)
print
(
'Serving HTTP on port {port} ...'
.
format
(
port
=
PORT
)
)
while
True
:
client_connection
,
client_address
=
listen_socket
.
accept
(
)
handle_request
(
client_connection
)
client_connection
.
close
(
)
if
__name__
==
'__main__'
:
serve_forever
(
)
|
启动服务器：
|
1
|
$
python
webserver3b
.
py
|
现在打开一个新的控制台窗口，运行以下curl命令。你应该立即就会看到屏幕上打印出了“Hello, World!”字符串：
|
1
2
3
4
|
$
curl
http
:
/
/
localhost
:
8888
/
hello
Hello
,
World
!
And
without
delay
open
up
a
second
terminal
window
and
run
the
same
curl
command
:
|
立刻再打开一个控制台窗口，然后运行相同的curl命令：
|
1
|
$
curl
http
:
/
/
localhost
:
8888
/
hello
|
如果你是在60秒内做的，那么第二个curl应该不会立刻产生任何输出，而是挂起。而且服务器也不会在标准输出打印出新请求体。在我的Mac上看起来像这样（在右下角的黄色高亮窗口表示第二个curl命令正挂起，等待服务器接受这个连接）：
当你等待足够长时间（大于60秒）后，你会看到第一个curl终止了，第二个curl在屏幕上打印出“Hello, World!”，然后挂起60秒，然后再终止：
它是这么工作的，服务器完成处理第一个curl客户端请求，然后睡眠60秒后开始处理第二个请求。这些都是顺序地，或者迭代地，一步一步地，或者，在我们例子中是一次一个客户端请求地，发生。
咱们讨论点客户端和服务器的通信吧。为了让两个程序能够网络通信，它们必须使用socket。你在第一部分和第二部分已经见过socket了，但是，socket是什么呢？
socket就是通信终端的一种抽象，它允许你的程序使用文件描述符和别的程序通信。本文我将详细谈谈在Linux/Mac OS X上的TCP/IP socket。理解socket的一个重要的概念是TCP socket对。
TCP的socket对是一个4元组，标识着TCP连接的两个终端：本地IP地址、本地端口、远程IP地址、远程端口。一个socket对唯一地标识着网络上的TCP连接。标识着每个终端的两个值，IP地址和端口号，通常被称为socket。
所以，元组{10.10.10.2:49152, 12.12.12.3:8888}是客户端TCP连接的唯一标识着两个终端的socket对。元组{12.12.12.3:8888, 10.10.10.2:49152}是服务器TCP连接的唯一标识着两个终端的socket对。标识TCP连接中服务器终端的两个值，IP地址12.12.12.3和端口8888，在这里就是指socket（同样适用于客户端终端）。
服务器创建一个socket并开始接受客户端连接的标准流程经历通常如下：
- 服务器创建一个TCP/IP socket。在Python里使用下面的语句即可：
listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)1listen_socket = socket . socket ( socket . AF_INET , socket . SOCK_STREAM ) - 服务器可能会设置一些socket选项（这是可选的，上面的代码就设置了，为了在杀死或重启服务器后，立马就能再次重用相同的地址）。
listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)1listen_socket . setsockopt ( socket . SOL_SOCKET , socket . SO_REUSEADDR , 1 ) - 然后，服务器绑定指定地址，bind函数分配一个本地地址给socket。在TCP中，调用bind可以指定一个端口号，一个IP地址，两者都，或者两者都不指定。
listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)1listen_socket . bind ( SERVER_ADDRESS ) - 然后，服务器让这个socket成为监听socket。
listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)1listen_socket . listen ( REQUEST_QUEUE_SIZE )
listen方法只会被服务器调用。它告诉内核它要接受这个socket上的到来的连接请求了。
做完这些后，服务器开始循环地一次接受一个客户端连接。当有连接到达时，aceept调用返回已连接的客户端socket。然后，服务器从这个socket读取请求数据，在标准输出上把数据打印出来，并回发一个消息给客户端。然后，服务器关闭客户端连接，准备好再次接受新的客户端连接。
下面是客户端使用TCP/IP和服务器通信要做的：
以下是客户端连接服务器，发送请求并打印响应的示例代码：
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|
import
socket
# create a socket and connect to a server
sock
=
socket
.
socket
(
socket
.
AF_INET
,
socket
.
