UNIX网络编程笔记(3):简单的并发服务器

上一讲中的简单时间获取服务器是一个迭代服务器，对于获取时间来说够用了。迭代服务器有这样的特点：同一时间只能给一个客户服务。也就是说，如果某一时刻服务器与某个客户正在连接，其它客户必须等到上一个客户与服务器断开连接后才能连接成功。这对于需要花长时间处理客户请求的服务器来说并不适用。

解决办法是将服务器改为并发服务器。这样，即使有一个客户正在和服务器连接，其它的客户也能与服务器建立连接获得服务。最简单的办法就是fork函数。

1、fork函数

fork函数是UNIX中派生进程的唯一方法，定义在<unistd.h>头文件中：

pid_t fork(void);

这个函数的奇特之处在于一次调用，两次返回。在父进程中返回子进程的ID，在子进程中返回0。所以，我们可以通过返回值判断当前进程是父进程还是子进程。

fork函数在子进程中返回0而不是父进程ID的原因是：任何子进程只有一个父进程，而这个父进程的ID可以通过函数getppid获得；但是对于父进程，可以有多个子进程，所以父进程无法通过函数获得子进程ID，如果父进程想跟踪所有子进程的ID，那么父进程必须在每次调用fork时记住子进程ID。

2、并发服务器

上面介绍了fork函数，可以通过调用fork函数达到并发的效果。下面是典型的并发服务器框架：

pid_t pid;
int listenfd,connfd;
listenfd=socket(...);
bind(listenfd,...);
listen(listenfd,...);
for(;;)
{
connfd=accept(listenfd,...);
if((pid=fork)==0)
{
close(listenfd);//关闭listenfd
doit(connfd);//处理请求
close(connfd);//关闭子进程connfd
exit(0);//子进程退出
}
close(onnfd);//关闭父进程connfd
}

这个框架中究竟发生了什么？可以用下面的图示展示出来。

（1）服务器调用socket、bind和listen函数后，处于监听状态，等待客户发送连接请求，这个时候服务器还没有调用accept：



（2）这时服务器只有一个套接字描述符listenfd，即监听描述符。当服务器中accept函数返回时，就有了两个套接字描述符listenfd和connfd，套接字描述符connfd是一个连接描述符，可以进行读写操作：



（3）这个时候客户与服务器建立了连接。随后服务器调用fork函数，自己变成父进程，复制自己形成一个子进程。由于两个进程相同，所以客户与两个进程的两个connfd都处于连接状态：



（4）然后，父进程中关闭连接套接字connfd，子进程关闭监听套接字listenfd：



这就达到了我们希望的状态，由子进程处理客户请求，父进程继续监听。

需要注意的是，close函数会导致发送一个FIN，随后TCP连接应该终止。那为什么父进程中close(connfd)后没有终止与客户的连接呢？每个文件描述符都有一个引用计数，是当前打开着的引用该文件的描述符的个数，只有引用计数为0时文件才会关闭。而fork函数执行后，对connfd套接字的引用计数是2，父进程关闭connfd后引用计数变为1，所以不会关闭连接。然而在子进程中，关闭connfd后引用计数变为0，会关闭与客户的连接。

3、时间获取程序的改进

这里我们只需要改进服务器程序，将它变成一个并发服务器。代码如下：

#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#define MAXLINE 1024

int main(int argc,char *argv[])
{
int listenfd;
struct sockaddr_in servaddr;
char buff[MAXLINE];
time_t ticks;
if((listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)
{
printf("socket error\n");
return 0;
}
bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family=AF_INET;
servaddr.sin_port=htons(5000);
servaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
if(bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr))<0)
{
printf("bind error\n");
return 0;
}
if(listen(listenfd,5)<0)
{
printf("listen error\n");
return 0;
}
int connfd;
socklen_t len;
struct sockaddr_in cliaddr;
pid_t pid;
for(;;)
{
len=sizeof(cliaddr);
if((connfd=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&cliaddr,&len))<0)
{
printf("accept error\n");
return 0;
}
if((pid=fork())==0)
{
if(close(listenfd)<0)
{
printf("close listenfd error\n");
return 0;
}
printf("[PID]%ld Receive a connection from:%s.%d\n",(long)getpid(),inet_ntop(AF_INET,&cliaddr.sin_addr,buff,sizeof(buff)),ntohs(cliaddr.sin_port));
ticks=time(NULL);
snprintf(buff,sizeof(buff),"%.24s\r\n",ctime(&ticks));
if(write(connfd,buff,strlen(buff))<0)
{
printf("write error\n");
return 0;
}
printf("[PID]%ld sleep 5s.\n",(long)getpid());
sleep(5);
printf("[PID]%ld sleep done.\n",(long)getpid());
if(close(connfd)<0)
{
printf("close child connfd error\n");
return 0;
}
return 0;
}
if(close(connfd)<0)
{
printf("close parent connfd error\n");
return 0;
}
}
}

这里我们为了增加服务器处理每个请求的时间，加了sleep(5)，会看到，服务器在处理一个客户的请求时，也会与另一个客户建立连接处理请求。运行结果如下：

（1）打开服务器：



（2）客户1连接（进程ID是3594）：



（3）客户2连接（进程ID是3596）：



（4）下图是服务器处理情况：



可以看到，在客户1（进程ID是3594）仍在sleep的时候，服务器接受了客户2（进程ID是3596）的连接。