Linux网络编程--9. 服务器模型

学习过《软件工程》吧.软件工程可是每一个程序员"必修"的课程啊.如果你没有学习过, 建议你去看一看. 在这一章里面,我们一起来从软件工程的角度学习网络编程的思想.在我们写程序之前, 我们都应该从软件工程的角度规划好我们的软件,这样我们开发软件的效率才会高. 在网络程序里面,一般的来说都是许多客户机对应一个服务器.为了处理客户机的请求, 对服务端的程序就提出了特殊的要求.我们学习一下目前最常用的服务器模型. 

循环服务器:循环服务器在同一个时刻只可以响应一个客户端的请求 

并发服务器:并发服务器在同一个时刻可以响应多个客户端的请求 


9.1 循环服务器:UDP服务器 
UDP循环服务器的实现非常简单:UDP服务器每次从套接字上读取一个客户端的请求,处理, 然后将结果返回给客户机. 

可以用下面的算法来实现. 

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

因为UDP是非面向连接的,没有一个客户端可以老是占住服务端. 只要处理过程不是死循环, 服务器对于每一个客户机的请求总是能够满足. 
9.2 循环服务器:TCP服务器 
TCP循环服务器的实现也不难:TCP服务器接受一个客户端的连接,然后处理,完成了这个客户的所有请求后,断开连接. 

算法如下: 

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

TCP循环服务器一次只能处理一个客户端的请求.只有在这个客户的所有请求都满足后, 服务器才可以继续后面的请求.这样如果有一个客户端占住服务器不放时,其它的客户机都不能工作了.因此,TCP服务器一般很少用循环服务器模型的. 

9.3 并发服务器:TCP服务器 
为了弥补循环TCP服务器的缺陷,人们又想出了并发服务器的模型. 并发服务器的思想是每一个客户机的请求并不由服务器直接处理,而是服务器创建一个 子进程来处理. 

算法如下: 

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

TCP并发服务器可以解决TCP循环服务器客户机独占服务器的情况. 不过也同时带来了一个不小的问题.为了响应客户机的请求,服务器要创建子进程来处理. 而创建子进程是一种非常消耗资源的操作. 

9.4 并发服务器:多路复用I/O 
为了解决创建子进程带来的系统资源消耗,人们又想出了多路复用I/O模型. 

首先介绍一个函数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)

一般的来说当我们在向文件读写时,进程有可能在读写出阻塞,直到一定的条件满足. 比如我们从一个套接字读数据时,可能缓冲区里面没有数据可读(通信的对方还没有 发送数据过来),这个时候我们的读调用就会等待(阻塞)直到有数据可读.如果我们不 希望阻塞,我们的一个选择是用select系统调用. 只要我们设置好select的各个参数,那么当文件可以读写的时候select回"通知"我们 说可以读写了. readfds所有要读的文件文件描述符的集合 
writefds所有要的写文件文件描述符的集合 

exceptfds其他的服要向我们通知的文件描述符 

timeout超时设置. 

nfds所有我们监控的文件描述符中最大的那一个加1 

在我们调用select时进程会一直阻塞直到以下的一种情况发生. 1)有文件可以读.2)有文件可以写.3)超时所设置的时间到. 

为了设置文件描述符我们要使用几个宏. FD_SET将fd加入到fdset 

FD_CLR将fd从fdset里面清除 

FD_ZERO从fdset中清除所有的文件描述符 

FD_ISSET判断fd是否在fdset集合中 

使用select的一个例子 

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)
   {
        /*   将所有的文件描述符加入   */
        FD_ZERO(&my_readfd);
        for(i=0;i            FD_SET(readfd[i],*my_readfd);
        /*     进程阻塞                 */
        select(maxfd+1,& my_readfd,NULL,NULL,NULL); 
        /*        有东西可以读了       */
        for(i=0;i          if(FD_ISSET(readfd[i],&my_readfd))
              {
                  /* 原来是我可以读了  */ 
                        we_read(readfd[i]);
              }
   }
}

使用select后我们的服务器程序就变成了. 


        初始话(socket,bind,listen);
        
    while(1)
        {
        设置监听读写文件描述符(FD_*);   
        
        调用select;
        
        如果是倾听套接字就绪,说明一个新的连接请求建立
             { 
                建立连接(accept);
                加入到监听文件描述符中去;
             }
       否则说明是一个已经连接过的描述符
                {
                    进行操作(read或者write);
                 }
                        
        }               

多路复用I/O可以解决资源限制的问题.着模型实际上是将UDP循环模型用在了TCP上面. 这也就带来了一些问题.如由于服务器依次处理客户的请求,所以可能会导致有的客户 会等待很久. 

9.5 并发服务器:UDP服务器 
人们把并发的概念用于UDP就得到了并发UDP服务器模型. 并发UDP服务器模型其实是简单的.和并发的TCP服务器模型一样是创建一个子进程来处理的 算法和并发的TCP模型一样. 

除非服务器在处理客户端的请求所用的时间比较长以外,人们实际上很少用这种模型. 


9.6 一个并发TCP服务器实例 

#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;
 /* 如果服务器终止后,服务器可以第二次快速启动而不用等待一段时间  */
 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)
   {
        /* 子进程处理客户端的连接 */
        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);
  }
} 

你可以用我们前面写客户端程序来调试着程序,或者是用来telnet调试