《TCP/IP 网络编程》第 10 章——多进程服务器端（学习笔记）
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第 10 章 多进程服务器端
现在开始学习构建实际网络服务所需的内容
10.1 进程概念及应用
10.1.1 两种类型的服务器端
10.1.2 并发服务端的实现方法
下面列出的是具有代表性的并发服务器端实现模型和方法
- 多进程服务器：通过创建多个进程提供服务
- 多路复用服务器：通过捆绑并统一管理 I/O 对象提供服务
- 多线程服务器：通过生成与客户端等量的线程提供服务
先讲解第一种方法：多进程服务器。这种方法不适合在 Windows 平台下。
10.1.3 理解进程
进程的定义：占用内存空间的正在运行的程序
10.1.4 进程 ID
讲解创建进程方法前，先简要说明进程 ID。无论进程是如何创建的，所有进程都会从操作系统分配到 ID。此 ID 被称为『进程ID』，其值为大于 2 的整数。1 要分配给操作系统启动后的（用于协助操作系统）首个进程，因此用户进程无法得到 ID 值 1 。接下来观察 Linux 中正在运行的进程。
ps au
通过 ps 指令可以查看当前运行的所有进程。特别需要注意的是，该命令同时列出了 PID（进程ID）。另外，上述示例通过指定 a 和 u 参数列出了所有进程详细信息。
10.1.5 通过调用 fork 函数创建进程
创建进程的方法很多，此处只介绍用于创建多进程服务器端的 fork 函数。
#include fork 函数将创建调用的进程副本。也就是说，并非根据完全不同的程序创建进程，而是复制正在运行的、调用 fork 函数的进程。另外，两个进程都将执行 fork 函数调用后的语句（准确地说是在 fork 函数返回后）。但因为是通过同一个进程、复制相同的内存空间，之后的程序流要根据 fork 函数的返回值加以区分。即利用 fork 函数的如下特点区分程序执行流程。
- 父进程：fork 函数返回子进程 ID
- 子进程：fork 函数返回 0
此处『父进程』（Parent Process）指原进程，即调用 fork 函数的主体，而『子进程』（Child Process）是通过父进程调用 fork 函数复制出的进程。接下来讲解调用 fork 函数后的程序运行流程。
下面给一个示例，代码参考 fork.c 文件
父进程调用 fork 函数的同时复制出子进程，并分别得到 fork 函数的返回值。但复制前，父进程将全局变量 gval 增加到 11,将局部变量 lval 的值增加到 25，因此在这种状态下完成进程复制。复制完成后根据 fork 函数的返回类型区分父子进程。父进程的 lval 的值增加 1 ，但这不会影响子进程的 lval 值。同样子进程将 gval 的值增加 1 也不会影响到父进程的 gval 。因为 fork 函数调用后分成了完全不同的进程，只是二者共享同一段代码而已。接下来给出一个例子：
运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ gcc fork.c -o fork.exe
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ ./fork.exe
Parent Proc: [9,23]
Child Proc: [13,27]
10.2 进程和僵尸进程
10.2.1 僵尸（Zombie）进程
进程完成工作后应被销毁，但有时这些进程将变成僵尸进程，占用系统中的重要资源。这种状态下的进程称作『僵尸进程』。
10.2.2 产生僵尸进程的原因
为了防止僵尸进程的产生，先解释产生僵尸进程的原因。利用如下两个示例展示调用 fork 函数产生子进程的终止方式。
- 传递参数并调用 exit 函数
- main 函数中执行 return 语句并返回值
向 exit 函数传递的参数值和 main 函数的 return 语句返回的值都会传递给操作系统。而操作系统不会销毁子进程，直到把这些值传递给产生该子进程的父进程。处在这种状态下的进程就是僵尸进程。也就是说，将子进程变成僵尸进程的正是操作系统。
Q：此僵尸进程何时被销毁呢？
A：应该向创建子进程的父进程传递子进程的 exit 参数值或 return 语句的返回值。
如何向父进程传递这些值呢？操作系统不会主动把这些值传递给父进程。只有父进程主动发起请求（函数调用）时，操作系统才会传递该值。换言之，如果父进程未主动要求获得子进程的结束状态值，操作系统将一直保存，并让子进程长时间处于僵尸进程状态。也就是说，父母要负责收回自己生的孩子。接下来的示例将创建僵尸进程。