SOCK_STREAM
)
sock
.
connect
(
(
'localhost'
,
8888
)
)
# send and receive some data
sock
.
sendall
(
b
'test'
)
data
=
sock
.
recv
(
1024
)
print
(
data
.
decode
(
)
)
|
创建socket后，客户端需要连接服务器。这是通过connect调用做到的：
|
1
|
sock
.
connect
(
(
'localhost'
,
8888
)
)
|
客户端仅需提供要连接的远程IP地址或主机名和远程端口号即可。
可能你注意到了，客户端不用调用bind和accept。客户端没必要调用bind，是因为客户端不关心本地IP地址和本地端口号。当客户端调用connect时内核的TCP/IP栈自动分配一个本地IP址地和本地端口。本地端口被称为暂时端口（ ephemeral port），也就是，short-lived 端口。
服务器上标识着一个客户端连接的众所周知的服务的端口被称为well-known端口（举例来说，80就是HTTP，22就是SSH）。操起Python shell，创建个连接到本地服务器的客户端连接，看看内核分配给你创建的socket的暂时的端口是多少（在这之前启动webserver3a.py或webserver3b.py）：
|
1
2
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4
5
6
|
>>>
import
socket
>>>
sock
=
socket
.
socket
(
socket
.
AF_INET
,
socket
.
SOCK_STREAM
)
>>>
sock
.
connect
(
(
'localhost'
,
8888
)
)
>>>
host
,
port
=
sock
.
getsockname
(
)
[
:
2
]
>>>
host
,
port
(
'127.0.0.1'
,
60589
)
|
上面这个例子中，内核分配了60589这个暂时端口。
在我开始回答第二部分提出的问题前，我需要快速讲一下几个重要的概念。你很快就知道为什么重要了。两个概念是进程和文件描述符。
什么是进程？进程就是一个正在运行的程序的实例。比如，当服务器代码执行时，它被加载进内存，运行起来的程序实例被称为进程。内核记录了进程的一堆信息用于跟踪，进程ID就是一个例子。当你运行服务器 webserver3a.py 或 webserver3b.py 时，你就在运行一个进程了。
在控制台窗口运行webserver3b.py：
|
1
|
$
python
webserver3b
.
py
|
在别的控制台窗口使用ps命令获取这个进程的信息：
|
1
2
|
$
ps
|
grep
webserver3b
|
grep
-
v
grep
7182
ttys003
0
:
00.04
python
webserver3b
.
py
|
ps命令表示你确实运行了一个Python进程webserver3b。进程创建时，内核分配给它一个进程ID，也就是 PID。在UNIX里，每个用户进程都有个父进程，父进程也有它自己的进程ID，叫做父进程ID，或者简称PPID。假设默认你是在BASH shell里运行的服务器，那新进程的父进程ID就是BASH shell的进程ID。
自己试试，看看它是怎么工作的。再启动Python shell，这将创建一个新进程，使用 os.getpid() 和 os.getppid() 系统调用获取Python shell进程的ID和父进程ID（BASH shell的PID）。然后，在另一个控制台窗口运行ps命令，使用grep查找PPID(父进程ID，我的是3148)。在下面的截图你可以看到在我的Mac OS X上，子Python shell进程和父BASH shell进程的关系：
另一个要了解的重要概念是文件描述符。那么什么是文件描述符呢？文件描述符是当打开一个存在的文件，创建一个文件，或者创建一个socket时，内核返回的非负整数。你可能已经听过啦，在UNIX里一切皆文件。内核使用文件描述符来追踪进程打开的文件。当你需要读或写文件时，你就用文件描述符标识它好啦。Python给你包装成更高级别的对象来处理文件（和socket），你不必直接使用文件描述符来标识一个文件，但是，在底层，UNIX中是这样标识文件和socket的：通过它们的整数文件描述符。
默认情况下，UNIX shell分配文件描述符0给进程的标准输入，文件描述符1给进程的标准输出，文件描述符2给标准错误。
就像我前面说的，虽然Python给了你更高级别的文件或者类文件的对象，你仍然可以使用对象的fileno()方法来获取对应的文件描述符。回到Python shell来看看怎么做：
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9
|
>>>
import
sys
>>>
sys
.
stdin
<
open
file
'
>>>
sys
.
stdin
.
fileno
(
)
0
>>>
sys
.
stdout
.
fileno
(
)
1
>>>
sys
.
stderr
.
fileno
(
)
2
|
虽然在Python中处理文件和socket，通常使用高级的文件/socket对象，但有时候你需要直接使用文件描述符。下面这个例子告诉你如何使用write系统调用写一个字符串到标准输出，write使用整数文件描述符做为参数：
|
1
2
3
4
|
>>>
import
sys
>>>
import
os
>>>
res
=
os
.
write
(
sys
.
stdout
.
