5种服务器模型讲解

本文转自：
作者：快课网——Jay13
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本文介绍几种服务器网络编程模型。废话不多说，直接正题。

1.同步阻塞迭代模型

同步阻塞迭代模型是最简单的一种IO模型。
其核心代码如下：

bind(srvfd); 
listen(srvfd); 
for(;;){ 
    clifd = accept(srvfd,...); //开始接受客户端来的连接 
    read(clifd,buf,...);       //从客户端读取数据 
    dosomthingonbuf(buf);   
    write(clifd,buf)          //发送数据到客户端 
} 
上面的程序存在如下一些弊端：
1）如果没有客户端的连接请求，进程会阻塞在accept系统调用处，程序不能执行其他任何操作。(系统调用使得程序从用户态陷入内核态，具体请参考：程序员的自我修养)
2）在与客户端建立好一条链路后，通过read系统调用从客户端接受数据，而客户端合适发送数据过来是不可控的。如果客户端迟迟不发生数据过来，则程序同样会阻塞在read调用，此时，如果另外的客户端来尝试连接时，都会失败。
3）同样的道理，write系统调用也会使得程序出现阻塞(例如：客户端接受数据异常缓慢，导致写缓冲区满，数据迟迟发送不出)。


2.多进程并发模型
同步阻塞迭代模型有诸多缺点。多进程并发模型在同步阻塞迭代模型的基础上进行了一些改进，以避免是程序阻塞在read系统调用上。
多进程模型核心代码如下：
bind(srvfd); 
listen(srvfd); 
for(;;){ 
    clifd = accept(srvfd,...); //开始接受客户端来的连接 
    ret = fork(); 
    switch( ret ) 
    { 
      case -1 : 
        do_err_handler(); 
        break; 
      case 0  :   // 子进程 
        client_handler(clifd); 
        break ; 
      default :   // 父进程 
        close(clifd); 
        continue ;  
    } 
} 
//====================================================== 
void client_handler(clifd){ 
    read(clifd,buf,...);       //从客户端读取数据 
    dosomthingonbuf(buf);   
    write(clifd,buf)          //发送数据到客户端 
} 
上述程序在accept系统调用时，如果没有客户端来建立连接，择会阻塞在accept处。一旦某个客户端连接建立起来，则立即开启一个新的进程来处理与这个客户的数据交互。避免程序阻塞在read调用，而影响其他客户端的连接。


3.多线程并发模型
在多进程并发模型中，每一个客户端连接开启fork一个进程，虽然linux中引入了写实拷贝机制，大大降低了fork一个子进程的消耗，但若客户端连接较大，则系统依然将不堪负重。通过多线程(或线程池)并发模型，可以在一定程度上改善这一问题。
在服务端的线程模型实现方式一般有三种：
（1）按需生成(来一个连接生成一个线程)
（2）线程池(预先生成很多线程)
（3）Leader follower（LF）
为简单起见，以第一种为例，其核心代码如下：
void *thread_callback( void *args ) //线程回调函数 
{ 
        int clifd = *(int *)args ; 
        client_handler(clifd); 
} 
//=============================================================== 
void client_handler(clifd){ 
    read(clifd,buf,...);       //从客户端读取数据 
    dosomthingonbuf(buf);   
    write(clifd,buf)          //发送数据到客户端 
} 
//=============================================================== 
bind(srvfd); 
listen(srvfd); 
for(;;){ 
    clifd = accept(); 
    pthread_create(...,thread_callback,&clifd); 
} 
服务端分为主线程和工作线程，主线程负责accept()连接，而工作线程负责处理业务逻辑和流的读取等。因此，即使在工作线程阻塞的情况下，也只是阻塞在线程范围内，对继续接受新的客户端连接不会有影响。


第二种实现方式，通过线程池的引入可以避免频繁的创建、销毁线程，能在很大程序上提升性能。但不管如何实现，多线程模型先天具有如下缺点：
1）稳定性相对较差。一个线程的崩溃会导致整个程序崩溃。
2）临界资源的访问控制，在加大程序复杂性的同时，锁机制的引入会是严重降低程序的性能。性能上可能会出现“辛辛苦苦好几年，一夜回到解放前”的情况。


