Linux网络编程系列之服务器编程——信号驱动模型

一、什么是信号驱动模型

        在服务器中，信号驱动模型是一种事件处理模型，它能够异步地响应来自外部的事件。服务器可以注册一组回调函数，来处理来自客户端或其他进程的信号或事件，当信号或事件触发时，操作系统会通知服务器，服务器再调用对应的回调函数进行处理。

二、特性

        当套接字接收到数据时，内核会触发SIGIO信号，然后可以利用信号的异步特性来处理数据。当然也可以使用自定义的信号，不过客户端发送数据后要发送对应信号。

        服务器的信号驱动模型具有以下特性：

        1、异步处理

         服务器以非阻塞的方式等待客户端连接和处理请求，避免了同步处理的阻塞问题。

        2、高并发性

        服务器可以同时处理多个请求，提高了并发处理能力。

        3、可扩展性

        服务器可以根据需求注册和注销不同的回调函数，方便扩展和修改。

        4、高效性

        由于使用信号机制，服务器可以快速地接收和处理事件，提高了处理效率。

        5、可维护性

        事件处理逻辑可以分散在不同的回调函数中，方便维护和修改。

        6、安全性

        服务器可以使用信号屏蔽和信号处理器等机制提高安全性，以避免外部恶意攻击或异常情况的影响。

三、使用场景

        1、高并发服务器

        当服务器需要处理大量并发请求时，使用信号驱动模型可以避免阻塞和死锁等问题，提高服务器的并发处理能力。

        2、I/O密集型应用

        当服务器需要处理大量I/O操作时，使用信号驱动模型可以避免同步处理带来的性能问题，提高服务器的处理效率。

        3、异步编程

        使用信号驱动模型可以避免回调函数嵌套的复杂性，提高异步编程的可读性和可维护性。

        4、网络通讯应用

        当服务器需要支持各种网络通讯协议时，使用信号驱动模型可以避免同步阻塞导致的问题，提高服务器的兼容性和可扩展性。

        5、高性能计算

        当服务器需要进行大规模的计算和数据处理时，使用信号驱动模型可以充分发挥多线程和多进程的优势，提高服务器的处理能力。

四、模型框架（通信流程）

        1、建立套接字。使用socket()

        2、设置端口复用（推荐）。使用setsockopt()

        3、绑定自己的IP和端口号。使用bind()

        4、注册SIGIO信号响应函数。使用signal()

        5、给套接字设置属主进程。使用fcntl()

        6、给套接字添加信号触发模式属性。使用fcntl()

        7、循环等待客户端数据

五、相关函数API接口

        跟UDP通信要用到的API接口在本系列其他博客中已经讲过，可以点击本文开头的链接查看，这里省略

        1、注册SIGIO信号响应函数

 // 注册SIGIO信号响应函数
 signal(SIGIO, recv_handler);

        2、给套接字设置属主进程

        

 // 设置套接字属主进程，用来将套接字产生的SIGIO信号与属主进程绑定
fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid());

        3、 给套接字的添加异步触发模式

 // 给套接字设置信号触发模式属性
int status = fcntl(sockfd, F_GETFL); // 获得文件描述符的状态
status |= O_ASYNC;      // 添加异步触发属性
fcntl(sockfd, F_SETFL, status);     // 重新设置文件描述符的状态

六、案例

        实现信号驱动模型UDP服务器的通信演示，使用nc命令模拟客户端

// 信号驱动UDP服务器的案例

#include 
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#include 
#include 
#include        
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SERVER_IP   "192.168.64.128"    // 记得改为自己IP
#define SERVER_PORT 20000   // 不能超过65535，也不要低于1000，防止端口误用


int sockfd;     // 服务器的套接字

int port;       // 客户端的端口号
char ip[20] = {0};    // 客户端的IP地址
char recv_msg[128] = {0};   // 接收数据
struct sockaddr_in client_addr;     // 客户端地址
socklen_t addr_len = sizeof(struct sockaddr);    // 地址大小

// 信号响应函数，用来接收数据
void recv_handler(int sig)
{
    // 接收数据
    memset(recv_msg, 0, sizeof(recv_msg));
    int ret = recvfrom(sockfd, recv_msg, sizeof(recv_msg), 0, (struct sockaddr*)&client_addr, &addr_len);
    if(ret == -1)
    {
        perror("recvfrom fail");
        return;
    }

    memset(ip, 0, sizeof(ip));
    strcpy(ip, inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
    port = ntohs(client_addr.sin_port);
    printf("[%s:%d] send data: %s\n", ip, port, recv_msg);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    // 1、建立套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd == -1)
    {
        perror("socket fail");
        return -1;
    }

    // 2、设置端口复用（推荐）
    int optval = 1; // 这里设置为端口复用，所以随便写一个值
    int ret = setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));
    if(ret == -1)
    {
        perror("setsockopt fail");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 3、绑定自己的IP地址和端口号
    struct sockaddr_in server_addr = {0};
    server_addr.sin_family = AF_INET;   // 指定协议为IPV4地址协议
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  // 端口号
    // server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP); // IP地址

    ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, addr_len);
    if(ret == -1)
    {
        perror("bind fail");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 4、注册信号响应函数
    signal(SIGIO, recv_handler);

    // 5、设置套接字属主进程，用来将套接字产生的SIGIO信号与属主进程绑定
    fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid());

    // 6、给套接字设置信号触发模式属性
    int status = fcntl(sockfd, F_GETFL); // 获得文件描述符的状态
    status |= O_ASYNC;      // 添加异步触发属性
    fcntl(sockfd, F_SETFL, status);     // 重新设置文件描述符的状态

    printf("wait client...\n");

    while(1)
    {
        pause();
    }

    close(sockfd);

    return 0;
}

七、总结

        UDP服务器可以采用信号驱动模型实现，其通信流程跟UDP服务器通信流程大致相同，区别就是要设置一下SIGIO信号