多进程并发服务器编程

多进程并发服务器编程

一、实验目的

理解进程的创建和终止方法；

熟悉父进程与子进程对描述符的操作过程；

学会编写基本的多进程并发服务器程序和客户程序。

二、实验平台

ubuntu-8.04操作系统

三、实验内容

编写多进程并发服务器程序和客户程序，具体功能如下：

1、服务器等待接收客户的连接请求，一旦连接成功则显示客户地址，接着接收客户端的名称并显示；然后接收来自该客户的字符串，每当收到一个字符串时，显示该字符串，并将字符串按照恺撒密码的加密方式（K=3）进行加密，再将加密后的字符发回客户端；之后，继续等待接收该客户的信息，直到客户关闭连接。要求服务器具有同时处理多个客户请求的能力。

2、客户首先与相应的服务器建立连接；接着接收用户输入的客户端名称，并将其发送给服务器；然后继续接收用户输入的字符串，再将字符串发送给服务器，同时接收服务器发回的加密后的字符串并显示。之后，继续等待用户输入字符串，直到用户输入Ctrl+D，客户关闭连接并退出。

四、实验原理

前面所实现的服务器/客户程序中，服务器每次只能处理一个客户的请求，他虽然很简单但效率低下。在实际应用中，这样的服务器不能满足实际需求，并发技术可以极大地提高服务器的处理能力和响应速度。

TCP并发服务器的工作流程见图6.1所示：

图6.1TCP并发服务器

1、创建进程

可以通过调用fork或vfork函数来创建新进程。

（1）fork函数

------------------------------------------------------------------- #include<sys/types.h> #include <unistd.h> pid_t fork(void) 返回：父进程中返回子进程的进程ID,子进程返回0；-1—出错 -------------------------------------------------------------------

• fork后，子进程和父进程继续执行fork（）函数后的指令。子进程是父进程的副本。子进程拥有父进程的数据空间、堆栈的副本。但父、子进程并不共享这些存储空间部分。如果代码段是只读的，则父子进程共享代码段。如果父子进程同时对同一文件描述字操作，而又没有任何形式的同步，则会出现混乱的状况；

• 父进程中调用fork之前打开的所有描述字在函数fork返回之后子进程会得到一个副本。fork后，父子进程均需要将自己不使用的描述字关闭。

（2）vfork函数

------------------------------------------------------------------- #include<sys/types.h> #include <unistd.h> pid_tvfork(void) 返回：父进程中返回子进程的进程ID,子进程返回0；-1—出错 -------------------------------------------------------------------

• fork与vfork函数的基本区别在于当使用vfork()创建新进程时，父进程将被暂时阻塞，而子进程则可以借用父进程的地址空间，直到子进程退出，至此父进程才继续执行。

2、终止进程

进程的终止存在两个可能：

（1）父进程先于子进程终止；

（2）子进程先于主进程终止。

• 对于后者，系统内核为子进程保留一定的状态信息：进程ID、终止状态、CPU时间等；当父进程调用wait或waitpid函数时，获取这些信息。

• 当子进程正常或异常终止时，系统内核向其父进程发送SIGCHLD信号；缺省情况下，父进程忽略该信号，或者提供一个该信号发生时即被调用的函数。

exit()函数：

------------------------------------------------------------------- #include<stdlib.h> void exit(int status); -------------------------------------------------------------------

exit()函数用于终止调用进程。关闭所有子进程打开的描述符，向父进程发送SIGCHLD信号，并返回状态。

父进程可通过调用wait()或waitpid()函数获得子进程的终止信息。

wait()函数：

------------------------------------------------------------------- #include<sys/types.h> #include <sys/wait.h> pid_t wait(int*stat_loc); 返回：终止子进程的ID－成功；-1－出错；stat_loc存储子进程的终止状态（一个整数）； -------------------------------------------------------------------

如果没有终止的子进程，但是有一个或多个正在执行的子进程，则该函数将堵塞，直到有一个子进程终止或者wait被信号中断时，wait返回。

当调用该系统调用时，如果有一个子进程已经终止，则该系统调用立即返回，并释放子进程所有资源。

waitpid()函数：

------------------------------------------------------------------- #include<sys/types.h> #include <sys/wait.h> pid_t waitpid(pid_t pid, int*stat_loc, int option); 返回：终止子进程的ID－成功；-1－出错；stat_loc存储子进程的终止状态；-------------------------------------------------------------------

