Linux網路編程–伺服器模型

來源:互聯網
上載者:User
學習過《軟體工程》吧.軟體工程可是每一個程式 員"必修"的課程啊.如果你沒有學習過, 建議你去看一看. 在這一章裡面,我們一起來從軟體工程的角度學習網路編程的思想.在我們寫程式之前, 我們都 應該從軟體工程的角度規劃好我們的軟體,這樣我們開發軟體的效率才會高. 在網路程式裡面,一般的來說都是許多客戶機對應一個伺服器.為了處理客戶機的請 求, 對服務端的程式就提出了特殊的要求.我們學習一下目前最常用的伺服器模型. 

迴圈伺服器:迴圈伺服器在同一個時刻只可以響應一個用戶端的請求 

並發伺服器:並發伺服器在同一個時刻可以響應多個用戶端的請求 

9.1 迴圈伺服器:UDP伺服器 
UDP迴圈伺服器的實現非常簡單:UDP伺服器每次從通訊端上讀取一個用戶端的請求,處理, 然後將結果返回給客戶機. 

可以用下面的演算法來實現. 

   socket(...);
   bind(...);
   while(1)
    {
         recvfrom(...);
         process(...);
         sendto(...);
   }

因為UDP是非連線導向的,沒有一個用戶端可以老是佔住服務端. 只要處理過程不是死迴圈, 伺服器對於每一個客戶機的請求總是能夠滿足. 
9.2 迴圈伺服器:TCP伺服器 
TCP迴圈伺服器的實現也不難:TCP伺服器接受一個用戶端的串連,然後處理,完成了這個客戶的所有請求後,中斷連線. 

演算法如下: 

        socket(...);
        bind(...);
        listen(...);
        while(1)
        {
                accept(...);
                while(1)
                {
                        read(...);
                        process(...);
                        write(...);
                }
                close(...);
        }

TCP迴圈伺服器一次只能處理一個用戶端的請求.只有在這個客戶的所有請求都滿足後, 伺服器才可以繼續後面的請求.這樣如果有一個用戶端佔住伺服器不放時,其它的客戶機都不能工作了.因此,TCP伺服器一般很少用迴圈伺服器模型的. 

9.3 並發伺服器:TCP伺服器 
為了彌補迴圈TCP伺服器的缺陷,人們又想出了並發伺服器的模型. 並發伺服器的思想是每一個客戶機的請求並不由伺服器直接處理,而是伺服器建立一個 子進程來處理. 

演算法如下: 

  socket(...);
  bind(...);
  listen(...);
  while(1)
  {
        accept(...);
        if(fork(..)==0)
          {
              while(1)
               {        
                read(...);
                process(...);
                write(...);
               }
           close(...);
           exit(...);
          }
        close(...);
  }     

TCP並發伺服器可以解決TCP迴圈伺服器客戶機獨佔伺服器的情況. 不過也同時帶來了一個不小的問題.為了響應客戶機的請求,伺服器要建立子進程來處理. 而建立子進程是一種非常消耗資源的操作. 

9.4 並發伺服器:多工I/O 
為瞭解決建立子進程帶來的系統資源消耗,人們又想出了多工I/O模型. 

首先介紹一個函數select 

 int select(int nfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds,
                fd_set *except fds,struct timeval *timeout)
 void FD_SET(int fd,fd_set *fdset)
 void FD_CLR(int fd,fd_set *fdset)
 void FD_ZERO(fd_set *fdset)
 int FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset)

一般的來說當我們在向檔案讀寫時,進程有可能在讀寫出阻塞,直到一定的條件滿足. 比如我們從一個通訊端讀資料時,可能緩衝區裡面沒有資料可讀 (通訊的對方還沒有 發送資料過來),這個時候我們的讀調用就會等待(阻塞)直到有資料可讀.如果我們不 希望阻塞,我們的一個選擇是用select系統 調用. 只要我們設定好select的各個參數,那麼當檔案可以讀寫的時候select回"通知"我們 說可以讀寫了. readfds所有要讀的檔案文 件描述符的集合 
writefds所有要的寫檔案檔案描述符的集合 

exceptfds其他的服要向我們通知的檔案描述符 

timeout逾時設定. 

nfds所有我們監控的檔案描述符中最大的那一個加1 

在我們調用select時進程會一直阻塞直到以下的一種情況發生. 1)有檔案可以讀.2)有檔案可以寫.3)逾時所設定的時間到. 

