0302 多进程网络服务器架构

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一、概述

---

在大规模数据处理中，会有大量的客户端接入同一台服务器，每个客户端都需要长时间提供服务。

服务器采用中心化的部署，而客户端往往分散在不同机器上，服务器与客户端之间跨网络通信，一般采用C/S架构。

而服务端的架构需要能应对大量并发客户端，同时可以给每个客户端独占的服务，这就用到了多任务的网络模型架构，下面我们来看看用多进程如何实现。

二、多路复用的网络模型

---

C/S架构中，处理大量的网络请求，需要一套基于多路复用的网络处理模型。

• 可以同时处理网络连接请求和网络数据传递;
• 减少程序的阻塞时间，避免无效的CPU消耗；
• 适应不同的并发规模；

以此为目标实现如下网络模型。

2.1 服务端网络监听

多路复用模型这里采用了epoll方式，如果自己的平台不支持，可以换为select或者poll的方式。

代码如下：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <arpa/inet.h>  
#include <sys/epoll.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <errno.h>  
  
#define MAX_EVENTS 10  
#define BUFFER_SIZE 1024  
#define PORT 8080  
  
// 设置文件描述符为非阻塞模式  
int set_nonblocking(int fd) {  
    int flags, s;  
  
    flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);  
    if (flags == -1) {  
        perror("fcntl F_GETFL");  
        return -1;  
    }  
  
    flags |= O_NONBLOCK;  
    s = fcntl(fd, F_SETFL, flags);  
    if (s == -1) {  
        perror("fcntl F_SETFL");  
        return -1;  
    }  
  
    return 0;  
}  
  
int main() {  
    int listen_fd, conn_fd, nfds, epoll_fd;  
    struct sockaddr_in server_addr;  
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];  
    char buffer[BUFFER_SIZE];  
    ssize_t count;  
  
    // 创建监听socket  
    listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    if (listen_fd == -1) {  
        perror("socket");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 设置非阻塞模式  
    if (set_nonblocking(listen_fd) == -1) {  
        close(listen_fd);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 绑定地址和端口  
    server_addr.sin_family = AF_INET;  
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  
    server_addr.sin_port = htons(PORT);  
    if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {  
        perror("bind");  
        close(listen_fd);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 开始监听  
    if (listen(listen_fd, SOMAXCONN) == -1) {  
        perror("listen");  
        close(listen_fd);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 创建epoll实例  
    epoll_fd = epoll_create1(0);  
    if (epoll_fd == -1) {  
        perror("epoll_create1");  
        close(listen_fd);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 添加监听socket到epoll实例  
    ev.events = EPOLLIN;  
    ev.data.fd = listen_fd;  
    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ev) == -1) {  
        perror("epoll_ctl: listen_fd");  
        close(listen_fd);  
        close(epoll_fd);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 主循环  
    while (1) {  
        nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);  
        if (nfds == -1) {  
            perror("epoll_wait");  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        }  
  
        for (int n = 0; n < nfds; ++n) {  
            if (events[n].data.fd == listen_fd) {  
                // 新的连接  
                conn_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL);  
                if (conn_fd == -1) {  
                    perror("accept");  
                    continue;  
                }  
  
                // 设置非阻塞模式  
                if (set_nonblocking(conn_fd) == -1) {  
                    close(conn_fd);  
                    continue;  
                }  
  
                // 添加新的连接socket到epoll实例  
                ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  
                ev.data.fd = conn_fd;  
                if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, conn_fd, &ev) == -1) {  
                    perror("epoll_ctl: conn_fd");  
                    close(conn_fd);  
                }  
            } else {  
                // 处理读事件  
                conn_fd = events[n].data.fd;  
                while ((count = read(conn_fd, buffer, BUFFER_SIZE)) > 0) {  
                    // 处理接收到的数据（这里简单回显）  
                    write(conn_fd, buffer, count);  
                }  
  
                if (count == -1 && errno != EAGAIN) {  
                    // 出现错误或连接关闭  
                    close(conn_fd);  
                } else if (count == 0) {  
                    // 连接关闭  
                    close(conn_fd);  
                }  
  
