第 10 章 多進(jìn)程服務(wù)器端

10.1 進(jìn)程概念及應(yīng)用

并發(fā)服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)方法：

????????通過改進(jìn)服務(wù)端，使其同時(shí)向所有發(fā)起請求的客戶端提供服務(wù)，以提高平均滿意度。而且，網(wǎng)絡(luò)程序中數(shù)據(jù)通信時(shí)間比 CPU 運(yùn)算時(shí)間占比更大，因此，向多個(gè)客戶端提供服務(wù)是一種有效的利用 CPU 的方式。接下來討論同時(shí)向多個(gè)客戶端提供服務(wù)的并發(fā)服務(wù)器端。下面列出的是具有代表性的并發(fā)服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)模型和方法：

• 多進(jìn)程服務(wù)器：通過創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程提供服務(wù)
• 多路復(fù)用服務(wù)器：通過捆綁并統(tǒng)一管理 I/O 對象提供服務(wù)
• 多線程服務(wù)器：通過生成與客戶端等量的線程提供服務(wù)

第一種方法：多進(jìn)程服務(wù)器

?理解進(jìn)程：

????????進(jìn)程的定義如下：

占用內(nèi)存空間的正在運(yùn)行的程序。

????????假如你下載了一個(gè)游戲到電腦上，此時(shí)的游戲不是進(jìn)程，而是程序。只有當(dāng)游戲被加載到主內(nèi)存并進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，這是才可稱為進(jìn)程。

進(jìn)程 ID：

????????無論進(jìn)程是如何創(chuàng)建的，所有的進(jìn)程都會(huì)被操作系統(tǒng)分配一個(gè) ID。此 ID 被稱為「進(jìn)程ID」，其值為大于 2 的整數(shù)。1 要分配給操作系統(tǒng)啟動(dòng)后的（用于協(xié)助操作系統(tǒng)）首個(gè)進(jìn)程，因此用戶無法得到 ID 值為 1 。接下來輸入以下命令來觀察在 Linux 中運(yùn)行的進(jìn)程：

ps au

?????????通過上面的命令可查看當(dāng)前運(yùn)行的所有進(jìn)程。需要注意的是，該命令同時(shí)列出了 PID（進(jìn)程ID）。參數(shù) a 和 u列出了所有進(jìn)程的詳細(xì)信息。

通過調(diào)用 fork 函數(shù)創(chuàng)建進(jìn)程：

????????創(chuàng)建進(jìn)程的方式很多，此處只介紹用于創(chuàng)建多進(jìn)程服務(wù)端的 fork 函數(shù)：

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
// 成功時(shí)返回進(jìn)程ID,失敗時(shí)返回 -1

????????fork 函數(shù)將創(chuàng)建調(diào)用的進(jìn)程副本。也就是說，并非根據(jù)完全不同的程序創(chuàng)建進(jìn)程，而是復(fù)制正在運(yùn)行的、調(diào)用 fork 函數(shù)的進(jìn)程。另外，兩個(gè)進(jìn)程都執(zhí)行 fork 函數(shù)調(diào)用后的語句（準(zhǔn)確的說是在 fork 函數(shù)返回后）。但因?yàn)槭峭ㄟ^同一個(gè)進(jìn)程、復(fù)制相同的內(nèi)存空間，之后的程序流要根據(jù) fork 函數(shù)的返回值加以區(qū)分。即利用 fork 函數(shù)的如下特點(diǎn)區(qū)分程序執(zhí)行流程。

• 父進(jìn)程：fork 函數(shù)返回子進(jìn)程 ID
• 子進(jìn)程：fork 函數(shù)返回 0

????????此處，「父進(jìn)程」（Parent Process）指原進(jìn)程，即調(diào)用 fork 函數(shù)的主體，而「子進(jìn)程」（Child Process）是通過父進(jìn)程調(diào)用 fork 函數(shù)復(fù)制出的進(jìn)程。接下來是調(diào)用 fork 函數(shù)后的程序運(yùn)行流程。如圖所示：????????