fileno
(
)
,
'hellon'
)
hello
|
有趣的是——应该不会惊讶到你啦，因为你已经知道在UNIX里一切皆文件——socket也有一个分配给它的文件描述符。再说一遍，当你创建一个socket时，你得到的是一个对象而不是非负整数，但你也可以使用我前面提到的fileno()方法直接访问socket的文件描述符。
还有一件事我想说下：你注意到了吗？在第二个例子webserver3b.py中，当服务器进程在60秒的睡眠时你仍然可以用curl命令来连接。当然啦，curl没有立刻输出什么，它只是在那挂起。但为什么服务器不接受连接，客户端也不立刻被拒绝，而是能连接服务器呢？答案就是socket对象的listen方法和它的BACKLOG参数，我称它为 REQUEST_QUEUE_SIZE(请求队列长度)。BACKLOG参数决定了内核为进入的连接请求准备的队列长度。当服务器webser3b.py睡眠时，第二个curl命令可以连接到服务器，因为内核在服务器socket的进入连接请求队列上有足够的可用空间。
然而增加BACKLOG参数不会神奇地让服务器同时处理多个客户端请求，设置一个合理大点的backlog参数挺重要的，这样accept调用就不用等新连接建立起来，立刻就能从队列里获取新的连接，然后开始处理客户端请求啦。
吼吼！你已经了解了非常多的背景知识啦。咱们快速简要重述到目前为止你都学了什么（如果你都知道啦就温习一下吧）。
- 迭代服务器
- 服务器socket创建流程（socket, bind, listen, accept）
- 客户端连接创建流程（socket, connect）
- socket对
- socket
- 临时端口和众所周知端口
- 进程
- 进程ID（PID），父进程ID（PPID），父子关系。
- 文件描述符
- listen方法的BACKLOG参数的意义
现在我准备回答第二部分问题的答案了：“怎样才能让服务器同时处理多个请求？”或者换句话说，“怎样写一个并发服务器？”
在Unix上写一个并发服务器最简单的方法是使用fork()系统调用。
下面就是新的牛逼闪闪的并发服务器webserver3c.py的代码，它能同时处理多个客户端请求（和咱们迭代服务器例子webserver3b.py一样，每个子进程睡眠60秒）：
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48
49
50
51
52
53
54
|
###########################################################################
# Concurrent server - webserver3c.py #
# #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X #
# #
# - Child process sleeps for 60 seconds after handling a client's request #
# - Parent and child processes close duplicate descriptors #
# #
###########################################################################
import
os
import
socket
import
time
SERVER_ADDRESS
=
(
HOST
,
PORT
)
=
''
,
8888
REQUEST_QUEUE_SIZE
=
5
def
handle_request
(
client_connection
)
:
request
=
client_connection
.
recv
(
1024
)
print
(
'Child PID: {pid}. Parent PID {ppid}'
.
format
(
pid
=
os
.
getpid
(
)
,
ppid
=
os
.
getppid
(
)
,
)
)
print
(
request
.
decode
(
)
)
http_response
=
b
"""
HTTP/1.1 200 OK
Hello, World!
"""
client_connection
.
sendall
(
http_response
)
time
.
sleep
(
60
)
def
serve_forever
(
)
:
listen_socket
=
socket
.
socket
(
socket
.
AF_INET
,
socket
.
SOCK_STREAM
)
listen_socket
.
setsockopt
(
socket
.
SOL_SOCKET
,
socket
.
SO_REUSEADDR
,
1
)
listen_socket
.
bind
(
SERVER_ADDRESS
)
listen_socket
.
listen
(
REQUEST_QUEUE_SIZE
)
print
(
'Serving HTTP on port {port} ...'
.
format
(
port
=
PORT
)
)
print
(
'Parent PID (PPID): {pid}n'
.
format
(
pid
=
os
.
getpid
(
)
)
)
while
True
:
client_connection
,
client_address
=
listen_socket
.
accept
(
)
pid
=
os
.
fork
(
)
if
pid
==
0
:
# child
listen_socket
.
close
(
)
# close child copy
handle_request
(
client_connection
)
client_connection
.
close
(
)
os
.
_exit
(
0
)
# child exits here
else
:
# parent
client_connection
.
close
(
)
# close parent copy and loop over
if
__name__
==
'__main__'
:
serve_forever
(
)
|
在深入讨论for如何工作之前，先自己试试，看看服务器确实可以同时处理多个请求，不像webserver3a.py和webserver3b.py。用下面命令启动服务器：
|
1
|
$
python
webserver3c
.