                // 从epoll实例中移除已关闭的socket  
                if (count <= 0 && errno != EAGAIN) {  
                    ev.events = 0;  
                    epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, conn_fd, &ev);  
                }
            }  
        }  
    }  
  
    close(listen_fd);  
    close(epoll_fd);  
    return 0;  
}

说明

• TCP服务端的基本步骤创建socket，设置为非阻塞模式，绑定IP与端口，开启监听；
• 这里服务端的socket需要设置为非阻塞模式，因为我们是在单进程中处理多个连接，每个连接不能阻塞等待；
• 然后加入到epoll监听池中，开始epoll事件的等待；这里只处理接收事件；
• 如果有服务端socket的接收事件，那么说明有客户端连接消息，进行accep，创建客户端连接的socket；
• 同样将客户端连接的socket设置为非阻塞，理由同上；加入epoll临听池中，同样也只处理接收事件；
• 如果有客户端连接的socket上的接收事件，那么说明客户端正在给服务端发消息；
• 收到客户端消息后，这里只是简单处理，原样再发给客户端；
• 如果客户端关闭或出错，将客户端连接关闭，并从epoll临听池中移除；

2.2 客户端测试

现在我们来编写一个简单的客户端模拟程序，测试一下多路复用的网络框架。

/*
 * ex020302_client.c
 */

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <arpa/inet.h>  
  
#define SERVER_IP "127.0.0.1"  
#define SERVER_PORT 4808  
#define BUFFER_SIZE 1024  

#define CLIENT_SEND_CNT 20

int main() 
{  
    int sockfd;  
    struct sockaddr_in server_addr;  
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};  
    const char *message = "Hello, Server!";  
  
    // 创建套接字  
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) 
    {  
        perror("socket creation failed");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 配置服务器地址信息  
    server_addr.sin_family = AF_INET;  
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  
  
    // 将IP地址从字符串转换为二进制形式  
    if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr) <= 0) 
    {  
        perror("Invalid address/ Address not supported");  
        close(sockfd);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 连接到服务器  
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) 
    {  
        perror("Connection Failed");  
        close(sockfd);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    for(int i = 0; i < CLIENT_SEND_CNT; i++)
    {
        // 发送消息到服务器  
        send(sockfd, message, strlen(message), 0);  
        printf("Message sent: %s\n", message);  
    
        // 接收服务器的响应  
        int bytes_received = recv(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0);  
        if (bytes_received < 0) 
        {  
            perror("Error in receiving");  
        } 
        else if (bytes_received == 0) 
        {  
            printf("Server closed the connection\n");  
        } 
        else 
        {  
            buffer[bytes_received] = '\0'; // 确保字符串以空字符结尾  
            printf("Message received from server: %s\n", buffer);  
        }  

        sleep(1);
    }
  
    // 关闭套接字  
    close(sockfd);  
  
    return 0;  
}

说明

• TCP客户端建立的基本步骤，创建socket，初始化服务端地址，连接服务器;
• 然后向服务端发送相同的消息；
• 每次发送完成后，等待接收消息；

2.3 客户端测试

可以看到，服务端处理客户端的请求时，都是按照接收到的顺序进行串行处理；

当客户端的数量达到成百上千时，对客户端的响应时间就会出现非常明显的延迟，

这种延迟会随着业务的复杂度而放大。

这时就需要充分利用多核CPU硬件资源，来进行并发任务的处理。

三、多进程服务处理

---

上面是在单个任务进程中处理了监听和大量任务连接的网络处理，各客户端连接的服务会相互影响，实际是串行化处理的。

要让大量的客户端能同时被响应，需要采用多任务的方式，那么在上面的网络模型基础上加入多进程，服务端为每个客户端连接准备一个独立的进程，这样就可以及时响应。

3.1 多进程架构

首先我们利用前面几个章节的介绍，来搭建一个多进程的代码架构，由主进程根据需要进行创建子进程，并且由主进程进行全局的控制。

/*
 * ex020302_netprocess.c
 */
#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <arpa/inet.h>  
#include <sys/epoll.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <errno.h>  
  
