(九)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. 

<一>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

<二>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.

算法如下:

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。

参数：
nfds所有我们监控的文件描述符中最大的那一个加1 
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.

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:

有文件可以读.

有文件可以写.

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，初始化(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.这模型实际上是将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 <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>

#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", 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