py
|
像你以前那样试试用两个curl命令，自己看看，现在虽然服务器子进程在处理客户端请求时睡眠60秒，但不影响别的客户端，因为它们是被不同的完全独立的进程处理的。你应该能看到curl命令立刻就输出了“Hello, World!”，然后挂起60秒。你可以接着想运行多少curl命令就运行多少（嗯，几乎是任意多），它们都会立刻输出服务器的响应“Hello, Wrold”，而且不会有明显的延迟。试试看。
理解fork()的最重要的点是，你fork了一次，但它返回了两次：一个是在父进程里，一个是在子进程里。当你fork了一个新进程，子进程返回的进程ID是0。父进程里fork返回的是子进程的PID。
我仍然记得当我第一次知道它使用它时我对fork是有多着迷。它就像魔法一样。我正读着一段连续的代码，然后“duang”的一声：代码克隆了自己，然后就有两个相同代码的实例同时运行。我想除了魔法无法做到，我是认真哒。
当父进程fork了一个新的子进程，子进程就获取了父进程文件描述符的拷贝：
你可能已经注意到啦，上面代码里的父进程关闭了客户端连接：
|
1
2
|
else
:
# parent
client_connection
.
close
(
)
# close parent copy and loop over
|
那么，如果它的父进程关闭了同一个socket，子进程为什么还能从客户端socket读取数据呢？答案就在上图。内核使用描述符引用计数来决定是否关闭socket。只有当描述符引用计数为0时才关闭socket。当服务器创建一个子进程，子进程获取了父进程的文件描述符拷贝，内核增加了这些描述符的引用计数。在一个父进程和一个子进程的场景中，客户端socket的描述符引用计数就成了2，当父进程关闭了客户端连接socket，它仅仅把引用计数减为1，不会引发内核关闭这个socket。子进程也把父进程的listen_socket拷贝给关闭了，因为子进程不用管接受新连接，它只关心处理已经连接的客户端的请求：
|
1
|
listen_socket
.
close
(
)
# close child copy
|
本文后面我会讲下如果不关闭复制的描述符会发生什么。
你从并发服务器源码看到啦，现在服务器父进程唯一的角色就是接受一个新的客户端连接，fork一个新的子进程来处理客户端请求，然后重复接受另一个客户端连接，就没有别的事做啦。服务器父进程不处理客户端请求——它的小弟（子进程）干这事。
跑个题，我们说两个事件并发到底是什么意思呢？
当我们说两个事件并发时，我们通常表达的是它们同时发生。简单来说，这也不错，但你要知道严格定义是这样的：
|
1
|
如果你不能通过观察程序来知道哪个先发生的，那么这两个事件就是并发的。
|
又到了简要重述目前为止已经学习的知识点和概念的时间啦.
- 在Unix下写一个并发服务器最简单的方法是使用fork()系统调用
- 当一个进程fork了一个新进程时，它就变成了那个新fork产生的子进程的父进程。
- 在调用fork后，父进程和子进程共享相同的文件描述符。
- 内核使用描述符引用计数来决定是否关闭文件/socket。
- 服务器父进程的角色是：现在它干的所有活就是接受一个新连接，fork一个子进来来处理这个请求，然后循环接受新连接。
咱们来看看，如果在父进程和子进程中你不关闭复制的socket描述符会发生什么吧。以下是个修改后的版本，服务器不关闭复制的描述符，webserver3d.py：
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27
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29
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33
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35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
|
###########################################################################
# Concurrent server - webserver3d.py #
# #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X #
###########################################################################
import
os
import
socket
SERVER_ADDRESS
=
(
HOST
,
PORT
)
=
''
,
8888
REQUEST_QUEUE_SIZE
=
5
def
handle_request
(
client_connection
)
:
request
=
client_connection
.
recv
(
1024
)
http_response
=
b
"""
HTTP/1.1 200 OK
Hello, World!
"""
client_connection
.
sendall
(
http_response
)
def
serve_forever
(
)
:
listen_socket
=
socket
.
socket
(
socket
.
AF_INET
,
socket
.
SOCK_STREAM
)
listen_socket
.
setsockopt
(
socket
.
SOL_SOCKET
,
socket
.
SO_REUSEADDR
,
1
)
listen_socket
.
bind
(
SERVER_ADDRESS
)
listen_socket
.
listen
(
REQUEST_QUEUE_SIZE
)
print
(
'Serving HTTP on port {port} ...'
.
format
(
port
=
PORT
)
)
clients
=
[
]
while
True
:
client_connection
,
client_address
=
listen_socket
.
accept
(
)
# store the reference otherwise it's garbage collected
# on the next loop run
clients
.
append
(
client_connection
)
pid
=
os
.
fork
(
)
if
pid
==
0
:
# child
listen_socket
.
close
(
)
# close child copy
handle_request
(
client_connection
)
client_connection
.
close
(
)
os
.