代码参考 zombie.c 文件
运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ gcc zombie.c -o zombie.exe
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ ./zombie.exe
Child Process ID: 69045
Hi, I am a child process
End child process
End parent process
wzy@wzypc:~$ ps au
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
wzy 69021 0.0 0.1 29964 4824 pts/2 Ss 22:17 0:00 bash
wzy 69044 0.0 0.0 4508 720 pts/1 S+ 22:18 0:00 ./zombie.exe
wzy 69045 0.0 0.0 0 0 pts/1 Z+ 22:18 0:00 [zombie.exe] <
wzy 69048 0.0 0.0 46784 3480 pts/2 R+ 22:18 0:00 ps au
程序会暂停 30 s，在此期间可以验证子进程是否为僵尸进程。
用 ps au 指令可以看出，PID 为 69045 的进程状态为僵尸进程（Z+）。另外，经过 30 秒的等待时间后，PID 为 69044 的父进程和之前的僵尸子进程同时销毁。
『&』放在命令后面将触发后台处理。
如 ./zombie.exe &
10.2.3 销毁僵尸进程 1：利用 wait 函数
为了销毁子进程，父进程应主动请求获取子进程的返回值。接下来讨论发起请求的具体方法。共有两种，其中一种就是调用如下函数。
#include 调用此函数时如果已有子进程终止，那么子进程终止时传递的返回值（exit 函数的参数值、main 函数的 return 返回值）将保存到该函数的参数所指内存空间。但函数参数指向的单元中还包含其他信息，因此需要通过下列宏进行分离。
- WIFEXITED 子进程正常终止时返回『真』
- WEXITSTATUS 返回子进程的返回值
也就是说，向 wait 函数传递变量 status 的地址时，调用 wait 函数后应编写如下代码。
if(WIFEXITED(status)) {
// 是正常终止的吗？
puts("Normal termination!");
printf("Child pass num: %d", WEXITSTATUS(status)); // 返回值是多少？
}
编写不会产生子进程变僵尸进程的示例。
代码参考 wait.c 文件
运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ gcc wait.c -o wait.exe
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ ./wait.exe
Child PID: 69310
Child PID: 69311
Child send one: 3
Child send two: 7
系统中并无上述结果中的 PID 对应的进程。因为调用 wait 函数，完全销毁了该进程。另外 2 个子进程终止时返回的 3 和 7 传递到了父进程。
这就是通过调用 wait 函数消灭僵尸进程的方法。调用 wait 函数时，如果没有已终止的子进程，那么程序将阻塞直到有子进程终止，因此需要谨慎调用该函数。
10.2.4 销毁僵尸进程 2：使用 waitpid 函数
wait 函数会引起程序阻塞，还可以考虑调用 waitpid 函数。这是防止僵尸进程的第二种方法，也是防止阻塞的方法。
#include 下面介绍调用上述函数的示例。调用 waitpid 函数时，程序不会阻塞。重点观察这点。
代码参考 waitpid.c 文件
运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ gcc waitpid.c -o waitpid.exe
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ ./waitpid.exe
sleep 3 sec.
sleep 3 sec.
sleep 3 sec.
sleep 3 sec.
sleep 3 sec.
