TCP并发服务器多线程和多进程方式以及几种IO模型

1. 阻塞 I/O（Blocking I/O）

在阻塞 I/O 模型中，当应用程序发起 I/O 操作时，整个进程会被阻塞，直到操作完成。在这个过程中，应用程序无法执行其他任务，必须等待 I/O 操作的完成。

特点：

• 简单性：编程简单，逻辑清晰，容易理解和实现。
• 低效性：在高并发场景下，由于每个 I/O 操作都会阻塞整个进程，资源利用率较低。

2. 非阻塞 I/O（Non-blocking I/O）

非阻塞 I/O 模型允许应用程序在发起 I/O 操作时立即返回，即使数据尚未准备好。应用程序可以在等待 I/O 完成的同时执行其他任务，需通过轮询（多次尝试）来检查 I/O 是否完成。

特点：

• 并发性：在等待 I/O 完成时，应用程序可以继续处理其他任务。
• 轮询开销：需要频繁检查 I/O 状态，增加了 CPU 的负担。

3. I/O 多路复用（I/O Multiplexing）

I/O 多路复用（如 select、poll、epoll）允许应用程序同时监听多个 I/O 事件，并在任何一个 I/O 操作准备好时被通知。应用程序可以集中处理多个 I/O 操作，从而避免轮询带来的开销。

特点：

• 高效性：适用于需要同时处理多个 I/O 连接的场景，尤其是高并发服务器。
• 复杂性：编程复杂度高，需要仔细管理多个 I/O 描述符和事件。

4. 信号驱动 I/O（Signal-driven I/O）

信号驱动 I/O 模型中，应用程序发起 I/O 操作并继续执行其他任务，当数据准备好时，内核会通过信号通知应用程序。这种方式允许应用程序避免轮询和阻塞，且能够异步处理 I/O 事件。

特点：

• 异步性：内核通过信号通知应用程序，无需轮询。
• 复杂性：信号处理逻辑复杂，容易出错。

5. 异步 I/O（Asynchronous I/O）

在异步 I/O 模型中，应用程序发起 I/O 操作并立即返回，I/O 操作由内核完成，操作完成后内核通过回调机制通知应用程序。应用程序无需等待 I/O 完成，也无需轮询或处理信号。

特点：

• 最高效：真正的异步模型，应用程序可以充分利用 CPU 时间。
• 复杂性：编程难度较大，需要处理异步回调和并发问题。

1. 多线程并发服务器

在多线程模型中，服务器为每个客户端连接创建一个独立的线程。每个线程处理客户端的请求，并将处理结果返回给客户端。由于线程是在同一进程内执行的，因此它们共享内存空间和其他资源。

工作流程：

1. 主线程监听：服务器在指定端口上监听客户端连接请求。
2. 接受连接：当有新的客户端连接时，服务器接受该连接，并为其创建一个新的线程。
3. 线程处理：新线程负责处理该客户端的所有请求，直到客户端断开连接。线程可以读取客户端发送的数据、进行处理，并将结果发送回客户端。
4. 线程终止：在处理完毕后，线程可以选择继续等待新的请求（长连接）或终止（短连接）。

优点：

• 资源共享：线程间共享同一进程的资源（如内存、文件描述符），使得在不同线程之间共享数据变得容易。
• 响应速度快：创建线程的开销相对较低，线程切换也比进程切换快，适合需要快速响应的场景。

缺点：

• 同步问题：由于线程共享同一地址空间，因此在访问共享资源时，容易出现数据竞争问题，需要使用同步机制（如互斥锁）来避免竞争条件，这会增加代码复杂度。
• 稳定性：一个线程崩溃可能会影响整个进程，因为所有线程共享同一进程空间。

使用场景：

• 高并发应用：适合需要处理大量并发连接的场景，如聊天室、实时通信系统。
• 轻量级任务：当每个请求的处理时间较短时，多线程模型能够有效提高处理效率。

2. 多进程并发服务器

在多进程模型中，服务器为每个客户端连接创建一个独立的进程。每个进程在自己的内存空间中运行，处理来自客户端的请求并返回结果。由于进程是独立的，数据不会在进程之间共享。

工作流程：

1. 主进程监听：服务器在指定端口上监听客户端连接请求。
2. 接受连接：当有新的客户端连接时，服务器接受该连接，并为其派生一个新的子进程。
3. 进程处理：子进程独立运行，处理客户端的请求，直到客户端断开连接。子进程在处理过程中可以读取数据、进行处理，并返回结果。
4. 进程终止：子进程处理完毕后终止，释放相关资源。

优点：

• 独立性强：每个进程都有独立的内存空间和资源，因此一个进程崩溃不会影响其他进程的运行，服务器整体的稳定性较高。
• 安全性高：由于进程间的数据不共享，因此天然避免了线程间的竞争条件和同步问题。

缺点：

• 资源开销大：创建和销毁进程的开销比线程大得多，尤其是在高并发场景下，进程的频繁创建和销毁可能会耗尽系统资源。
• 进程通信复杂：如果进程之间需要通信，必须使用 IPC 机制（如管道、消息队列、共享内存等），这增加了开发的复杂度。

使用场景：

• 高安全性应用：适合对安全性要求较高的场景，如需要严格隔离不同客户端的应用。
• 长时间任务：适合处理时间较长、复杂度较高的任务，因为进程之间相互独立，不会因为某个进程的长时间运行影响到其他任务的处理。

• 多线程并发服务器：适合轻量级、高并发的应用场景，能够快速响应请求，但需要注意线程同步问题和稳定性。
• 多进程并发服务器：适合高安全性、高稳定性的场景，尤其是需要隔离不同任务的应用，但进程开销较大，进程间通信较为复杂。

 fcntl()

• 原型：int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

• 用法：

  1. 首先，使用 fcntl() 函数获取文件描述符的当前标志。
     • 可以通过传递 F_GETFL 作为 cmd 参数来实现。
  2. 然后，将非阻塞标志 O_NONBLOCK 添加到当前标志中。
  3. 最后，再次使用 fcntl() 函数将新的标志设置回文件描述符。
     • 可以通过传递 F_SETFL 作为 cmd 参数来实现

实现信号驱动 I/O 主要依赖以下函数：

1. 设置文件描述符为信号驱动模式

要将文件描述符设置为信号驱动模式，可以使用 fcntl() 函数。

• fcntl()

  • 原型：int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

  • 用法：

    1. 首先，使用 fcntl() 函数获取文件描述符的当前标志。
       • 通过传递 F_GETFL 作为 cmd 参数来获取当前标志。
    2. 然后，将 O_ASYNC 标志添加到文件描述符的当前标志中。
       • 通过传递 F_SETFL 作为 cmd 参数，并将 O_ASYNC 与现有标志结合来实现。
    3. 最后，使用 fcntl() 设置信号接收进程或进程组：
       • 通过传递 F_SETOWN 作为 cmd 参数，并传递要接收信号的进程 ID 或进程组 ID。

    这样，当文件描述符有 I/O 事件发生时，系统将向指定进程发送 SIGIO 信号。

2. 处理信号

在信号驱动 I/O 中，当文件描述符准备好时，会触发 SIGIO 信号。应用程序需要设置信号处理程序来处理该信号。

• sigaction()

  • 原型：int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

  • 用法：

    • 使用 sigaction() 函数为 SIGIO 信号设置一个处理函数。
    • 在信号处理函数中，应用程序可以执行相应的 I/O 操作（如读取或写入数据）。

    通过 sigaction() 配置 SIGIO 信号的处理程序后，应用程序在文件描述符准备好进行 I/O 操作时会自动收到通知并调用处理程序。