?????????從圖中可以看出，父進(jìn)程調(diào)用 fork 函數(shù)的同時(shí)復(fù)制出子進(jìn)程，并分別得到 fork 函數(shù)的返回值。但復(fù)制前，父進(jìn)程將全局變量 gval 增加到 11,將局部變量 lval 的值增加到 25，因此在這種狀態(tài)下完成進(jìn)程復(fù)制。復(fù)制完成后根據(jù) fork 函數(shù)的返回類型區(qū)分父子進(jìn)程。父進(jìn)程的 lval 的值增加 1 ，但這不會(huì)影響子進(jìn)程的 lval 值。同樣子進(jìn)程將 gval 的值增加 1 也不會(huì)影響到父進(jìn)程的 gval 。因?yàn)?fork 函數(shù)調(diào)用后分成了完全不同的進(jìn)程，只是二者共享同一段代碼而已。接下來給出一個(gè)例子：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int gval = 10;
int main(int argc, char *argv[])
{
    pid_t pid;
    int lval = 20;
    gval++, lval += 5;
    pid = fork();
    if (pid == 0)
        gval += 2, lval += 2;
    else
        gval -= 2, lval -= 2;
    if (pid == 0)
        printf("Child Proc: [%d,%d] \n", gval, lval);
    else
        printf("Parent Proc: [%d,%d] \n", gval, lval);
    return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

????????可以看出，當(dāng)執(zhí)行了 fork 函數(shù)之后，此后就相當(dāng)于有了兩個(gè)程序在執(zhí)行代碼，對于父進(jìn)程來說，fork 函數(shù)返回的是子進(jìn)程的ID，對于子進(jìn)程來說，fork 函數(shù)返回 0。所以這兩個(gè)變量，父進(jìn)程進(jìn)行了 +2 操作 ，而子進(jìn)程進(jìn)行了 -2 操作。?

10.2 進(jìn)程和僵尸進(jìn)程

????????文件操作中，關(guān)閉文件和打開文件同等重要。同樣，進(jìn)程銷毀和進(jìn)程創(chuàng)建也同等重要。如果未認(rèn)真對待進(jìn)程銷毀，他們將變成僵尸進(jìn)程。????????

僵尸（Zombie）進(jìn)程：

????????進(jìn)程的工作完成后（執(zhí)行完 main 函數(shù)中的程序后）應(yīng)被銷毀，但有時(shí)這些進(jìn)程將變成僵尸進(jìn)程，占用系統(tǒng)中的重要資源。這種狀態(tài)下的進(jìn)程稱作「僵尸進(jìn)程」，這也是給系統(tǒng)帶來負(fù)擔(dān)的原因之一。

僵尸進(jìn)程是當(dāng)子進(jìn)程比父進(jìn)程先結(jié)束，而父進(jìn)程又沒有回收子進(jìn)程，釋放子進(jìn)程占用的資源，此時(shí)子進(jìn)程將成為一個(gè)僵尸進(jìn)程。如果父進(jìn)程先退出 ，子進(jìn)程被init接管，子進(jìn)程退出后init會(huì)回收其占用的相關(guān)資源

產(chǎn)生僵尸進(jìn)程的原因：

????????為了防止僵尸進(jìn)程產(chǎn)生，先解釋產(chǎn)生僵尸進(jìn)程的原因。利用如下兩個(gè)示例展示調(diào)用 fork 函數(shù)產(chǎn)生子進(jìn)程的終止方式。

• 傳遞參數(shù)并調(diào)用 exit() 函數(shù)
• main 函數(shù)中執(zhí)行 return 語句并返回值

????????向 exit 函數(shù)傳遞的參數(shù)值和 main 函數(shù)的 return 語句返回的值都會(huì)傳遞給操作系統(tǒng)。而操作系統(tǒng)不會(huì)銷毀子進(jìn)程，直到把這些值傳遞給產(chǎn)生該子進(jìn)程的父進(jìn)程。處在這種狀態(tài)下的進(jìn)程就是僵尸進(jìn)程。也就是說將子進(jìn)程變成僵尸進(jìn)程的正是操作系統(tǒng)。既然如此，僵尸進(jìn)程何時(shí)被銷毀呢？

應(yīng)該向創(chuàng)建子進(jìn)程的父進(jìn)程傳遞子進(jìn)程的 exit 參數(shù)值或 return 語句的返回值。

如何向父進(jìn)程傳遞這些值呢？操作系統(tǒng)不會(huì)主動(dòng)把這些值傳遞給父進(jìn)程。只有父進(jìn)程主動(dòng)發(fā)起請求（函數(shù)調(diào)用）的時(shí)候，操作系統(tǒng)才會(huì)傳遞該值。換言之，如果父進(jìn)程未主動(dòng)要求獲得子進(jìn)程結(jié)束狀態(tài)值，操作系統(tǒng)將一直保存，并讓子進(jìn)程長時(shí)間處于僵尸進(jìn)程狀態(tài)。接下來的示例是創(chuàng)建僵尸進(jìn)程：????????