#define MAX_EVENTS 10  
#define BUFFER_SIZE 1024  
#define PORT 4808  

void daemon_fork()
{
	int pid = -1;
	pid = fork();
	if(pid < 0)
	{
		printf("fork error[%s]\n",strerror(errno));
		exit(-1);
	}
	else if(pid > 0)
	{
		// parent exit.
		exit(0);
	}
	else 
	{
		// child daemon
		return;
	}
}

void subprocess(int sock)
{
    int pid = -1;
	pid = fork();
	if(pid < 0)
	{
		printf("fork error[%s]\n",strerror(errno));
		exit(-1);
	}
	else if(pid > 0)
	{
		// parent.
        close(sock);
		return;
	}
	else 
	{
		// child 
        close(listen_fd);
        processMsg(sock);
		exit(0);
	}
}

说明

• daemon服务程序函数，这个前一章节已经介绍过了，服务端以后台进程的方式运行；
• 子进程任务处理函数；这里创建的是任务子进程，并在子进程中调用消息处理函数；
• 这里需要注意的是，在子进程中要关闭服务端的socket，同时在父进程中要关闭客户端连接的socket; 因为父子进程会复制内存空间，但是在各自的进程中，已经不再需要；

3.2 并发网络处理模型

现在就可以将上面的多路复用网络处理放入多进程架构中，处理逻辑进行如下切分：

• 服务端监听socket初始化，多路复用器的初始化等，都放在主进程中，作为服务端网络初始化的一部分；
• 每个客户端连接的socket，以及它的读写消息处理逻辑，放在子进程中；这样每个客户端连接对应一个后台服务子进程；
• 创建子进程的时机，也就是在主进程中接收到新连接时，创建新连接成功后，就可以新建子进程进行处理；
• 而子进程的退出时间，就是客户端断开连接，或者处理出错时；

void initializeServerNet()
{
    struct sockaddr_in server_addr;  
  
    // 创建监听socket  
    listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    if (listen_fd == -1) 
    {  
        perror("socket");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
   
    // 绑定地址和端口  
    server_addr.sin_family = AF_INET;  
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  
    server_addr.sin_port = htons(PORT);  
    if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) 
    {  
        perror("bind");  
        close(listen_fd);  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }

    // 开始监听
    if (listen(listen_fd, SOMAXCONN) == -1)
    {
        perror("listen");
        close(listen_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}

void closeServerFd()
{
    close(listen_fd);  
}

void dispatchLoop()
{
    int conn_fd;  

    // 主循环  
    while (1) 
    {  
        // 新的连接  
        conn_fd = accept(listen_fd, NULL, NULL);  
        if (conn_fd == -1) 
        {  
            perror("accept");  
            sleep(1);
            continue;  
        }

        subprocess(conn_fd);
    }  
}

void processMsg(int sock)
{
    char buffer[BUFFER_SIZE];  
    ssize_t count;  

    printf("serv-process:%d start.\n");

    while ((count = read(sock, buffer, BUFFER_SIZE)) > 0)
    {
        // 处理接收到的数据（这里简单回显）
        write(sock, buffer, count);
    }

    if (count == -1 && errno != EAGAIN)
    {
        // 出现错误或连接关闭
        close(sock);
    }
    else if (count == 0)
    {
        // 连接关闭
        close(sock);
    }

    printf("serv-process:%d exit.\n");
}

那么主程序实现如下：

void daemon_fork();
void subprocess(int sock);
void processMsg(int sock);

void initializeServerNet();
void closeServerFd();
void dispatchLoop();

int listen_fd;

int main(int argc ,char *argv[])
{
	daemon_fork();

	initializeServerNet();
    
  dispatchLoop();

  closeServerFd();
	return 0;
}

• 在主进程中先进程服务端初始化；
• 然后就可以开始监听，并接收客户端的连接；
• 当有客户端连接时，就创建客户端连接，并启动子进程与该客户端进行网络通信；
• 子进程在客户端断开连接或出错时，就会退出；

2.3 客户端测试

可以看到将客户端发送次数调大后，开启的客户端越多，服务端启动的子进程也就会越多；

此时，可以看到服务端每个进程的CPU使用率并不是很高；

但是随着客户端数量越来越多，服务端进程数量超过CPU核数时，就会增加系统的负担；

四、总结

---

本文主要介绍了基于多进程架构的网络服务器的设计与实现，在多进程架构中每个客户端会有一个服务端的进程专门处理通信，增加了对客户端消息的响应效率，提升了并发处理能力。

结尾

---

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作者邮箱：study@senllang.onaliyun.com
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