Child send 24
waitpid 函数第三个参数传递 WNOHANG，可以看出 waitpid 函数并未阻塞。
10.3 信号处理
我们已经知道了进程创建及销毁办法，但还有一个问题没解决。
子进程究竟何时终止？调用 waitpid 函数后要无休止地等待吗？
10.3.1 向操作系统求助
子进程终止的识别主体是操作系统，因此，若操作系统能把如下信息告诉正忙于工作的父进程，将有助于构建更高效的程序。
父进程，你创建的子进程终止了
此时父进程将暂时放下工作，处理子进程终止相关事宜。
为了实现该想法，我们引入信号处理（Signal Handing）机制。此处的『信号』是在特定事件发生时由操作系统向进程发送的消息。另外，为了响应该消息，执行与消息相关的自定义操作的过程称为『处理』或『信号处理』。
10.3.2 信号与 signal 函数
下列进程和操作系统间的对话是帮助大家理解信号处理而编写的，其中包含了所有信号处理相关内容。
进程：嘿，操作系统！如果我之前创建的子进程终止，就帮我调用 zombie_handler 函数
操作系统：好的！如果你的子进程终止，我会帮你调用 zombie_handler 函数，你先把该函数要执行的语句编好。
上述对话中进程所讲的相当于『注册信号』过程，即进程发现自己的子进程结束时，请求操作系统调用特定函数。该请求通过如下函数调用完成（因此称此函数为信号注册函数）。
#include 调用上述函数时，第一个参数为特殊情况信息，第二个参数为特殊情况下将要调用的函数的地址值（指针）。发生第一个参数代表的情况时，调用第二个参数所指的函数。下面给出可以在 signal 函数中注册的部分特殊情况和对应的常数。
- SIGALRM：已到通过调用 alarm 函数注册的时间
- SIGINT：输入 ctrl+c
- SIGCHLD：子进程终止
接下来编写调用 signal 函数的语句完成如下请求：
子进程终止则调用 mychild 函数
此时 mychild 函数的参数应为 int，返回值类型应为 void。只有这样才能成为 signal 函数的第二个参数。另外，常数 SIGCHLD 定义了子进程终止的情况，应成为 signal 函数的第一个参数。也就是说，signal 函数调用语句如下
signal(SIGCHLD, mychild);
接下来编写 signal 函数的调用语句，分别完成如下 2 个请求。
已到通过 alarm 函数注册的时间，请调用 timeout 函数。
输入 CTRL+C 时调用 keycontrol 函数。
代表这 2 种情况的常数分别为 SIGALRM 和 SIGINT，因此按如下方式调用 signal 函数。
signal(SIGALRM, timeout);
signal(SIGINT, keycontrol);
以上就是信号注册过程。注册号信号后，发生注册信号时（注册的情况发生时），操作系统将调用该信号对应的函数。下面通过示例验证，先介绍 alarm 函数。
#include 如果调用该函数的同时向它传递一个正整型参数，相应时间后（以秒为单位）将产生 SIGALRM 信号。若向该函数传递 0，则之前对 SIGALRM 信号的预约将取消。如果通过该函数预约信号后未指定该信号对应的处理函数，则（通过调用 signal 函数）终止进程，不做任何处理。
接下来介绍信号处理相关示例，代码参考 signal.c 文件。
运行结果
# 没有任何输入的结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ gcc signal.c -o signal.exe
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ ./signal.exe
wait...
Time out!
wait...
Time out!
wait...
Time out!
# 输入 CTRL+C
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ gcc signal.c -o signal.exe
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ ./signal.exe
wait...
Time out!
wait...
^CCTRL+C pressed
wait...
^CCTRL+C pressed
产生信号时，为了调用信号处理器，将唤醒由于调用 sleep 函数而进入阻塞状态的进程。而且，进程一旦被唤醒，就不会再进入睡眠状态。所以上述示例运行不到 10 秒就会结束。
10.3.3 利用 sigaction 函数进行信号处理
前面所学的内容足以用来编写防止僵尸进程生成的代码。接下来介绍 sigaction 函数，它类似于 signal 函数，而且完全可以代替后者，也更稳定。之所以稳定，是因为如下原因：
signal 函数在 UNIX 系列的不同操作系统中可能存在区别，但 sigaction 函数完全相同
实际上现在很少用 signal 函数编写程序，它只是为了保持对旧程序的兼容。下面介绍 sigaction 函数，但只讲解可替换 signal 函数的功能。
#include 声明并初始化 sigaction 结构体变量以调用上述函数，该结构体定义如下：
struct sigaction {
void (*sa_handler)(int);
sigset_t sa_mask;
int sa_flags;
};
此结构体的成员 sa_handler 成员保存信号处理函数的指针值（地址值）。sa_mask 和 sa_flags 的所有位均初始化为 0 即可。这 2 个成员用于指定信号相关的选项和特性，而我们的目的主要是防止产生僵尸进程，故省略。
下面的示例，代码参考 sigaction.c 文件
运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ gcc sigaction.c -o sigaction.exe
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ ./sigaction.exe
wait...
