《TCP/IP网络编程》阅读笔记--并发多进程服务端的使用

1--并发服务器端

并发服务器端主要有以下三类:

        ① 多进程服务器:通过创建多个进程提供服务;

        ② 多路复用服务器:通过捆绑并统一管理I/O对象提供服务;

        ③ 多线程服务器:通过生成与客户端等量的线程提供服务;

2--进程

2-1--进程的相关概念

进程的相关概念:

        ① 进程的定义如下:占用内存空间的正在运行的程序;

        ② 从操作系统的角度看,进程是程序流的基本单位,若创建多个进程,则操作系统将同时运行;

        ③ 对于 CPU 而言,核的个数与可同时运行的进程数相同;若进程数超过核数,进程将分时使用 CPU 资源;

        ④ 无论进程是如何创建的,所有进程都会从操作系统中分配到进程 ID,其值为大于 2 的整数;

2-2--fork()创建进程

#include 
pid_t fork(void);

// 成功时返回进程 ID,失败时返回 -1

        fork() 函数会复制父进程的进程副本给创建的子进程,两个进程都将执行 fork() 函数调用后的语句;具体执行的内容可根据 fork() 函数的返回值进行区分,对于父进程 fork() 函数返回子进程的进程 ID,对于子进程 fork() 函数返回 0;

// gcc fork.c -o fork
// ./fork
#include 
#include 

int gval = 10;
int main(int argc, char *argv[]){
    __pid_t pid;
    int lval = 20;
    gval++, lval += 5;

    pid = fork();
    if(pid == 0){ // 对于子进程,fork返回0,因此执行以下内容
        gval += 2, lval += 2;
    }
    else{ // 对于父进程,执行以下内容
        gval -= 2, lval -= 2;
    }

    if(pid == 0){
        // 对于子进程,复制父进程的进程副本,则最初 gval = 11, lval = 25;
        // 执行 += 2 后,gval = 13, lval = 27;
        printf("Child Proc: [%d, %d] \n", gval, lval);
    }
    else{
        // 对于父进程,执行 -= 2后,gval = 9, lval = 23;
        printf("Parent Proc: [%d %d] \n", gval, lval);
    }
    return 0;
}

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2-3--僵尸进程

        一般进程完成工作后都应被立即销毁,但部分进行由于各种原因导致不能及时销毁,就成为了僵尸进程,其会占用系统中的重要资源;

        终止僵尸进程的两种方式:① 传递参数给 exit 函数并调用 exit 函数;② 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 return 语句的返回值都会传递给操作系统,而操作系统不会立即销毁子进程,直到把这些返回值传递给父进程;这种不会被立即销毁的子进程就是僵尸进程

        此外,操作系统不会主动将返回值传递给父进程;只有父进程主动发起请求时,操作系统才会将子进程的返回值传递给父进程;因此,如果父进程未主动要求获得子进程的结束状态值,操作系统就不会销毁子进程,子进程就一直处于僵尸进程状态;

// gcc zombie.c -o zombie
// ./zombie
#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[]){
    __pid_t pid = fork();
    if(pid == 0){
        puts("Hi, I am a child process");
    }
    else{
        // 父进程终止时,子进程也会被同时销毁
        // 本案例通过延缓父进程的终止时间,来让子进程进入僵尸进程状态
        printf("Child Process ID: %d \n", pid);
        sleep(30);
    }

    if(pid == 0){
        puts("End child process");
    }
    else{
        puts("End parent process");
    }
    return 0;
}

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        通过 ps au 可以观测到在父进程睡眠的时间里,子进程成为了僵尸进程(Z+状态);

2-4--wait()和waitpid()销毁僵尸进程

        为了销毁僵尸子进程,父进程必须主动请求获取子进程的返回值;

        父进程调用 wait() 函数 和 waitpid() 函数可以主动获取子进程的返回值;

#include 

pid_t wait(int* statloc);
// 成功时返回终止的子进程 ID, 失败时返回 -1;
// 子进程的返回值会保存到 statloc 所指的内存空间

// WIFEXITED() 子进程正常终止时返回 true
// WEXITSTATUS() 返回子进程的返回值

        父进程调用 wait() 函数时,如果没有已终止的子进程,则父进程的程序将会阻塞,直至有子进程终止来返回值;

// gcc wait.c -o wait
// ./wait
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char* argv[]){
    int status;
    __pid_t pid = fork();

    if(pid == 0){
        return 3; // 第一个子进程返回3
    }
    else{
        printf("Child PID: %d \n", pid); // 第一个子进程的 ID
        pid = fork(); // 创建第二个子进程
        if(pid == 0){
            exit(7); // 第二个子进程返回7
        }
        else{
            printf("Child PID : %d \n", pid); // 第二个子进程的 ID
            wait(&status); // 主动请求获取子进程的返回值
            if(WIFEXITED(status)){
                printf("Chile send one: %d \n", WEXITSTATUS(status));
            }
            wait(&status); // 主动请求获取子进程的返回值
            if(WIFEXITED(status)){
                printf("Child send two: %d \n", WEXITSTATUS(status));
            }
            sleep(30); // 这时候父进程选择睡眠,子进程也不会成为僵尸进程
        }
    }
    return 0;
}

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        wait() 函数会引起程序阻塞,而 waitpid() 函数不会引起阻塞;