_exit
(
0
)
# child exits here
else
:
# parent
# client_connection.close()
print
(
len
(
clients
)
)
if
__name__
==
'__main__'
:
serve_forever
(
)
|
启动服务器：
|
1
|
$
python
webserver3d
.
py
|
使用curl去连接服务器：
|
1
2
|
$
curl
http
:
/
/
localhost
:
8888
/
hello
Hello
,
World
!
|
好的，curl打印出来并发服务器的响应，但是它不终止，一直挂起。发生了什么？服务器不再睡眠60秒了：它的子进程开心地处理了客户端请求，关闭了客户端连接然后退出啦，但是客户端curl仍然不终止。
那么，为什么curl不终止呢？原因就在于复制的文件描述符。当子进程关闭了客户端连接，内核减少引用计数，值变成了1。服务器子进程退出，但是客户端socket没有被内核关闭掉，因为引用计数不是0啊，所以，结果就是，终止数据包（在TCP/IP说法中叫做FIN）没有发送给客户端，所以客户端就保持在线啦。这里还有个问题，如果服务器不关闭复制的文件描述符然后长时间运行，最终会耗尽可用文件描述符。
使用Control-C停止webserver3d.py，使用shell内建的命令ulimit检查一下shell默认设置的进程可用资源：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
|
$
ulimit
-
a
core
file
size
(
blocks
,
-
c
)
0
data
seg
size
(
kbytes
,
-
d
)
unlimited
scheduling
priority
(
-
e
)
0
file
size
(
blocks
,
-
f
)
unlimited
pending
signals
(
-
i
)
3842
max
locked
memory
(
kbytes
,
-
l
)
64
max
memory
size
(
kbytes
,
-
m
)
unlimited
open
files
(
-
n
)
1024
pipe
size
(
512
bytes
,
-
p
)
8
POSIX
message
queues
(
bytes
,
-
q
)
819200
real
-
time
priority
(
-
r
)
0
stack
size
(
kbytes
,
-
s
)
8192
cpu
time
(
seconds
,
-
t
)
unlimited
max
user
processes
(
-
u
)
3842
virtual
memory
(
kbytes
,
-
v
)
unlimited
file
locks
(
-
x
)
unlimited
|
看到上面的了咩，我的Ubuntu上，进程的最大可打开文件描述符是1024。
现在咱们看看怎么让服务器耗尽可用文件描述符。在已存在或新的控制台窗口，调用服务器最大可打开文件描述符为256:
|
1
|
$
ulimit
-
n
256
|
在同一个控制台上启动webserver3d.py：
|
1
|
$
python
webserver3d
.
py
|
使用下面的client3.py客户端来测试服务器。
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
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16
17
18
19
20
21
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28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
|
#####################################################################
# Test client - client3.py #
# #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X #
#####################################################################
import
argparse
import
errno
import
os
import
socket
SERVER_ADDRESS
=
'localhost'
,
8888
REQUEST
=
b
"""
GET /hello HTTP/1.1
Host: localhost:8888
"""
def
main
(
max_clients
,
max_conns
)
:
socks
=
[
]
for
client_num
in
range
(
max_clients
)
:
pid
=
os
.
fork
(
)
if
pid
==
0
:
for
connection_num
in
range
(
max_conns
)
:
sock
=
socket
.
socket
(
socket
.
AF_INET
,
socket
.
SOCK_STREAM
)
sock
.
connect
(
SERVER_ADDRESS
)
sock
.
sendall
(
REQUEST
)
socks
.
append
(
sock
)
print
(
connection_num
)
os
.
_exit
(
0
)
if
__name__
==
'__main__'
:
parser
=
argparse
.
ArgumentParser
(
description
=
'Test client for LSBAWS.'
,
formatter_class
=
argparse
.
ArgumentDefaultsHelpFormatter
,
)
parser
.
add_argument
(
'--max-conns'
,
type
=
int
,
default
=
1024
,
help
=
'Maximum number of connections per client.'
)
parser
.
add_argument
(
'--max-clients'
,
type
=
int
,
default
=
1
,
help
=
'Maximum number of clients.'
)
args
=
parser
.
parse_args
(
)
main
(
args
.
max_clients
,
args
.
max_conns
)
|
在新的控制台窗口里，启动client3.py，让它创建300个连接同时连接服务器。
|
1
|
$
python
client3
.
py
--
max
-
clients
=
300
|
很快服务器就崩了。下面是我电脑上抛异常的截图：
教训非常明显啦——服务器应该关闭复制的描述符。但即使关闭了复制的描述符，你还没有接触到底层，因为你的服务器还有个问题，僵尸！
是哒，服务器代码就是产生了僵尸。咱们看下是怎么产生的。再次运行服务器：
|
1
|
$
python
webserver3d
.