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    pid_t pid = fork(); // 創(chuàng)建一個(gè)新的子進(jìn)程

    if (pid == 0) // 子進(jìn)程執(zhí)行代碼
    {
        puts("Hi, I am a child Process"); // 輸出一條消息："Hi, I am a child Process"
    }
    else // 父進(jìn)程執(zhí)行代碼
    {
        printf("Child Process ID: %d \n", pid); // 輸出子進(jìn)程的進(jìn)程ID（PID）
        sleep(30); // 父進(jìn)程睡眠30秒
    }

    // 以下代碼父子進(jìn)程共同執(zhí)行

    if (pid == 0) // 子進(jìn)程將執(zhí)行這部分代碼
        puts("End child process"); // 輸出一條消息："End child process"
    else // 父進(jìn)程將執(zhí)行這部分代碼
        puts("End parent process"); // 輸出一條消息："End parent process"

    return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

?????????通過?ps au?命令可以看出，子進(jìn)程仍然存在，并沒有被銷毀，僵尸進(jìn)程在這里顯示為?Z+。30秒后，紅框里面的兩個(gè)進(jìn)程會(huì)同時(shí)被銷毀。

銷毀僵尸進(jìn)程 1：利用 wait 函數(shù)

為了銷毀子進(jìn)程，父進(jìn)程應(yīng)該主動(dòng)請求獲取子進(jìn)程的返回值。下面是發(fā)起請求的具體方法。一共有兩種：

#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *statloc);
/*
成功時(shí)返回終止的子進(jìn)程 ID ,失敗時(shí)返回 -1
*/

????????調(diào)用此函數(shù)時(shí)如果已有子進(jìn)程終止，那么子進(jìn)程終止時(shí)傳遞的返回值（exit 函數(shù)的參數(shù)返回值，main 函數(shù)的 return 返回值）將保存到該函數(shù)的參數(shù)所指的內(nèi)存空間。但函數(shù)參數(shù)指向的單元中還包含其他信息，因此需要用下列宏進(jìn)行分離：

• WIFEXITED 子進(jìn)程正常終止時(shí)返回「真」
• WEXITSTATUS 返回子進(jìn)程時(shí)的返回值

也就是說，向 wait 函數(shù)傳遞變量 status 的地址時(shí)，調(diào)用 wait 函數(shù)后應(yīng)編寫如下代碼：

if (WIFEXITED(status))
{
    puts("Normal termination");
    printf("Child pass num: %d", WEXITSTATUS(status));
}

????????如下示例不會(huì)讓子進(jìn)程變成僵尸進(jìn)程：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int status;
    pid_t pid = fork(); // 創(chuàng)建第一個(gè)子進(jìn)程

    if (pid == 0) // 子進(jìn)程執(zhí)行代碼
    {
        return 3; // 子進(jìn)程返回值為3，表示子進(jìn)程正常終止
    }
    else // 父進(jìn)程執(zhí)行代碼
    {
        printf("Child PID: %d \n", pid); // 輸出第一個(gè)子進(jìn)程的進(jìn)程ID（PID）
        pid = fork(); // 在父進(jìn)程中創(chuàng)建第二個(gè)子進(jìn)程

        if (pid == 0) // 第二個(gè)子進(jìn)程執(zhí)行代碼
        {
            exit(7); // 第二個(gè)子進(jìn)程以退出碼7正常終止
        }
        else // 父進(jìn)程執(zhí)行代碼
        {
            printf("Child PID: %d \n", pid); // 輸出第二個(gè)子進(jìn)程的進(jìn)程ID（PID）

            wait(&status); // 等待第一個(gè)子進(jìn)程終止并處理其退出狀態(tài)
            if (WIFEXITED(status)) // 驗(yàn)證第一個(gè)子進(jìn)程是否正常終止
                printf("Child send one: %d \n", WEXITSTATUS(status)); // 輸出第一個(gè)子進(jìn)程的返回值

            wait(&status); // 等待第二個(gè)子進(jìn)程終止并處理其退出狀態(tài)
            if (WIFEXITED(status)) // 驗(yàn)證第二個(gè)子進(jìn)程是否正常終止
                printf("Child send two: %d \n", WEXITSTATUS(status)); // 輸出第二個(gè)子進(jìn)程的返回值

            sleep(30); // 父進(jìn)程睡眠30秒
        }
    }

    return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

????????此時(shí)，系統(tǒng)中并沒有上述 PID 對應(yīng)的進(jìn)程，這是因?yàn)檎{(diào)用了 wait 函數(shù)，完全銷毀了該子進(jìn)程。另外兩個(gè)子進(jìn)程返回時(shí)返回的 3 和 7 傳遞到了父進(jìn)程。