#include 

pid_t waitpid(pid_t pid, int* statloc, int options);
// 成功时返回终止的子进程的ID(或0),失败时返回-1
// pid 表示等待终止的目标子进程的 ID,传递 -1 时与 wait() 相同,即可以等待任意子进程终止
// statloc 存放子进程返回结果的地址空间
// options 设置为 WNOHANG 时,即使没有终止的子进程,父进程也不会进入阻塞状态,而是返回 0 并结束函数
// gcc waitpid.c -o waitpid
// ./waitpid
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[]){
    int status;
    __pid_t pid = fork();
    if(pid == 0){
        sleep(15);
        return 24;
    }
    else{
        // 没有终止的子进程时,返回0,则一直循环调用waitpid()
        // 直到有终止的子进程来跳出循环
        while(!waitpid(-1, &status, WNOHANG)){
            sleep(3);
            puts("sleep 3sec.");
        }
        if(WIFEXITED(status)){
            printf("Child send %d \n", WEXITSTATUS(status));
        }
        return 0;
    }
}

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3--信号处理

        上述父进程调用 wait() 函数会阻塞,而调用 waitpid() 函数也必须不断调用(因为不知道子进程何时终止),这也同样会影响父进程的工作效率;

        通过信号处理机制,可以解决上述问题;信号表示在特定事件发生时由操作系统向进程发送(通知)的消息

        因此可以通过注册信号,当子进程终止时,让操作系统将子进程终止的消息发送给父进程,这时候父进程才请求获取子进程的返回值;

3-1--signal()函数

#include 
void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);

// 第一个参数 signo 表示特殊情况信息
// 第二个参数表示特殊情况发生后,要调用的函数的地址值(指针)

// 常见特殊情况
// 1. SIGALRM 表示已到调用 alarm 函数注册的时间
// 2. SIGINT 表示遇到了 CTRL+C 的情况
// 3. SIGCHLD 表示遇到了子进程终止的情况

#include 
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
// 返回 0 或以秒为单位的距离 SIGALRM 信号发生的所剩时间(即还剩下多长时间就会发生 SIGALRM 信号时间)
// 经过 seconds 秒后会发生 SIGALRM 信号事件

        发生信号事件时,将会唤醒由于调用 sleep 函数而进入阻塞状态的进程;即:即使还没到 sleep 函数规定的事件也会被强制唤醒,而进程一旦唤醒后就不会再进入睡眠状态;

// gcc signal.c -o signal
// ./signal

#include 
#include 
#include 

void timeout(int sig){
    if(sig == SIGALRM){
        puts("Time out!");
    }
    alarm(2);
}

void keycontrol(int sig){
    if(sig == SIGINT){
        puts("CTRL+C pressed");
    }
}

int main(int argc, char *argv[]){
    int i;
    signal(SIGALRM, timeout);
    signal(SIGINT, keycontrol);
    alarm(2);

    for(i = 0; i < 3; i++){
        puts("wait...");
        sleep(100); // 不会真的睡眠 100s,因为alarm函数会产生SIGALRM信号事件,从而唤醒进程
    }
    return 0;
}

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3-2--sigaction()函数

        sigaction() 函数的功能类似于 signal() 函数,但 sigaction() 更稳定;因为 signal() 函数在不同操作系统中可能存在区别,但 sigaction() 在不同 UNIX 系统中完全相同;

#include 

int sigaction(int signo, const struct sigaction* act, struct sigaction* oldact);
// 成功时返回0,失败时返回 -1
// signo 用于传递信号信息
// act 对应于 signo 的信号处理函数
// oldact 获取之前注册的信号处理函数的指针,不用时传递0

struct sigaction{
    void (*sa_handler)(int); // 信号处理函数的指针
    sigset_t sa_mask; // 初始化为0
    int sa_flags; // 初始化为0
}
// gcc sigaction.c -o sigaction
// ./sigaction

#include 
#include 
#include 

void timeout(int sig){
    if(sig == SIGALRM){
        puts("Time out!");
    }
    alarm(2);
}

int main(int argc, char* argv[]){
    int i;
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = timeout;
    sigemptyset(&act.sa_mask); // 调用sigemptyset()将sa_mask的所有位初始化为0
    act.sa_flags = 0; // sa_flags也初始化为0
    sigaction(SIGALRM, &act, 0);
    alarm(2);
    for(int i = 0; i < 3; i++){
        puts("wait...");
        sleep(100);
    }
    return 0;
}

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3--3--利用信号处理技术消灭僵尸进程

// gcc remove_zombie.c -o remove_zombie
// ./remove_zombie

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void read_childproc(int sig){
    int status;
    pid_t id = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // 等待任意子线程结束
    if(WIFEXITED(status)){ // 判断子线程是否正常终止
        printf("Remove proc id: %d \n", id);
        printf("Child send: %d \n", WEXITSTATUS(status)); // 打印子线程的返回值
    }
}

int main(int argc, char *argv[]){
    pid_t pid;
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = read_childproc; // 设置信号处理函数
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGCHLD, &act, 0); // 调用sigaction(),当遇到子线程结束的信号时,调用信号处理函数

    pid = fork();
    if(pid == 0){ // 子线程执行区域
        puts("Hi! I'm child process");
        sleep(10);
        return 12;
    }
    else{
        printf("Child proc id: %d \n", pid);
        pid = fork();
        if(pid == 0){ // 另一个子线程执行区域
            puts("Hi! I'm child process");
            sleep(10);
            return 24;
        }
        else{
            int i;
            printf("Child proc id: %d \n", pid);
            for(int i = 0; i < 5; i++){
                puts("wait...");
                sleep(5);
            }
        }
    }
    return 0;
}

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