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网络编程-----服务器（多路复用IO 和 TCP并发模型）

news 2025/3/10 18:34:44

一、单循环服务器模型

1. 核心特征
while(1){newfd = accept();recv();close(newfd);}
2. 典型应用场景
  • HTTP短连接服务（早期Apache）
  • CGI快速处理
  • 简单测试服务器
3. 综合代码
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main(int argc, const char *argv[])
{if (argc != 3){printf("Usage: %s <port> <ip>\n",argv[0]);return -1;}//1.socket 创建通信一端 int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (fd < 0){perror("socket fail\n");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[2]);printf("fd = %d\n",fd);//2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("connect fail");return -1;}printf("connect success!\n");//3.listen -- 设置监听 if (listen(fd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}while (1){//4.acceptint connfd = accept(fd,NULL,NULL);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}printf("----client --- connectted\n");char buf[1024];char sbuf[1024];while (1){recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);printf("c: %s\n",buf);if (strncmp(buf,"quit",4) == 0){close(connfd);break;}sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);}}close(fd);return 0;
}
4. 优缺点分析
优点缺点
实现简单无法处理并发请求
无资源竞争问题长连接会阻塞后续请求
适合低负载场景吞吐量低（QPS < 100）

二、多进程并发模型

1. 核心实现
while(1) {int newfd = accept(listen_fd, ...);pid_t pid = fork();if (pid == 0) {  // 子进程close(listen_fd);handle_connection(newfd);close(newfd);exit(0);} else if (pid > 0) {  // 父进程close(newfd);waitpid(-1, NULL, WNOHANG);  // 非阻塞回收}
}
2. 进程管理优化
// 使用信号处理避免僵尸进程
signal(SIGCHLD, SIG_IGN);  // 忽略子进程结束信号// 或使用waitpid循环
while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
3. 典型应用
  • 传统Apache的prefork模式
  • FTP服务器
  • 数据库连接池
4. 资源消耗对比
资源类型进程创建开销示例系统调用
内存需要复制整个PCBfork()
CPU上下文切换成本高schedule()
文件描述符需要显式关闭继承的fdclose()
5. 优缺点分析
优点缺点
可以完成多个进程的实时交互回收资源不方便
信息的完整性可以保证。每次fork 占用系统资源多
适合低负载场景可能出现僵尸进程

6. 综合代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>void handler(int signo)
{wait(NULL);
}int init_server(const char *ip,unsigned short port)
{//1.socket 创建通信一端 int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (fd < 0){perror("socket fail\n");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(port);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);//2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("connect fail");return -1;}//3.listen -- 设置监听 if (listen(fd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}return fd;
}int client_handler(int connfd)
{char buf[1024];char sbuf[1024];int ret = 0;while (1){ret = recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);if (ret < 0){perror("client_handler recv fail");ret = -1;}printf("c: %s\n",buf);if (strncmp(buf,"quit",4) == 0){close(connfd);ret = 1;break;}sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);ret = send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);if (ret < 0){perror("client_handler send fail");ret = -1;}}return ret;}int main(int argc, const char *argv[])
{if (argc != 3){printf("Usage: %s <ip> <port>\n",argv[0]);return -1;}signal(SIGCHLD,handler);int fd = init_server(argv[1],atoi(argv[2]));if (fd < 0){printf("init_server fail\n");return -1;}while (1){//4.acceptint connfd = accept(fd,NULL,NULL);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}pid_t pid = fork();if (pid < 0){perror("fork fail");return -1;}if (pid == 0){int ret = 0;if ((ret = client_handler(connfd)) < 0){printf("client_handler fail");return -1;}if (ret == 1){printf("child exit...\n");exit(EXIT_SUCCESS);}}}close(fd);return 0;
}