4.IO多路复用模型之select/poll
多进程模型和多线程(线程池)模型每个进程/线程只能处理一路IO，在服务器并发数较高的情况下，过多的进程/线程会使得服务器性能下降。而通过多路IO复用，能使得一个进程同时处理多路IO，提升服务器吞吐量。
在Linux支持epoll模型之前，都使用select/poll模型来实现IO多路复用。
以select为例，其核心代码如下：
bind(listenfd); 
listen(listenfd); 
FD_ZERO(&allset); 
FD_SET(listenfd, &allset); 
for(;;){ 
    select(...); 
    if (FD_ISSET(listenfd, &rset)) {    /*有新的客户端连接到来*/ 
        clifd = accept(); 
        cliarray[] = clifd;       /*保存新的连接套接字*/ 
        FD_SET(clifd, &allset);  /*将新的描述符加入监听数组中*/ 
    } 
    for(;;){    /*这个for循环用来检查所有已经连接的客户端是否由数据可读写*/ 
        fd = cliarray[i]; 
        if (FD_ISSET(fd , &rset)) 
            dosomething(); 
    } 
} 
select IO多路复用同样存在一些缺点，罗列如下：
单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量，但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差；(在linux内核头文件中，有这样的定义：#define __FD_SETSIZE    1024)
内核 / 用户空间内存拷贝问题，select需要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销；
select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；
select的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作，那么之后每次select调用还是会将这些文件描述符通知进程。
相比select模型，poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制，但其他三个缺点依然存在。
拿select模型为例，假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。


5.IO多路复用模型之epoll
epoll IO多路复用：一个看起来很美好的解决方案。 由于文章：高并发网络编程之epoll详解中对epoll相关实现已经有详细解决，这里就直接摘录过来。
由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。
设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发？
在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。
epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现？B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分：
1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)
2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字
3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接
如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。

下面来看看Linux内核具体的epoll机制实现思路。
当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示：
struct eventpoll{ 
    .... 
    /*红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/ 
    struct rb_root  rbr; 
    /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/ 
    struct list_head rdlist; 
    .... 
}; 
每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度)。
而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。
在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：
struct epitem{ 
    struct rb_node  rbn;//红黑树节点 
    struct list_head    rdllink;//双向链表节点 
    struct epoll_filefd  ffd;  //事件句柄信息 
    struct eventpoll *ep;    //指向其所属的eventpoll对象 
    struct epoll_event event; //期待发生的事件类型 
} 
当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。
epoll数据结构示意图
从上面的讲解可知：通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效。
OK，讲解完了Epoll的机理，我们便能很容易掌握epoll的用法了。一句话描述就是：三步曲。
第一步：epoll_create()系统调用。此调用返回一个句柄，之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。
第二步：epoll_ctl()系统调用。通过此调用向epoll对象中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0标识成功，返回-1表示失败。
第三部：epoll_wait()系统调用。通过此调用收集收集在epoll监控中已经发生的事件。
最后，附上一个epoll编程实例。

