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計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)編程 | 并發(fā)服務(wù)器代碼實(shí)現(xiàn)（多進(jìn)程/多線程）

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計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)編程 | 并發(fā)服務(wù)器代碼實(shí)現(xiàn)（多進(jìn)程/多線程）

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專欄：《網(wǎng)絡(luò)編程》

什么是并發(fā)服務(wù)器

當(dāng)涉及到構(gòu)建高性能的服務(wù)器應(yīng)用程序時，我們通常會考慮使用并發(fā)服務(wù)器來處理多個客戶端請求。在并發(fā)服務(wù)器中，多進(jìn)程和多線程是兩種常見的并發(fā)模型，它們都有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用場景。本文將介紹多進(jìn)程和多線程并發(fā)服務(wù)器的基礎(chǔ)知識。

多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器
多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器通過創(chuàng)建多個子進(jìn)程來處理客戶端請求。每個子進(jìn)程是操作系統(tǒng)中獨(dú)立運(yùn)行的單位，擁有自己的內(nèi)存空間和資源。當(dāng)有新的客戶端連接請求到達(dá)時，服務(wù)器創(chuàng)建一個新的子進(jìn)程來處理該請求。子進(jìn)程負(fù)責(zé)與客戶端通信并提供所需的服務(wù)。
多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高。由于每個子進(jìn)程都是相互獨(dú)立的，一個子進(jìn)程的崩潰或錯誤不會影響其他子進(jìn)程的執(zhí)行。這種獨(dú)立性使得多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器能夠有效地隔離錯誤，提高服務(wù)器的可靠性。
然而，多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器也有一些缺點(diǎn)。創(chuàng)建和管理多個進(jìn)程需要消耗更多的系統(tǒng)資源，包括內(nèi)存和CPU時間。進(jìn)程間的通信也需要特殊的機(jī)制，例如管道或共享內(nèi)存，以便在不同進(jìn)程之間傳遞數(shù)據(jù)。此外，由于每個進(jìn)程都有自己的內(nèi)存空間，進(jìn)程間的數(shù)據(jù)共享和同步可能會變得復(fù)雜。

多線程并發(fā)服務(wù)器
多線程并發(fā)服務(wù)器通過創(chuàng)建多個線程來處理客戶端請求。線程是在進(jìn)程內(nèi)部運(yùn)行的獨(dú)立執(zhí)行流，共享同一個進(jìn)程的內(nèi)存空間和資源。與多進(jìn)程不同，多線程服務(wù)器不需要創(chuàng)建新的進(jìn)程來處理請求，而是在同一個進(jìn)程中創(chuàng)建多個線程。
多線程并發(fā)服務(wù)器的優(yōu)點(diǎn)是資源消耗較少。與進(jìn)程相比，線程的創(chuàng)建和切換開銷更小，因?yàn)樗鼈児蚕磉M(jìn)程的資源。這使得多線程并發(fā)服務(wù)器更加輕量級，能夠更高效地利用系統(tǒng)資源。
然而，多線程并發(fā)服務(wù)器也存在一些問題。首先，線程共享進(jìn)程的內(nèi)存空間，因此在多線程環(huán)境中訪問共享數(shù)據(jù)需要特殊的同步機(jī)制，以避免競態(tài)條件和數(shù)據(jù)不一致。其次，由于線程共享相同的地址空間，一個線程的錯誤可能會影響整個進(jìn)程，導(dǎo)致服務(wù)器崩潰或不穩(wěn)定。

選擇適合的并發(fā)模型
在選擇多進(jìn)程還是多線程并發(fā)服務(wù)器時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和性能要求進(jìn)行權(quán)衡。以下是一些建議：

如果穩(wěn)定性和容錯性是首要考慮因素，多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器可能是更好的選擇。每個子進(jìn)程的獨(dú)立性可以有效地隔離錯誤，提高服務(wù)器的可靠性。
如果服務(wù)器需要處理大量的并發(fā)連接并需要更高的性能和資源利用率，多線程并發(fā)服務(wù)器可能更適合。線程的創(chuàng)建和切換開銷相對較小，可以更高效地處理并發(fā)請求。
如果同時需要穩(wěn)定性和性能，可以考慮使用混合模型，即在每個進(jìn)程中創(chuàng)建多個線程，以實(shí)現(xiàn)更好的負(fù)載平衡和資源利用率。

無論選擇多進(jìn)程還是多線程并發(fā)服務(wù)器，都需要注意正確處理并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)的問題，使用適當(dāng)?shù)耐綑C(jī)制（如鎖、信號量）來保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性。

總結(jié)起來，多進(jìn)程和多線程并發(fā)服務(wù)器是實(shí)現(xiàn)高性能服務(wù)器的常見方式。它們各有優(yōu)劣，選擇合適的并發(fā)模型需要考慮應(yīng)用需求和性能要求，并注意處理并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)的問題。

多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器代碼實(shí)現(xiàn)