三、多线程并发模型

1. 核心实现（POSIX线程）
while(1) {int newfd = accept(listen_fd, ...);pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, thread_handler, (void*)newfd);pthread_detach(tid);  // 分离线程自动回收
}void* thread_handler(void* arg) {int fd = (int)arg;// 处理请求close(fd);return NULL;
}
2. 线程安全控制
// 使用互斥锁保护共享资源
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void safe_write(int fd, const char* data) {pthread_mutex_lock(&lock);write(fd, data, strlen(data));pthread_mutex_unlock(&lock);
}
3. 典型应用
  • Java Tomcat
  • IIS应用池
  • 实时通信服务器
4. 性能指标对比
指标进程模型线程模型
创建速度慢（10-100ms）快（0.1-1ms）
上下文切换成本高（切换页表等）低（共享地址空间）
内存占用高（独立资源）低（共享资源）
5. 优缺点分析
优点缺点
可以完成多个进程的实时交互线程共享进程资源
创建速度快，调度快稳定性 较差
适合低负载场景安全性 较差 

6. 综合代码

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>int init_server(const char *ip,unsigned short port)
{//1.socket 创建通信一端 int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (fd < 0){perror("socket fail\n");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(port);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);//2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("connect fail");return -1;}//3.listen -- 设置监听 if (listen(fd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}return fd;
}void* client_handler(void *arg)
{int connfd = *(int *)arg;char buf[1024];char sbuf[1024];long int ret = 0;while (1){ret = recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);if (ret < 0){perror("client_handler recv fail");ret = -1;}printf("c: %s\n",buf);if (strncmp(buf,"quit",4) == 0){close(connfd);ret = 1;break;}sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);ret = send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);if (ret < 0){perror("client_handler send fail");ret = -1;}}return (void*)ret;}int main(int argc, const char *argv[])
{if (argc != 3){printf("Usage: %s <ip> <port>\n",argv[0]);return -1;}int fd = init_server(argv[1],atoi(argv[2]));if (fd < 0){printf("init_server fail\n");return -1;}while (1){//4.acceptint connfd = accept(fd,NULL,NULL);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid,NULL,client_handler,&connfd);if(ret != 0){errno = ret;perror("pthread_create fail");return -1;}pthread_detach(tid);//设置分离属性,由系统回收资源}close(fd);return 0;
}

四、并发的服务器模型 ---更高程度上的并发 

（一）fcntl 函数与 I/O 模型详解

1. 函数原型
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
2. 主要操作类型
命令功能描述参数要求
F_DUPFD复制文件描述符指定最小可用fd值
F_GETFD/F_SETFD获取/设置文件描述符标志标志值
F_GETFL/F_SETFL获取/设置文件状态标志新标志值
F_GETOWN/F_SETOWN获取/设置异步I/O所有权进程ID或组ID

（二）非阻塞I/O设置示例

1. 设置流程
int flag = fcntl(connfd,F_GETFL,0);flag = flag | O_NONBLOCK;fcntl(connfd,F_SETFL,flag);
2. 行为变化对比
操作阻塞模式非阻塞模式
read()阻塞直到数据到达立即返回，无数据时返回EAGAIN
write()阻塞直到缓冲区空间可用立即返回，空间不足返回EAGAIN
accept()阻塞直到有新连接立即返回，无连接时返回EAGAIN

（三）I/O 模型对比

1. 阻塞I/O模型
2. 非阻塞I/O模型

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#include <fcntl.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{if (argc != 3){printf("Usage: %s <port> <ip>\n",argv[0]);return -1;}//1.socket 创建通信一端 int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (fd < 0){perror("socket fail\n");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[2]);printf("fd = %d\n",fd);//2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("connect fail");return -1;}printf("connect success!\n");//3.listen -- 设置监听 if (listen(fd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}while (1){//4.acceptint connfd = accept(fd,NULL,NULL);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}printf("----client --- connectted\n");char buf[1024];char sbuf[1024];int flag = fcntl(connfd,F_GETFL,0);flag = flag | O_NONBLOCK;fcntl(connfd,F_SETFL,flag);while (1){recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);printf("c: %s\n",buf);if (strncmp(buf,"quit",4) == 0){close(connfd);break;}sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);}}close(fd);return 0;
}