py
|
在另一个控制台窗口运行下面的curl命令：
|
1
|
$
curl
http
:
/
/
localhost
:
8888
/
hello
|
现在运行ps命令，显示运行着的Python进程。以下是我的Ubuntu电脑上的ps输出：
|
1
2
3
|
$
ps
auxw
|
grep
-
i
python
|
grep
-
v
grep
vagrant
9099
0.0
1.2
31804
6256
pts
/
0
S
+
16
:
33
0
:
00
python
webserver3d
.
py
vagrant
9102
0.0
0.0
0
0
pts
/
0
Z
+
16
:
33
0
:
00
[
python
]
&
lt
;
defunct
&
gt
;
|
你看到上面第二行了咩？它说PId为9102的进程的状态是Z+，进程的名称是。这个就是僵尸啦。僵尸的问题在于，你杀死不了他们啊。
即使你试着用 $ kill -9 来杀死僵尸，它们还是会幸存下来哒，自己试试看看。
僵尸到底是什么呢？为什么咱们的服务器会产生它们呢？僵尸就是一个进程终止了，但是它的父进程没有等它，还没有接收到它的终止状态。当一个子进程比父进程先终止，内核把子进程转成僵尸，存储进程的一些信息，等着它的父进程以后获取。存储的信息通常就是进程ID，进程终止状态，进程使用的资源。嗯，僵尸还是有用的，但如果服务器不好好处理这些僵尸，系统就会越来越堵塞。咱们看看怎么做到的。首先停止服务器，然后新开一个控制台窗口，使用ulimit命令设置最大用户进程为400（确保设置打开文件更高，比如500吧）：
|
1
2
|
$
ulimit
-
u
400
$
ulimit
-
n
500
|
在同一个控制台窗口运行webserver3d.py：
|
1
|
$
python
webserver3d
.
py
|
新开一个控制台窗口，启动client3.py，让它创建500个连接同时连接到服务器：
|
1
|
$
python
client3
.
py
--
max
-
clients
=
500
|
然后，服务器又一次崩了，是OSError的错误：抛了资源临时不可用的异常，当试图创建新的子进程时但创建不了时，因为达到了最大子进程数限制。以下是我的电脑的截图：
看到了吧，如果你不处理好僵尸，服务器长时间运行就会出问题。我会简短讨论下服务器应该怎样处理僵尸问题。
咱们简要重述下目前为止你已经学习到主要知识点：
- 如果不关闭复制描述符，客户端不会终止，因为客户端连接不会关闭。
- 如果不关闭复制描述符，长时间运行的服务器最终会耗尽可用文件描述符（最大打开文件）。
- 当fork了一个子进程，然后子进程退出了，父进程没有等它，而且没有收集它的终止状态，它就变成僵尸了。
- 僵尸要吃东西，我们的场景中，就是内存。服务器最终会耗尽可用进程（最大用户进程），如果不处理好僵尸的话。
- 僵尸杀不死的，你需要等它们。
那么，处理好僵尸的话，要做什么呢？要修改服务器代码去等僵尸，获取它们的终止状态。通过调用wait系统调用就好啦。不幸的是，这不完美，因为如果调用wait，然而没有终止的子进程，wait就会阻塞服务器，实际上就是阻止了服务器处理新的客户端连接请求。有其他办法吗？当然有啦，其中之一就是使用信息处理器和wait系统调用组合。
以下是如何工作的。当一个子进程终止了，内核发送SIGCHLD信号。父进程可以设置一个信号处理器来异步地被通知，然后就能wait子进程获取它的终止状态，因此阻止了僵尸进程出现。
顺便说下，异步事件意味着父进程不会提前知道事件发生的时间。
修改服务器代码，设置一个SIGCHLD事件处理器，然后在事件处理器里wait终止的子进程。webserver3e.py代码如下：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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17
18
19
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21
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23
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28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
|
###########################################################################
# Concurrent server - webserver3e.py #
# #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X #
###########################################################################
import
os
import
signal
import
socket
import
time
SERVER_ADDRESS
=
(
HOST
,
PORT
)
=
''
,
8888
REQUEST_QUEUE_SIZE
=
5
def
grim_reaper
(
signum
,
frame
)
:
pid
,
status
=
os
.
wait
(
)
print
(
'Child {pid} terminated with status {status}'
'n'
.
format
(
pid
=
pid
,
status
=
status
)
)
def
handle_request
(
client_connection
)
:
request
=
client_connection
.
recv
(
1024
)
print
(
request
.
decode
(
)
)
http_response
=
b
"""
HTTP/1.1 200 OK
Hello, World!