使用多進(jìn)程并發(fā)服務(wù)器時要考慮以下幾點(diǎn)：

父進(jìn)程最大文件描述個數(shù)(父進(jìn)程中需要close關(guān)閉accept返回的新文件描述符)；
系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建進(jìn)程個數(shù)(與內(nèi)存大小相關(guān))；
進(jìn)程創(chuàng)建過多是否降低整體服務(wù)性能(進(jìn)程調(diào)度)；

server

/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include "wrap.h"

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 800

void do_sigchild(int num)
{
	while (waitpid(0, NULL, WNOHANG) > 0)
		;
}
int main(void)
{
	struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
	socklen_t cliaddr_len;
	int listenfd, connfd;
	char buf[MAXLINE];
	char str[INET_ADDRSTRLEN];
	int i, n;
	pid_t pid;

	struct sigaction newact;
	newact.sa_handler = do_sigchild;
	sigemptyset(&newact.sa_mask);
	newact.sa_flags = 0;
	sigaction(SIGCHLD, &newact, NULL);

	listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

	Listen(listenfd, 20);

	printf("Accepting connections ...\n");
	while (1) {
		cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
		connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);

		pid = fork();
		if (pid == 0) {
			Close(listenfd);
			while (1) {
				n = Read(connfd, buf, MAXLINE);
				if (n == 0) {
					printf("the other side has been closed.\n");
					break;
				}
				printf("received from %s at PORT %d\n",
						inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
						ntohs(cliaddr.sin_port));
				for (i = 0; i < n; i++)
					buf[i] = toupper(buf[i]);
				Write(connfd, buf, n);
			}
			Close(connfd);
			return 0;
		} else if (pid > 0) {
			Close(connfd);
		} else
			perr_exit("fork");
	}
	Close(listenfd);
	return 0;
}

client

/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include "wrap.h"

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666

int main(int argc, char *argv[])
{
	struct sockaddr_in servaddr;
	char buf[MAXLINE];
	int sockfd, n;

	sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

	while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
		Write(sockfd, buf, strlen(buf));
		n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);
		if (n == 0) {
			printf("the other side has been closed.\n");
			break;
		} else
			Write(STDOUT_FILENO, buf, n);
	}
	Close(sockfd);
	return 0;
}

多線程并發(fā)服務(wù)器代碼實(shí)現(xiàn)

在使用線程模型開發(fā)服務(wù)器時需考慮以下問題：

調(diào)整進(jìn)程內(nèi)最大文件描述符上限；
線程如有共享數(shù)據(jù)，考慮線程同步；
服務(wù)于客戶端線程退出時，退出處理（退出值，分離態(tài)）；
系統(tǒng)負(fù)載，隨著鏈接客戶端增加，導(dǎo)致其它線程不能及時得到CPU；

server

/* server.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>

#include "wrap.h"
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666

struct s_info {
	struct sockaddr_in cliaddr;
	int connfd;
};
void *do_work(void *arg)
{
	int n,i;
	struct s_info *ts = (struct s_info*)arg;
	char buf[MAXLINE];
	char str[INET_ADDRSTRLEN];
	/* 可以在創(chuàng)建線程前設(shè)置線程創(chuàng)建屬性,設(shè)為分離態(tài),哪種效率高內(nèi)？ */
	pthread_detach(pthread_self());
	while (1) {
		n = Read(ts->connfd, buf, MAXLINE);
		if (n == 0) {
			printf("the other side has been closed.\n");
			break;
		}
		printf("received from %s at PORT %d\n",
				inet_ntop(AF_INET, &(*ts).cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
				ntohs((*ts).cliaddr.sin_port));
		for (i = 0; i < n; i++)
			buf[i] = toupper(buf[i]);
		Write(ts->connfd, buf, n);
	}
	Close(ts->connfd);
}

int main(void)
{
	struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
	socklen_t cliaddr_len;
	int listenfd, connfd;
	int i = 0;
	pthread_t tid;
	struct s_info ts[256];

	listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
	Listen(listenfd, 20);

	printf("Accepting connections ...\n");
	while (1) {
		cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
		connfd = Accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
		ts[i].cliaddr = cliaddr;
		ts[i].connfd = connfd;
		/* 達(dá)到線程最大數(shù)時，pthread_create出錯處理, 增加服務(wù)器穩(wěn)定性 */
		pthread_create(&tid, NULL, do_work, (void*)&ts[i]);
		i++;
	}
	return 0;
}

client

/* client.c */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include "wrap.h"
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666
int main(int argc, char *argv[])
{
	struct sockaddr_in servaddr;
	char buf[MAXLINE];
	int sockfd, n;

	sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

	bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	Connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

	while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
		Write(sockfd, buf, strlen(buf));
		n = Read(sockfd, buf, MAXLINE);
		if (n == 0)
			printf("the other side has been closed.\n");
		else
			Write(STDOUT_FILENO, buf, n);
	}
	Close(sockfd);
	return 0;
}

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