????????這就是通過 wait 函數(shù)消滅僵尸進(jìn)程的方法，值得注意的是：調(diào)用 wait 函數(shù)時(shí)，如果沒有已經(jīng)終止的子進(jìn)程，那么程序?qū)⒆枞˙locking）直到有子進(jìn)程終止，因此要謹(jǐn)慎調(diào)用該函數(shù)。

銷毀僵尸進(jìn)程 2：使用 waitpid 函數(shù)

????????wait 函數(shù)會(huì)引起程序阻塞，還可以考慮調(diào)用 waitpid 函數(shù)。這是防止僵尸進(jìn)程的第二種方法，也是防止阻塞的方法:

#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);
/*
成功時(shí)返回終止的子進(jìn)程ID 或 0 ，失敗時(shí)返回 -1
pid: 等待終止的目標(biāo)子進(jìn)程的ID,若傳 -1，則與 wait 函數(shù)相同，可以等待任意子進(jìn)程終止
statloc: 與 wait 函數(shù)的 statloc 參數(shù)具有相同含義
options: 傳遞頭文件 sys/wait.h 聲明的常量 WNOHANG ,即使沒有終止的子進(jìn)程也不會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，而是返回 0 退出函數(shù)。
*/

?waitpid 的使用示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int status;
    pid_t pid = fork(); // 創(chuàng)建子進(jìn)程

    if (pid == 0) // 子進(jìn)程執(zhí)行代碼
    {
        sleep(15); // 用 sleep 推遲子進(jìn)程的執(zhí)行，讓其睡眠15秒
        return 24; // 子進(jìn)程返回值為24，表示子進(jìn)程正常終止
    }
    else // 父進(jìn)程執(zhí)行代碼
    {
        // 使用 waitpid 傳遞參數(shù) WNOHANG，這樣在沒有終止的子進(jìn)程時(shí)，waitpid 立即返回，不會(huì)阻塞
        // 循環(huán)等待子進(jìn)程終止
        while (!waitpid(-1, &status, WNOHANG))
        {
            sleep(3); // 父進(jìn)程睡眠3秒
            puts("sleep 3 sec.");
        }

        if (WIFEXITED(status)) // 驗(yàn)證子進(jìn)程是否正常終止
            printf("Child send %d \n", WEXITSTATUS(status)); // 輸出子進(jìn)程的返回值
    }

    return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

????????可以看出來，在 while 循環(huán)中正好執(zhí)行了 5 次。這也證明了 waitpid 函數(shù)并沒有阻塞 。

10.3 信號(hào)處理

????????我們已經(jīng)知道了進(jìn)程的創(chuàng)建及銷毀的辦法，但是還有一個(gè)問題沒有解決：子進(jìn)程究竟何時(shí)終止？調(diào)用 waitpid 函數(shù)后要無休止的等待嗎？

向操作系統(tǒng)求助：

????????子進(jìn)程終止的識(shí)別主題是操作系統(tǒng)，因此，若操作系統(tǒng)能把子進(jìn)程結(jié)束的信息告訴正忙于工作的父進(jìn)程，將有助于構(gòu)建更高效的程序。

????????為了實(shí)現(xiàn)上述的功能，引入信號(hào)處理機(jī)制（Signal Handing）。此處「信號(hào)」是在特定事件發(fā)生時(shí)由操作系統(tǒng)向進(jìn)程發(fā)送的消息。另外，為了響應(yīng)該消息，執(zhí)行與消息相關(guān)的自定義操作的過程被稱為「處理」或「信號(hào)處理」。

信號(hào)與 signal 函數(shù)：

????????下面進(jìn)程和操作系統(tǒng)的對話可以幫助理解信號(hào)處理。

進(jìn)程：操作系統(tǒng)，如果我之前創(chuàng)建的子進(jìn)程終止，就幫我調(diào)用 zombie_handler 函數(shù)。

操作系統(tǒng)：好的，如果你的子進(jìn)程終止，我就幫你調(diào)用 zombie_handler 函數(shù)，你先把函數(shù)要執(zhí)行的語句寫好。????????

????????上述的對話，相當(dāng)于「注冊信號(hào)」的過程。即進(jìn)程發(fā)現(xiàn)自己的子進(jìn)程結(jié)束時(shí)，請求操作系統(tǒng)調(diào)用的特定函數(shù)。該請求可以通過如下函數(shù)調(diào)用完成：?