為了設定檔案描述符我們要使用幾個宏. FD_SET將fd加入到fdset 

FD_CLR將fd從fdset裡面清除 

FD_ZERO從fdset中清除所有的檔案描述符 

FD_ISSET判斷fd是否在fdset集合中 

使用select的一個例子 

int use_select(int *readfd,int n)
{
   fd_set my_readfd;
   int maxfd;
   int i;
   
   maxfd=readfd[0];
   for(i=1;i
    if(readfd[i]>maxfd) maxfd=readfd[i];
   while(1)
   {
        /*   將所有的檔案描述符加入   */
        FD_ZERO(&my_readfd);
        for(i=0;i
            FD_SET(readfd[i],*my_readfd);
        /*     進程阻塞                 */
        select(maxfd+1,& my_readfd,NULL,NULL,NULL); 
        /*        有東西可以讀了       */
        for(i=0;i
          if(FD_ISSET(readfd[i],&my_readfd))
              {
                  /* 原來是我可以讀了  */ 
                        we_read(readfd[i]);
              }
   }
}

使用select後我們的伺服器程式就變成了. 

        初始話(socket,bind,listen);
        
    while(1)
        {
        設定監聽讀寫檔案描述符(FD_*);   
        
        調用select;
        
        如果是傾聽通訊端就緒,說明一個新的串連請求建立
             { 
                建立串連(accept);
                加入到監聽檔案描述符中去;
             }
       否則說明是一個已經串連過的描述符
                {
                    進行操作(read或者write);
                 }
                        
        }               

多工I/O可以解決資源限制的問題.著模型實際上是將UDP迴圈模型用在了TCP上面. 這也就帶來了一些問題.如由於伺服器依次處理客戶的請求,所以可能會導致有的客戶 會等待很久. 

9.5 並發伺服器:UDP伺服器 
人們把並發的概念用於UDP就得到了並發UDP伺服器模型. 並發UDP伺服器模型其實是簡單的.和並發的TCP伺服器模型一樣是建立一個子進程來處理的 演算法和並發的TCP模型一樣. 

除非伺服器在處理用戶端的請求所用的時間比較長以外,人們實際上很少用這種模型. 

9.6 一個並發TCP伺服器執行個體 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define MY_PORT         8888

int main(int argc ,char **argv)
{
 int listen_fd,accept_fd;
 struct sockaddr_in     client_addr;
 int n;
 
 if((listen_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)
  {
        printf("Socket Error:%s/n/a",strerror(errno));
        exit(1);
  }
 
 bzero(&client_addr,sizeof(struct sockaddr_in));
 client_addr.sin_family=AF_INET;
 client_addr.sin_port=htons(MY_PORT);
 client_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
 n=1;
 /* 如果伺服器終止後,伺服器可以第二次快速啟動而不用等待一段時間  */
 setsockopt(listen_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&n,sizeof(int));
 if(bind(listen_fd,(struct sockaddr *)&client_addr,sizeof(client_addr))<0)
  {
        printf("Bind Error:%s/n/a",strerror(errno));
        exit(1);
  }
  listen(listen_fd,5);
  while(1)
  {
   accept_fd=accept(listen_fd,NULL,NULL);
   if((accept_fd<0)&&(errno==EINTR))
          continue;
   else if(accept_fd<0)
    {
        printf("Accept Error:%s/n/a",strerror(errno));
        continue;
    }
  if((n=fork())==0)
   {
        /* 子進程處理用戶端的串連 */
        char buffer[1024];

        close(listen_fd);
        n=read(accept_fd,buffer,1024);
        write(accept_fd,buffer,n);
        close(accept_fd);
        exit(0);
   }
   else if(n<0)
        printf("Fork Error:%s/n/a",strerror(errno));
   close(accept_fd);
  }

你可以用我們前面寫用戶端程式來調試著程式,或者是用來telnet調試  

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