Time out!
wait...
Time out!
wait...
Time out!
10.3.4 利用信号技术消灭僵尸进程
代码参考 remove_zombie.c 文件
运行结果
## 正常运行；不正常运行看下面描述
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ gcc remove_zombie.c -o r_zombie.exe
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ ./r_zombie.exe
Child proc id: 71914
Child proc id: 71915
wait...
Hi I'm child process
Hi! I'm child process
wait...
wait...
!!!
Removed proc id: 71914
Child send: 12
Removed proc id: 71915
Child send: 24
wait...
wait...
我的运行程序有时候第二个创建的子进程结束信号『24』没被收到，确实产生了僵尸进程。换句话说。
两个子进程同时结束父进程信号只收到一个。可能讲的不清楚，再换句话说。
sigaction 同时收到两个子进程结束消息，为什么只触发一次函数？销毁了一个僵尸进程，还留了一个僵尸进程。
没找到原因，找了半天我吐了。先略过
10.4 基于多任务的并发服务器
10.4.1 基于进程的并发服务器模型
之前的回声服务器每次只能向 1 个客户端提供服务。因此，我们将扩展回声服务器端，使其可以同时向多个客户端提供服务。
每当有客户端请求服务（连接请求）时，回声服务器端都创建子进程以提供服务。请求服务的客户端若有 5 个，则将创建 5 个子进程提供服务。为了完成这些任务，需要经过如下过程。
- 第一阶段：回声服务器端（父进程）通过调用 accept 函数受理连接请求
- 第二阶段：此时获取的套接字文件描述符创建并传递给子进程
- 第三阶段：子进程利用传递来的文件描述符提供服务
10.4.2 实现并发服务器
下面给出并发回声服务器端的实现代码，服务端代码参考 echo_mpserv.c 文件，客户端代码参考 chapter-04/echo_client.c 文件
运行结果
# 下面给出服务端运行结果，客户端略，可见可以同时进行多个连接服务。
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ gcc echo_mpserv.c -o eserver.exe
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ ./eserver.exe 9190
new client connected...
client disconnected...
removed proc id: 73702
new client connected...
new client connected...
client disconnected...
removed proc id: 73730
client disconnected...
removed proc id: 73705
10.4.3 通过 fork 函数复制文件描述符
Q：上述 10.4.2 代码，复制了文件描述符，是否复制了套接字？
A：没有，套接字属于操作系统，且如果复制套接字，那么同一端口将对应多个套接字。所以 fork 之后仅仅是复制了文件描述符。父子进程文件描述符指向同一套接字。
1 个套接字存在 2 个文件描述符时，只有 2 个文件描述符都终止（销毁）后，才能销毁套接字。因此 fork 后，要将无关套接字文件描述符关掉。
10.5 分割 TCP 的 I/O 程序
10.5.1 分割 I/O 程序的优点
一种分割模型，如修改客户端代码，父进程负责接收数据，额外创建的子进程负责发送数据。这样无论客户端是否从服务器端接收完数据都可以进行传输。
分割 I/O 程序的好处：
- 某些情况可以简化程序实现
- 提高频繁交换数据的程序性能。（类似流水线）
10.5.2 回声客户端的 I/O 程序分割
I/O 程序分割的回声客户端实现，代码参考 echo_mpclient.c 文件。服务端采用 10.4.2 代码。
运行结果
# 客户端运行结果
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$ ./eclient.exe 127.0.0.1 9190
1
Message from server: 1
2
Message from server: 2
q
wzy@wzypc:~/TCP-IP-NetworkNote/chapter-10$
10.6 习题
以下是我的理解，详细题目参照原书
- 下列关于进程的说法错误的是？
b、c
- 调用 fork 函数将创建子进程，以下关于子进程的描述错误的是？
a、c、d
- 创建子进程时复制父进程所有内容，此时复制对象也包含套接字文件描述符。编写程序验证赋值的文件描述符整数值是否与原文件描述符数值相同。
没写程序，结论是应该一样
- 请说明进程变为僵尸进程的过程以及预防措施。
子进程结束时，其实没有被真正的销毁，留下一个『僵尸进程』。需要父进程已经结束或调用
waitorwaitpid函数
- 程序题
略