#include <signal.h>
void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);
/*
為了在產(chǎn)生信號(hào)時(shí)調(diào)用，返回之前注冊的函數(shù)指針
函數(shù)名: signal
參數(shù)：int signo,void(*func)(int)
返回類型：參數(shù)類型為int型，返回 void 型函數(shù)指針
*/

????????調(diào)用上述函數(shù)時(shí)，第一個(gè)參數(shù)為特殊情況信息，第二個(gè)參數(shù)為特殊情況下將要調(diào)用的函數(shù)的地址值（指針）。發(fā)生第一個(gè)參數(shù)代表的情況時(shí)，調(diào)用第二個(gè)參數(shù)所指的函數(shù)。下面給出可以在 signal 函數(shù)中注冊的部分特殊情況和對應(yīng)的函數(shù)。

• SIGALRM：已到通過調(diào)用 alarm 函數(shù)注冊時(shí)間
• SIGINT：輸入 ctrl+c
• SIGCHLD：子進(jìn)程終止

????????接下來編寫調(diào)用 signal 函數(shù)的語句完成如下請求：子進(jìn)程終止則調(diào)用 mychild 函數(shù)。

????????此時(shí) mychild 函數(shù)的參數(shù)應(yīng)為 int ，返回值類型應(yīng)為 void 。只有這樣才能成為 signal 函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)。另外，常數(shù) SIGCHLD 定義了子進(jìn)程終止的情況，應(yīng)成為 signal 函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)。也就是說，signal 函數(shù)調(diào)用語句如下：

signal(SIGCHLD , mychild);

接下來編寫 signal 函數(shù)的調(diào)用語句，分別完成如下兩個(gè)請求：

1. 已到通過 alarm 函數(shù)注冊時(shí)間，請調(diào)用 timeout 函數(shù)
2. 輸入 ctrl+c 時(shí)調(diào)用 keycontrol 函數(shù)

代表這 2 種情況的常數(shù)分別為 SIGALRM 和 SIGINT ，因此按如下方式調(diào)用 signal 函數(shù)：

signal(SIGALRM , timeout);
signal(SIGINT , keycontrol);

????????以上就是信號(hào)注冊過程。注冊好信號(hào)之后，發(fā)生注冊信號(hào)時(shí)（注冊的情況發(fā)生時(shí)），操作系統(tǒng)將調(diào)用該信號(hào)對應(yīng)的函數(shù)。先介紹 alarm 函數(shù)：

#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
// 返回0或以秒為單位的距 SIGALRM 信號(hào)發(fā)生所剩時(shí)間

????????如果調(diào)用該函數(shù)的同時(shí)向它傳遞一個(gè)正整型參數(shù)，相應(yīng)時(shí)間后（以秒為單位）將產(chǎn)生 SIGALRM 信號(hào)。若向該函數(shù)傳遞為 0 ，則之前對 SIGALRM 信號(hào)的預(yù)約將取消。如果通過改函數(shù)預(yù)約信號(hào)后未指定該信號(hào)對應(yīng)的處理函數(shù)，則（通過調(diào)用 signal 函數(shù)）終止進(jìn)程，不做任何處理。

? ? ? ? 示例代碼：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void timeout(int sig) //信號(hào)處理器
{
    if (sig == SIGALRM)
        puts("Time out!");
    alarm(2); //為了每隔 2 秒重復(fù)產(chǎn)生 SIGALRM 信號(hào)，在信號(hào)處理器中調(diào)用 alarm 函數(shù)
}
void keycontrol(int sig) //信號(hào)處理器
{
    if (sig == SIGINT)
        puts("CTRL+C pressed");
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    int i;
    signal(SIGALRM, timeout); //注冊信號(hào)及相應(yīng)處理器
    signal(SIGINT, keycontrol);
    alarm(2); //預(yù)約 2 秒后發(fā)生 SIGALRM 信號(hào)

    for (i = 0; i < 3; i++)
    {
        puts("wait...");
        sleep(100);
    }
    return 0;
}

? ? ? ? 運(yùn)行結(jié)果：

? ? ? ? 第一次結(jié)果是沒有任何輸入的運(yùn)行結(jié)果 。 第二次是連續(xù)鍵入3次?ctrl+c 的結(jié)果。發(fā)生信號(hào)時(shí)將喚醒由于調(diào)用 sleep 函數(shù)而進(jìn)入阻塞狀態(tài)的進(jìn)程。

????????調(diào)用函數(shù)的主體的確是操作系統(tǒng)，但是進(jìn)程處于睡眠狀態(tài)時(shí)無法調(diào)用函數(shù)，因此，產(chǎn)生信號(hào)時(shí)，為了調(diào)用信號(hào)處理器，將喚醒由于調(diào)用 sleep 函數(shù)而進(jìn)入阻塞狀態(tài)的進(jìn)程。而且，進(jìn)程一旦被喚醒，就不會(huì)再進(jìn)入睡眠狀態(tài)。即使還未到 sleep 中規(guī)定的時(shí)間也是如此。所以上述示例運(yùn)行不到 10 秒后就會(huì)結(jié)束，連續(xù)輸入 CTRL+C 可能連一秒都不到。