（四）信号驱动 I/O 详解

1. 设置异步标志
// 获取当前文件状态标志
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
if (flags == -1) {perror("fcntl F_GETFL");exit(EXIT_FAILURE);
}// 添加异步I/O标志
if (fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_ASYNC) == -1) {perror("fcntl F_SETFL");exit(EXIT_FAILURE);
}
2. 指定信号接收者
// 设置当前进程为信号接收者
if (fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()) == -1) {perror("fcntl F_SETOWN");exit(EXIT_FAILURE);
}
3. 注册信号处理函数
// 更安全的sigaction替代signal
struct sigaction sa;
sa.sa_flags = SA_RESTART;
sa.sa_handler = sigio_handler;
sigemptyset(&sa.sa_mask);if (sigaction(SIGIO, &sa, NULL) == -1) {perror("sigaction");exit(EXIT_FAILURE);
}
4. 基本处理逻辑
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>int g_fd;void handler(int signo)
{char buf[1024];read(g_fd,buf,sizeof(buf));if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)return;printf("buf = %s\n",buf);}int main(int argc, const char *argv[])
{if (mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST){perror("mkfifo fail");return -1;}printf("mkfifo success\n");int fd = open(argv[1], O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open fail");return -1;}g_fd = fd;int flag = fcntl(fd,F_GETFL,0);flag = flag | O_ASYNC;//设置为异步通信fcntl(fd,F_SETFL,flag);fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());//所有者signal(SIGIO,handler);int i = 0;while (1){printf("i = %d\n",i);sleep(1);++i;}close(fd);return 0;
}
5.核心局限性分析
问题类型具体表现解决思路
信号合并快速连续信号可能被合并使用实时信号（SIGRTMIN+）
多fd区分困难无法直接判断哪个fd触发信号每个fd绑定不同信号（不现实）
异步安全限制信号处理函数中操作受限仅设置标志，主循环处理
性能瓶颈高频率信号导致CPU占用高配合epoll使用

（五）select 函数详解

一、函数原型与参数解析

#include <sys/select.h>int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
参数说明
参数类型说明
nfdsint监控的文件描述符最大值 +1（优化内核检查范围）
readfdsfd_set*监控可读事件的描述符集合（可NULL）
writefdsfd_set*监控可写事件的描述符集合（可NULL）
exceptfdsfd_set*监控异常事件的描述符集合（可NULL）
timeouttimeval*超时时间：<br>• NULL：阻塞等待<br>• 0：立即返回<br>• 正数：定时等待
返回值
  • 成功：返回就绪的文件描述符总数（可能为0）
  • 失败：返回-1并设置errno
  • 超时：返回0

二、核心操作宏

宏功能示例
FD_ZERO清空描述符集合FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET添加描述符到集合FD_SET(sockfd, &read_fds);
FD_CLR从集合中移除描述符FD_CLR(sockfd, &read_fds);
FD_ISSET检测描述符是否在集合中if(FD_ISSET(sockfd, &read_fds))

三、典型使用流程

1. 初始化描述符集合
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(listen_fd, &read_fds);
int max_fd = listen_fd;
2. 等待事件就绪
struct timeval tv = {5, 0}; // 5秒超时
fd_set tmp_fds = read_fds;int ready = select(max_fd + 1, &tmp_fds, NULL, NULL, &tv);
if (ready == -1) {if (errno == EINTR) continue; // 处理信号中断perror("select error");break;
} else if (ready == 0) {printf("Timeout\n");continue;
}
3. 处理就绪事件
for (int fd = 0; fd <= max_fd; fd++) {if (FD_ISSET(fd, &tmp_fds)) {if (fd == listen_fd) {// 处理新连接int new_fd = accept(listen_fd, ...);FD_SET(new_fd, &read_fds);max_fd = (new_fd > max_fd) ? new_fd : max_fd;} else {// 处理客户端数据ssize_t n = read(fd, ...);if (n <= 0) {close(fd);FD_CLR(fd, &read_fds);}}}
}