当pid=-1,option=0时，该函数等同于wait，否则由参数pid和option共同决定函数行为，其中pid参数意义如下：

• -1：要求知道任何一个子进程的返回状态（等待第一个终止的子进程）；

• >0：要求知道进程号为pid的子进程的状态；

• <-1:要求知道进程号为pid的绝对值的子进程的终止状态

Option最常用的选项是WNOHANG,它通知内核在没有已终止进程时不要堵塞。

调用wait或waitpid函数时，正常情况下，可能会有以下几种情况：

• 阻塞（如果其所有子进程都还在运行）；

• 获得子进程的终止状态并立即返回（如果一个子进程已终止，正等待父进程存取其终止状态）；

• 出错立即返回（如果它没有任何子进程）

五、实验步骤

1、登陆进入ubuntu操作系统，新建一个文件，命名为mproc_server.c，新建另一个文件，命名为mproc_client.c。

2、在mproc_server.c和mproc_client.c中编写相应代码并保存。

3、打开一个“终端”，执行命令进入mproc_server.c和mproc_client.c所在目录。

4、执行命令gcc–omproc_servermproc_server.c生成可执行文件mproc_server。

5、执行命令gcc–omproc_clientmproc_client.c生成可执行文件mproc_client。

6、执行命令./mproc_server，运行服务器端。

7、打开第2个“终端”，执行命令进入mproc_server.c和mproc_client.c所在目录。

8、执行命令./mproc_client127.0.0.1，模拟客户1。

9、打开第3个“终端”，执行命令进入mproc_server.c和mproc_client.c所在目录。

10、执行命令./mproc_client127.0.0.1，模拟客户2。

11、程序运行结果如下：

服务器端：

客户1：

客户2：

12、在客户端按下Ctrl+D，关闭客户连接。

13、认真分析源代码，体会多进程并发服务器程序的编写。

六、参考程序

1、mproc_server.c内容如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 1234
#define BACKLOG 5
#define MAXDATASIZE 1000
void process_cli(int  connfd, struct sockaddr_in client);

main()
{
int  listenfd, connfd;
pid_t  pid;
struct  sockaddr_in  server;
struct sockaddr_in  client;
int  len;

if ((listenfd =socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("Creatingsocket failed.");
exit(1);
}

int opt =SO_REUSEADDR;
setsockopt(listenfd,SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
bzero(&server,sizeof(server));
server.sin_family=AF_INET;
server.sin_port=htons(PORT);
server.sin_addr.s_addr= htonl (INADDR_ANY);
if (bind(listenfd,(struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) == -1) {
perror("Bind()error.");
exit(1);
}

if(listen(listenfd,BACKLOG)== -1){
perror("listen() error\n");
exit(1);
}
len=sizeof(client);

while(1)
{
if ((connfd =accept(listenfd,(struct sockaddr *)&client,&len))==-1) {
perror("accept() error\n");
exit(1);
}
if ((pid=fork())>0){
close(connfd);
continue;
}
else if (pid==0) {
close(listenfd);
process_cli(connfd, client);
exit(0);
}
else {
printf("fork()error\n");
exit(0);
}
}
close(listenfd);
}

void process_cli(int connfd, struct sockaddr_in client)
{
int num;
char  recvbuf[MAXDATASIZE], sendbuf[MAXDATASIZE], cli_name[MAXDATASIZE];
printf("Yougot a connection from %s. ",inet_ntoa(client.sin_addr) );
num = recv(connfd,cli_name, MAXDATASIZE,0);
if (num == 0)
{
close(connfd);
printf("Client disconnected.\n");
return;
}
cli_name[num - 1] ='\0';
printf("Client'sname is %s.\n",cli_name);

while (num =recv(connfd, recvbuf, MAXDATASIZE,0)) {
recvbuf[num] ='\0';
printf("Receivedclient( %s ) message: %s",cli_name, recvbuf);
int i = 0;
for (i = 0;i < num - 1; i++) {
if((recvbuf[i]>='a'&&recvbuf[i]<='z')||(recvbuf[i]>='A'&&recvbuf[i]<='Z'))
{
recvbuf[i]=recvbuf[i]+ 3;
if((recvbuf[i]>'Z'&&recvbuf[i]<='Z'+3)||(recvbuf[i]>'z'))
recvbuf[i]=recvbuf[i]- 26;
}
sendbuf[i] =recvbuf[i];
}
sendbuf[num - 1]= '\0';

send(connfd,sendbuf,strlen(sendbuf),0);
}
close(connfd);
}

2、mproc_client.c内容如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include <netdb.h>

#define PORT 1234
#define MAXDATASIZE100
void process(FILE*fp, int sockfd);
char *getMessage(char* sendline,int len, FILE* fp);

int main(int argc,char *argv[])
{
int fd;
struct hostent  *he;
struct sockaddr_in  server;

if (argc !=2) {
printf("Usage:%s <IP Address>\n",argv[0]);
exit(1);
}

if((he=gethostbyname(argv[1]))==NULL){
printf("gethostbyname() error\n");
exit(1);
}
if((fd=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))==-1){
printf("socket()error\n");
exit(1);
}

bzero(&server,sizeof(server));
server.sin_family =AF_INET;
server.sin_port=htons(PORT);
server.sin_addr= *((struct in_addr *)he->h_addr);

if(connect(fd,(struct sockaddr *)&server,sizeof(server))==-1){
printf("connect() error\n");
exit(1);
}

process(stdin,fd);

close(fd);
}

void process(FILE *fp, int  sockfd)
{
char sendline[MAXDATASIZE],recvline[MAXDATASIZE];
int num;

printf("Connected to server. \n");
printf("Input client's name : ");
if (fgets(sendline, MAXDATASIZE, fp) == NULL) {
printf("\nExit.\n");
return;
}
send(sockfd,sendline, strlen(sendline),0);
while(getMessage(sendline, MAXDATASIZE, fp) != NULL) {
send(sockfd,sendline, strlen(sendline),0);

if ((num =recv(sockfd, recvline, MAXDATASIZE,0)) == 0) {
printf("Server terminated.\n");
return;
}

recvline[num]='\0';
printf("Server Message: %s\n",recvline);

}
printf("\nExit.\n");
}

char  *getMessage(char*  sendline,int len, FILE*  fp)
{
printf("Inputstring to server:");
return(fgets(sendline,MAXDATASIZE, fp));
}