利用 sigaction 函數(shù)進(jìn)行信號(hào)處理：

????????前面所學(xué)的內(nèi)容可以防止僵尸進(jìn)程，還有一個(gè)函數(shù)，叫做 sigaction 函數(shù)，他類似于 signal 函數(shù)，而且可以完全代替后者，也更穩(wěn)定。之所以穩(wěn)定，是因?yàn)椋?strong>signal 函數(shù)在 Unix 系列的不同操作系統(tǒng)可能存在區(qū)別，但 sigaction 函數(shù)完全相同。

????????實(shí)際上現(xiàn)在很少用 signal 函數(shù)編寫程序，他只是為了保持對舊程序的兼容，下面介紹 sigaction 函數(shù)，只講解可以替換 signal 函數(shù)的功能：

#include <signal.h>

int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
/*
成功時(shí)返回 0 ，失敗時(shí)返回 -1
act: 對于第一個(gè)參數(shù)的信號(hào)處理函數(shù)（信號(hào)處理器）信息。
oldact: 通過此參數(shù)獲取之前注冊的信號(hào)處理函數(shù)指針，若不需要?jiǎng)t傳遞 0
*/

????????聲明并初始化 sigaction 結(jié)構(gòu)體變量以調(diào)用上述函數(shù)，該結(jié)構(gòu)體定義如下：?

struct sigaction
{
    void (*sa_handler)(int);
    sigset_t sa_mask;
    int sa_flags;
};

????????此結(jié)構(gòu)體的成員 sa_handler 保存信號(hào)處理的函數(shù)指針值（地址值）。sa_mask 和 sa_flags 的所有位初始化 0 即可。這 2 個(gè)成員用于指定信號(hào)相關(guān)的選項(xiàng)和特性，而我們的目的主要是防止產(chǎn)生僵尸進(jìn)程，故省略。

????????下面的示例是關(guān)于 sigaction 函數(shù)的使用方法：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void timeout(int sig)
{
    if (sig == SIGALRM)
        puts("Time out!");
    alarm(2);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i;
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = timeout;    //保存函數(shù)指針
    sigemptyset(&act.sa_mask);   //將 sa_mask 成員的所有位初始化成0
    act.sa_flags = 0;            //sa_flags 同樣初始化成 0
    sigaction(SIGALRM, &act, 0); //注冊 SIGALRM 信號(hào)的處理器。

    alarm(2); //2 秒后發(fā)生 SIGALRM 信號(hào)

    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        puts("wait...");
        sleep(100);
    }
    return 0;
}

? ? ? ? 運(yùn)行結(jié)果：

?????????可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)果和之前用 signal 函數(shù)的結(jié)果沒有什么區(qū)別。

利用信號(hào)處理技術(shù)消滅僵尸進(jìn)程：

????????下面利用子進(jìn)程終止時(shí)產(chǎn)生 SIGCHLD 信號(hào)這一點(diǎn)，來用信號(hào)處理來消滅僵尸進(jìn)程?？匆韵麓a：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

void read_childproc(int sig)
{
    int status;
    pid_t id = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
    if (WIFEXITED(status))
    {
        printf("Removed proc id: %d \n", id);             //子進(jìn)程的 pid
        printf("Child send: %d \n", WEXITSTATUS(status)); //子進(jìn)程的返回值
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pid_t pid;
    struct sigaction act;
    act.sa_handler = read_childproc;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    sigaction(SIGCHLD, &act, 0);

    pid = fork();
    if (pid == 0) //子進(jìn)程執(zhí)行階段
    {
        puts("Hi I'm child process");
        sleep(10);
        return 12;
    }
    else //父進(jìn)程執(zhí)行階段
    {
        printf("Child proc id: %d\n", pid);
        pid = fork();
        if (pid == 0)
        {
            puts("Hi! I'm child process");
            sleep(10);
            exit(24);
        }
        else
        {
            int i;
            printf("Child proc id: %d \n", pid);
            for (i = 0; i < 5; i++)
            {
                puts("wait");
                sleep(5);
            }
        }
    }
    return 0;
}

????????運(yùn)行結(jié)果：

????????代碼中創(chuàng)建了兩個(gè)子進(jìn)程，父進(jìn)程在創(chuàng)建子進(jìn)程后會(huì)輸出子進(jìn)程的信息，然后進(jìn)入等待狀態(tài)，睡眠5秒，循環(huán)輸出"wait"。而子進(jìn)程在輸出自身信息后，睡眠10秒后返回不同的返回值。父進(jìn)程在循環(huán)等待期間，若有子進(jìn)程終止，則信號(hào)處理函數(shù) read_childproc 會(huì)被調(diào)用，輸出子進(jìn)程的PID和返回值。?