四、关键注意事项

  1. 集合重用问题
    select返回后，集合会被修改为就绪的fd集合，每次调用前必须重新初始化：

    fd_set tmp_fds = read_fds; // 使用临时集合

  2. 超时时间重置
    timeout参数会被修改为剩余时间，循环调用时需要重新设置：

    struct timeval tv = {5, 0};
while(1) {select(..., &tv);tv.tv_sec = 5; // 必须重置
}

  3. 最大fd限制
    受FD_SETSIZE限制（通常1024），超出会导致未定义行为

  4. 性能问题
    每次调用需要从用户态复制整个fd_set到内核态，时间复杂度O(n)

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{if (mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST){perror("mkfifo fail");return -1;}printf("mkfifo success\n");int fd = open(argv[1], O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open fail");return -1;}char buf[1024] = {0};//1.建表fd_set readfds;FD_ZERO(&readfds);//2.添加要关心的fdFD_SET(0,&readfds);FD_SET(fd,&readfds);//3.select函数监控fd_set backfds;struct timeval tv = {5,0};while(1){backfds = readfds;//每次循环回来拿到的都是最原始数据int nfds = fd + 1;//因为另一个是0,所以最大也就是ｆｄint ret = select(nfds,&backfds,NULL,NULL,&tv);if(ret < 0){perror("select fail");return -1;}if(ret > 0){for(int i = 0;i < nfds;i++)//也可以是1024,但没必要 {if(FD_ISSET(i,&backfds)){if(i == 0){fgets(buf,sizeof(buf),stdin);if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)break;printf("buf = %s\n",buf);}else if(i == fd){read(fd,buf,sizeof(buf));if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)break;printf("buf = %s\n",buf);}}}}}close(fd);return 0;
}

可以从客户端读取数据，也可以自身从键盘输入

tcp多客户端连接到服务器

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>int main(int argc, const char *argv[])
{if (argc != 3){printf("Usage: %s <port> <ip>\n",argv[0]);return -1;}//1.socket 创建通信一端 int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (fd < 0){perror("socket fail\n");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[2]);printf("fd = %d\n",fd);//2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("connect fail");return -1;}printf("connect success!\n");//3.listen -- 设置监听 if (listen(fd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}//1.准备表 fd_set readfds;FD_ZERO(&readfds);//2.添加要监控的fdFD_SET(fd,&readfds);int connfd = 0;fd_set backfds;int i = 0;int nfds = fd + 1;while (1){backfds = readfds;int ret = select(nfds,&backfds,NULL,NULL,NULL);if (ret < 0){perror("select fail");return -1;}if (ret > 0){for (i = 0; i < nfds; ++i){if (FD_ISSET(i,&backfds)){if (i == fd){//4.acceptconnfd = accept(fd,NULL,NULL);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}FD_SET(connfd,&readfds);nfds = nfds > connfd + 1 ? nfds:connfd + 1;}else {char buf[1024];char sbuf[1024];recv(i,buf,sizeof(buf),0);printf("c: %s\n",buf);if (strncmp(buf,"quit",4) == 0){	close(i);FD_CLR(i,&readfds); }sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);send(i,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);}}}}}close(fd);return 0;
}

并发模型对比

模型实现方式优点缺点
多进程fork()隔离性好资源消耗大
多线程pthread_create()资源共享高效同步复杂度高
I/O多路复用select/poll/epoll高并发低开销编程复杂度较高
信号驱动SIGIO+fcntl实时性好信号处理复杂
异步I/Oaio_*系列函数真正的异步操作系统支持不统一

http://www.mrgr.cn/news/93540.html

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