#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <iostream>
using namespace std;
#define MAX_EVENTS 500
struct myevent_s
{
    int fd;
    void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);
    int events;
    void *arg;
    int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in
    char buff[128]; // recv data buffer
    int len, s_offset;
    long last_active; // last active time
};
// set event
void EventSet(myevent_s *ev, int fd, void (*call_back)(int, int, void*), void *arg)
{
    ev->fd = fd;
    ev->call_back = call_back;
    ev->events = 0;
    ev->arg = arg;
    ev->status = 0;
    bzero(ev->buff, sizeof(ev->buff));
    ev->s_offset = 0;
    ev->len = 0;
    ev->last_active = time(NULL);
}
// add/mod an event to epoll
void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)
{
    struct epoll_event epv = {0, {0}};
    int op;
    epv.data.ptr = ev;
    epv.events = ev->events = events;
    if(ev->status == 1){
        op = EPOLL_CTL_MOD;
    }
    else{
        op = EPOLL_CTL_ADD;
        ev->status = 1;
    }
    if(epoll_ctl(epollFd, op, ev->fd, &epv) < 0)
        printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\n", ev->fd, events);
    else
        printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n", ev->fd, op, events);
}
// delete an event from epoll
void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)
{
    struct epoll_event epv = {0, {0}};
    if(ev->status != 1) return;
    epv.data.ptr = ev;
    ev->status = 0;
    epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);
}
int g_epollFd;
myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd
void RecvData(int fd, int events, void *arg);
void SendData(int fd, int events, void *arg);
// accept new connections from clients
void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)
{
    struct sockaddr_in sin;
    socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
    int nfd, i;
    // accept
    if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&sin, &len)) == -1)
    {
        if(errno != EAGAIN && errno != EINTR)
        {
        }
        printf("%s: accept, %d", __func__, errno);
        return;
    }
    do
    {
        for(i = 0; i < MAX_EVENTS; i++)
        {
            if(g_Events[i].status == 0)
            {
                break;
            }
        }
        if(i == MAX_EVENTS)
        {
            printf("%s:max connection limit[%d].", __func__, MAX_EVENTS);
            break;
        }
        // set nonblocking
        int iret = 0;
        if((iret = fcntl(nfd, F_SETFL, O_NONBLOCK)) < 0)
        {
            printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d", __func__, iret);
            break;
        }
        // add a read event for receive data
        EventSet(&g_Events[i], nfd, RecvData, &g_Events[i]);
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, &g_Events[i]);
    }while(0);
    printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n", inet_ntoa(sin.sin_addr),
            ntohs(sin.sin_port), g_Events[i].last_active, i);
}
// receive data
void RecvData(int fd, int events, void *arg)
{
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
    int len;
    // receive data
    len = recv(fd, ev->buff+ev->len, sizeof(ev->buff)-1-ev->len, 0);
    EventDel(g_epollFd, ev);
    if(len > 0)
    {
        ev->len += len;
        ev->buff[len] = '\0';
        printf("C[%d]:%s\n", fd, ev->buff);
        // change to send event
        EventSet(ev, fd, SendData, ev);
        EventAdd(g_epollFd, EPOLLOUT, ev);
    }
    else if(len == 0)
    {
        close(ev->fd);
        printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n", fd, ev-g_Events);
    }
    else
    {
        close(ev->fd);
        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n", fd, errno, strerror(errno));
    }
}
// send data
void SendData(int fd, int events, void *arg)
{
    struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;
    int len;
    // send data
    len = send(fd, ev->buff + ev->s_offset, ev->len - ev->s_offset, 0);
    if(len > 0)
    {
        printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n", fd, len, ev->len, ev->buff);
        ev->s_offset += len;
        if(ev->s_offset == ev->len)
        {
            // change to receive event
            EventDel(g_epollFd, ev);
            EventSet(ev, fd, RecvData, ev);
            EventAdd(g_epollFd, EPOLLIN, ev);
        }
    }
    else
    {
        close(ev->fd);
        EventDel(g_epollFd, ev);
        printf("send[fd=%d] error[%d]\n", fd, errno);
    }
}
void InitListenSocket(int epollFd, short port)
{
    int listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    fcntl(listenFd, F_SETFL, O_NONBLOCK); // set non-blocking
    printf("server listen fd=%d\n", listenFd);
    EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS], listenFd, AcceptConn, &g_Events[MAX_EVENTS]);
    // add listen socket
    EventAdd(epollFd, EPOLLIN, &g_Events[MAX_EVENTS]);
    // bind & listen
    sockaddr_in sin;
    bzero(&sin, sizeof(sin));
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    sin.sin_port = htons(port);
    bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));
    listen(listenFd, 5);
}
int main(int argc, char **argv)
{
    unsigned short port = 12345; // default port
    if(argc == 2){
        port = atoi(argv[1]);
    }
    // create epoll
    g_epollFd = epoll_create(MAX_EVENTS);
    if(g_epollFd <= 0) printf("create epoll failed.%d\n", g_epollFd);
    // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking
    InitListenSocket(g_epollFd, port);
    // event loop
    struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
    printf("server running:port[%d]\n", port);
    int checkPos = 0;
    while(1){
        // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event
        long now = time(NULL);
        for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd
        {
            if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle
            if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;
            long duration = now - g_Events[checkPos].last_active;
            if(duration >= 60) // 60s timeout
            {
                close(g_Events[checkPos].fd);
                printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n", g_Events[checkPos].fd, g_Events[checkPos].last_active, now);
                EventDel(g_epollFd, &g_Events[checkPos]);
            }
        }
        // wait for events to happen
        int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);
        if(fds < 0){
            printf("epoll_wait error, exit\n");
            break;
        }
        for(int i = 0; i < fds; i++){
            myevent_s *ev = (struct myevent_s*)events[i].data.ptr;
            if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN)) // read event
            {
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
            if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT)) // write event
            {
                ev->call_back(ev->fd, events[i].events, ev->arg);
            }
        }
    }
    // free resource
    return 0;
}