10.4 基于多任務(wù)的并發(fā)服務(wù)器

基于進(jìn)程的并發(fā)服務(wù)器模型：

????????之前的回聲服務(wù)器每次只能同事向 1 個(gè)客戶端提供服務(wù)。因此，需要擴(kuò)展回聲服務(wù)器，使其可以同時(shí)向多個(gè)客戶端提供服務(wù)。下圖是基于多進(jìn)程的回聲服務(wù)器的模型：

????????從圖中可以看出，每當(dāng)有客戶端請求時(shí)（連接請求），回聲服務(wù)器都創(chuàng)建子進(jìn)程以提供服務(wù)。如果請求的客戶端有 5 個(gè)，則將創(chuàng)建 5 個(gè)子進(jìn)程來提供服務(wù)，為了完成這些任務(wù)，需要經(jīng)過如下過程：

• 第一階段：回聲服務(wù)器端（父進(jìn)程）通過調(diào)用 accept 函數(shù)受理連接請求
• 第二階段：此時(shí)獲取的套接字文件描述符創(chuàng)建并傳遞給子進(jìn)程
• 第三階段：進(jìn)程利用傳遞來的文件描述符提供服務(wù)

實(shí)現(xiàn)并發(fā)服務(wù)器：

????????

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
void read_childproc(int sig);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;

    pid_t pid;
    struct sigaction act;
    socklen_t adr_sz;
    int str_len, state;
    char buf[BUF_SIZE];
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usgae : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    act.sa_handler = read_childproc; //防止僵尸進(jìn)程
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    state = sigaction(SIGCHLD, &act, 0);         //注冊信號(hào)處理器,把成功的返回值給 state
    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); //創(chuàng)建服務(wù)端套接字
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if (bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1) //分配IP地址和端口號(hào)
        error_handling("bind() error");
    if (listen(serv_sock, 5) == -1) //進(jìn)入等待連接請求狀態(tài)
        error_handling("listen() error");

    while (1)
    {
        adr_sz = sizeof(clnt_adr);
        clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &adr_sz);
        if (clnt_sock == -1)
            continue;
        else
            puts("new client connected...");
        pid = fork(); //此時(shí)，父子進(jìn)程分別帶有一個(gè)套接字
        if (pid == -1)
        {
            close(clnt_sock);
            continue;
        }
        if (pid == 0) //子進(jìn)程運(yùn)行區(qū)域,此部分向客戶端提供回聲服務(wù)
        {
            close(serv_sock); //關(guān)閉服務(wù)器套接字，因?yàn)閺母高M(jìn)程傳遞到了子進(jìn)程
            while ((str_len = read(clnt_sock, buf, BUFSIZ)) != 0)
                write(clnt_sock, buf, str_len);

            close(clnt_sock);
            puts("client disconnected...");
            return 0;
        }
        else
            close(clnt_sock); //通過 accept 函數(shù)創(chuàng)建的套接字文件描述符已經(jīng)復(fù)制給子進(jìn)程，因?yàn)榉?wù)器端要銷毀自己擁有的
    }
    close(serv_sock);

    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}
void read_childproc(int sig)
{
    pid_t pid;
    int status;
    pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
    printf("removed proc id: %d \n", pid);
}

?運(yùn)行結(jié)果：

????????此時(shí)的服務(wù)端支持同時(shí)給多個(gè)客戶端進(jìn)行服務(wù)，每有一個(gè)客戶端連接服務(wù)端，就會(huì)多開一個(gè)子進(jìn)程，所以可以同時(shí)提供服務(wù)。?

通過 fork 函數(shù)復(fù)制文件描述符：

????????示例中給出了通過 fork 函數(shù)復(fù)制文件描述符的過程。父進(jìn)程將 2 個(gè)套接字（一個(gè)是服務(wù)端套接字另一個(gè)是客戶端套接字）文件描述符復(fù)制給了子進(jìn)程。

????????調(diào)用 fork 函數(shù)時(shí)復(fù)制父進(jìn)程的所有資源，但是套接字不是歸進(jìn)程所有的，而是歸操作系統(tǒng)所有，只是進(jìn)程擁有代表相應(yīng)套接字的文件描述符。