"""
client_connection
.
sendall
(
http_response
)
# sleep to allow the parent to loop over to 'accept' and block there
time
.
sleep
(
3
)
def
serve_forever
(
)
:
listen_socket
=
socket
.
socket
(
socket
.
AF_INET
,
socket
.
SOCK_STREAM
)
listen_socket
.
setsockopt
(
socket
.
SOL_SOCKET
,
socket
.
SO_REUSEADDR
,
1
)
listen_socket
.
bind
(
SERVER_ADDRESS
)
listen_socket
.
listen
(
REQUEST_QUEUE_SIZE
)
print
(
'Serving HTTP on port {port} ...'
.
format
(
port
=
PORT
)
)
signal
.
signal
(
signal
.
SIGCHLD
,
grim_reaper
)
while
True
:
client_connection
,
client_address
=
listen_socket
.
accept
(
)
pid
=
os
.
fork
(
)
if
pid
==
0
:
# child
listen_socket
.
close
(
)
# close child copy
handle_request
(
client_connection
)
client_connection
.
close
(
)
os
.
_exit
(
0
)
else
:
# parent
client_connection
.
close
(
)
if
__name__
==
'__main__'
:
serve_forever
(
)
|
启动服务器：
|
1
|
$
python
webserver3e
.
py
|
使用老朋友curl给修改后的并发服务器发送请求：
|
1
|
$
curl
http
:
/
/
localhost
:
8888
/
hello
|
观察服务器：
刚才发生了什么？accept调用失败了，错误是EINTR。
当子进程退出，引发SIGCHLD事件时，父进程阻塞在accept调用，这激活了事件处理器，然后当事件处理器完成时，accept系统调用就中断了：
别着急，这个问题很好解决。你要做的就是重新调用accept。以下是修改后的代码：
|
1
2
3
4
5
6
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8
9
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11
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17
18
19
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27
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30
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35
36
37
38
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40
41
42
43
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45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
|
###########################################################################
# Concurrent server - webserver3f.py #
# #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X #
###########################################################################
import
errno
import
os
import
signal
import
socket
SERVER_ADDRESS
=
(
HOST
,
PORT
)
=
''
,
8888
REQUEST_QUEUE_SIZE
=
1024
def
grim_reaper
(
signum
,
frame
)
:
pid
,
status
=
os
.
wait
(
)
def
handle_request
(
client_connection
)
:
request
=
client_connection
.
recv
(
1024
)
print
(
request
.
decode
(
)
)
http_response
=
b
"""
HTTP/1.1 200 OK
Hello, World!
"""
client_connection
.
sendall
(
http_response
)
def
serve_forever
(
)
:
listen_socket
=
socket
.
socket
(
socket
.
AF_INET
,
socket
.
SOCK_STREAM
)
listen_socket
.
setsockopt
(
socket
.
SOL_SOCKET
,
socket
.
SO_REUSEADDR
,
1
)
listen_socket
.
bind
(
SERVER_ADDRESS
)
listen_socket
.
listen
(
REQUEST_QUEUE_SIZE
)
print
(
'Serving HTTP on port {port} ...'
.
format
(
port
=
PORT
)
)
signal
.
signal
(
signal
.
SIGCHLD
,
grim_reaper
)
while
True
:
try
:
client_connection
,
client_address
=
listen_socket
.
accept
(
)
except
IOError
as
e
:
code
,
msg
=
e
.
args
# restart 'accept' if it was interrupted
if
code
==
errno
.
EINTR
:
continue
else
:
raise
pid
=
os
.
fork
(
)
if
pid
==
0
:
# child
listen_socket
.
close
(
)
# close child copy
handle_request
(
client_connection
)
client_connection
.
close
(
)
os
.
_exit
(
0
)
else
:
# parent
client_connection
.
close
(
)
# close parent copy and loop over
if
__name__
==
'__main__'
:
serve_forever
(
)
|
启动修改后的webserver3f.py：
|
1
|
$
python
webserver3f
.
py
|
使用curl给修改后的服务器发送请求：
|
1
|
$
curl
http
:
/
/
localhost
:
8888
/
hello
|
看到了吗？没有EINTR异常啦。现在，验证一下吧，没有僵尸了，带wait的SIGCHLD事件处理器也能处理好子进程了。怎么验证呢？只要运行ps命令，看看没有Z+状态的进程（没有进程）。太棒啦！没有僵尸在四周跳的感觉真安全呢！
- 如果fork了子进程并不wait它，它就成僵尸了。
- 使用SIGCHLD事件处理器来异步的wait终止了的子进程来获取它的终止状态
- 使用事件处理器时，你要明白，系统调用会被中断的，你要做好准备对付这种情况
嗯，目前为止，一次都好。没有问题，对吧？好吧，几乎滑。再次跑下webserver3f.py，这次不用curl请求一次了，改用client3.py来创建128个并发连接：
|
1
|
$
python
client3
.