????????復(fù)制套接字后，同一端口將對應(yīng)多個(gè)套接字。

?????????如上圖所示，1 個(gè)套接字存在 2 個(gè)文件描述符時(shí)，只有 2 個(gè)文件描述符都終止（銷毀）后，才能銷毀套接字。如果維持圖中的狀態(tài)，即使子進(jìn)程銷毀了與客戶端連接的套接字文件描述符，也無法銷毀套接字（服務(wù)器套接字同樣如此）。因此調(diào)用 fork 函數(shù)后，要將無關(guān)緊要的套接字文件描述符關(guān)掉，如下圖所示：

10.5 分割 TCP 的 I/O 程序

分割 I/O 的優(yōu)點(diǎn)：

????????我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的回聲客戶端的數(shù)據(jù)回聲方式如下：向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，并等待服務(wù)器端回復(fù)。無條件等待，直到接收完服務(wù)器端的回聲數(shù)據(jù)后，才能傳輸下一批數(shù)據(jù)。? ? ?

????????傳輸數(shù)據(jù)后要等待服務(wù)器端返回的數(shù)據(jù)，因?yàn)槌绦虼a中重復(fù)調(diào)用了 read 和 write 函數(shù)。只能這么寫的原因之一是，程序在 1 個(gè)進(jìn)程中運(yùn)行，現(xiàn)在可以創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程，因此可以分割數(shù)據(jù)收發(fā)過程。默認(rèn)分割過程如下圖所示：

????????從圖中可以看出，客戶端的父進(jìn)程負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，額外創(chuàng)建的子進(jìn)程負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，分割后，不同進(jìn)程分別負(fù)責(zé)輸入輸出，這樣，無論客戶端是否從服務(wù)器端接收完數(shù)據(jù)都可以進(jìn)程傳輸。

分割 I/O 程序的另外一個(gè)好處是，可以提高頻繁交換數(shù)據(jù)的程序性能，如下圖所示：

????????下面是回聲客戶端的 I/O 分割的代碼實(shí)現(xiàn)：?

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

#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
void read_routine(int sock, char *buf);
void write_routine(int sock, char *buf);

int main(int argc, char *argv[])
{
    int sock;
    pid_t pid;
    char buf[BUF_SIZE];
    struct sockaddr_in serv_adr;
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handling("connect() error!");

    pid = fork();
    if (pid == 0)
        write_routine(sock, buf);
    else
        read_routine(sock, buf);

    close(sock);
    return 0;
}

void read_routine(int sock, char *buf)
{
    while (1)
    {
        int str_len = read(sock, buf, BUF_SIZE);
        if (str_len == 0)
            return;

        buf[str_len] = 0;
        printf("Message from server: %s", buf);
    }
}
void write_routine(int sock, char *buf)
{
    while (1)
    {
        fgets(buf, BUF_SIZE, stdin);
        if (!strcmp(buf, "q\n") || !strcmp(buf, "Q\n"))
        {
            shutdown(sock, SHUT_WR); //向服務(wù)器端傳遞 EOF,因?yàn)閒ork函數(shù)復(fù)制了文件描述度，所以通過1次close調(diào)用不夠
            return;
        }
        write(sock, buf, strlen(buf));
    }
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

運(yùn)行結(jié)果：

習(xí)題：?

1、請說明進(jìn)程變?yōu)榻┦M(jìn)程的過程以及預(yù)防措施。

????????進(jìn)程變?yōu)榻┦M(jìn)程的過程：

1. 創(chuàng)建子進(jìn)程：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程后，子進(jìn)程會(huì)拷貝父進(jìn)程的資源和狀態(tài)，包括代碼、數(shù)據(jù)、打開的文件等。

2. 子進(jìn)程終止：子進(jìn)程執(zhí)行完任務(wù)后，會(huì)調(diào)用 exit() 或者從 main 函數(shù)中返回一個(gè)值來終止。此時(shí)，子進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)和退出碼會(huì)被保存在內(nèi)核的進(jìn)程表項(xiàng)中，等待父進(jìn)程回收。

3. 父進(jìn)程未及時(shí)回收子進(jìn)程：父進(jìn)程可能因?yàn)楦鞣N原因，無法及時(shí)處理子進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài)，比如父進(jìn)程忙于其他任務(wù)、死鎖、阻塞在某個(gè)操作上等。在這種情況下，子進(jìn)程的進(jìn)程表項(xiàng)仍然保留在系統(tǒng)進(jìn)程表中，成為僵尸進(jìn)程。盡管子進(jìn)程已經(jīng)終止，但內(nèi)核仍然保存它的狀態(tài)信息，以便父進(jìn)程在合適的時(shí)候獲取。

????????預(yù)防措施：通過 wait 和 waitpid 函數(shù)加上信號(hào)函數(shù)寫代碼來預(yù)防。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-605428.html

到了這里，關(guān)于《TCP IP網(wǎng)絡(luò)編程》第十章的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！