py
--
max
-
clients
128
|
现在再运行ps命令
|
1
|
$
ps
auxw
|
grep
-
i
python
|
grep
-
v
grep
|
看到了吧，少年，僵尸又回来了！
这次又出什么错了呢？当你运行128个并发客户端时，建立了128个连接，子进程处理了请求然后几乎同时终止了，这就引发了SIGCHLD信号洪水般的发给父进程。问题在于，信号没有排队，父进程错过了一些信号，导致了一些僵尸到处跑没人管：
解决方案就是设置一个SIGCHLD事件处理器，但不用wait了，改用waitpid系统调用，带上WNOHANG参数，循环处理，确保所有的终止的子进程都被处理掉。以下是修改后的webserver3g.py：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
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16
17
18
19
20
21
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23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
|
###########################################################################
# Concurrent server - webserver3g.py #
# #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X #
###########################################################################
import
errno
import
os
import
signal
import
socket
SERVER_ADDRESS
=
(
HOST
,
PORT
)
=
''
,
8888
REQUEST_QUEUE_SIZE
=
1024
def
grim_reaper
(
signum
,
frame
)
:
while
True
:
try
:
pid
,
status
=
os
.
waitpid
(
-
1
,
# Wait for any child process
os
.
WNOHANG
# Do not block and return EWOULDBLOCK error
)
except
OSError
:
return
if
pid
==
0
:
# no more zombies
return
def
handle_request
(
client_connection
)
:
request
=
client_connection
.
recv
(
1024
)
print
(
request
.
decode
(
)
)
http_response
=
b
"""
HTTP/1.1 200 OK
Hello, World!
"""
client_connection
.
sendall
(
http_response
)
def
serve_forever
(
)
:
listen_socket
=
socket
.
socket
(
socket
.
AF_INET
,
socket
.
SOCK_STREAM
)
listen_socket
.
setsockopt
(
socket
.
SOL_SOCKET
,
socket
.
SO_REUSEADDR
,
1
)
listen_socket
.
bind
(
SERVER_ADDRESS
)
listen_socket
.
listen
(
REQUEST_QUEUE_SIZE
)
print
(
'Serving HTTP on port {port} ...'
.
format
(
port
=
PORT
)
)
signal
.
signal
(
signal
.
SIGCHLD
,
grim_reaper
)
while
True
:
try
:
client_connection
,
client_address
=
listen_socket
.
accept
(
)
except
IOError
as
e
:
code
,
msg
=
e
.
args
# restart 'accept' if it was interrupted
if
code
==
errno
.
EINTR
:
continue
else
:
raise
pid
=
os
.
fork
(
)
if
pid
==
0
:
# child
listen_socket
.
close
(
)
# close child copy
handle_request
(
client_connection
)
client_connection
.
close
(
)
os
.
_exit
(
0
)
else
:
# parent
client_connection
.
close
(
)
# close parent copy and loop over
if
__name__
==
'__main__'
:
serve_forever
(
)
|
启动服务器：
|
1
|
$
python
webserver3g
.
py
|
使用测试客户端client3.py：
|
1
|
$
python
client3
.
py
--
max
-
clients
128
|
现在验证一下没有僵尸了吧。哈！没有僵尸的日子真好！
恭喜！这真是段很长的旅程啊，希望你喜欢。现在你已经拥有了自己的简单并发服务器，而且这个代码有助于你在将来的工作中开发一个产品级的Web服务器。
我要把它留作练习，你来修改第二部分的WSGI服务器，让它达到并发。你在这里可以找到修改后的版本。但是你要自己实现后再看我的代码哟。你已经拥有了所有必要的信息，所以，去实现它吧！
接下来做什么呢？就像Josh Billings说的那样，
像邮票那样——用心做一件事，直到完成。
去打好基础吧。质疑你已经知道的，保持深入研究。
如果你只学方法，你就依赖方法。但如果你学会原理，你可以发明自己的方法。—— 爱默生
以下是我挑出来对本文最重要的几本书。它们会帮你拓宽加深我提到的知识。我强烈建议你想言设法弄到这些书：从朋友那借也好，从本地图书馆借，或者从亚马逊买也行。它们是守护者：
- Unix网络编程，卷1：socket网络API（第三版）
- UNIX环境高级编程，第三版
- Linux编程接口：Linux和UNIX系统编辑手册
- TCP/IP详解，卷1：协议（第二版）
- The Little Book of SEMAPHORES (2nd Edition): The Ins and Outs of Concurrency Control and Common Mistakes. Also available for free on the author’s site here.