【linux 多进程并发】0203 网络资源的多进程处理，子进程完全继承网络套接字，避免“惊群”问题

0203 网络资源的多进程处理

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一、概述

上一章节介绍了堆栈资源，文件在父子进程中的表现，在应用程序中还有一类经常用到同样非常重要的资源，它就是网络套接字。

二、资源创建场景

当我们需要搭建一个网络服务器时，很多时候是多任务协作处理高并发的客户端请求，可能是如下几种模型。

接待-工作者模式

• 一个任务负责监听来自客户端的连接请求；
• 当有客户端连接请求时，建立连接，将新的客户端连接分发给工作者任务；
• 工作者任务负责接收客户端的消息，处理，并响应客户端；
• 一般只有一个负责接待的任务，同时会有多个工作者任务，并且根据并发多少不断增减工作者任务的数量；

监听-接待工作者模式

• 一般由主任务初始化服务端并启动监听；
• 然后再由主任务启动多个工作者任务，数量一般是CPU核的数倍；
• 每个工作者任务都继承了这个正在监听的套接字；
• 当有客户端连接请求时，在工作者任务中进行accept，建立与客户端的连接；
• 每个工作者任务可以对应多个客户端，无阻塞方式处理来自多个客户端的消息；

大家可以从两个网络架构中看出，第一种模式应适于独占的式的应用；而第二种模式更适和与互联网应用。

三、套接字的继承

在父子进程的多任务架构中，父进程创建的网络套接字，fork出来子进程后，子进程是完全进行了复制。

3.1 验证代码

下面我们就以第二种网络模型为例进行验证。

代码如下：

/*
 * ex020302_netprocess.c
 */#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<arpa/inet.h>#include<sys/epoll.h>#include<fcntl.h>#include<errno.h>#defineMAX_EVENTS10#defineBUFFER_SIZE1024#definePORT5809voidinitializeServerNet();voidcloseServerFd();voiddispatchLoop();voidsubprocess();int listen_fd;intmain(int argc ,char*argv[]){initializeServerNet();subprocess();subprocess();dispatchLoop();closeServerFd();return0;}voidsubprocess(){int pid =-1;
    pid =fork();if(pid <0){printf("fork error[%s]\n",strerror(errno));exit(-1);}elseif(pid >0){// parent.return;}else{// child dispatchLoop();exit(0);}}voidinitializeServerNet(){structsockaddr_in server_addr;// 创建监听socket  
    listen_fd =socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);if(listen_fd ==-1){perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}// 绑定地址和端口  
    server_addr.sin_family = AF_INET;  
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  
    server_addr.sin_port =htons(PORT);if(bind(listen_fd,(structsockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr))==-1){perror("bind");close(listen_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 开始监听if(listen(listen_fd, SOMAXCONN)==-1){perror("listen");close(listen_fd);exit(EXIT_FAILURE);}}voidcloseServerFd(){close(listen_fd);}voiddispatchLoop(){int conn_fd;// 主循环  while(1){// 新的连接  
        conn_fd =accept(listen_fd,NULL,NULL);if(conn_fd ==-1){printf("[%d] accept wakeup, but failure.\n",getpid());sleep(1);continue;}printf("[%d] accept a new client [%d]. \n",getpid(), conn_fd);close(conn_fd);}closeServerFd();}

说明

• 在主进程中创建网络套接字，绑定地址，并启动监听；
• 创建多个工作子进程；
• 工作子进程中继承了监听套接字；
• 每个工作子进程可以独立与客户端建立连接，并处理消息；

这里会创建两个子进程，在父进程和子进程中都会对同一个socket监听连接请求。

3.2 网络客户端

为了方便验证，我们编写一个简单的客户端程序。

/*
 * ex020302_client.c
 */#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<arpa/inet.h>#defineSERVER_IP"127.0.0.1"#defineSERVER_PORT4808#defineBUFFER_SIZE1024intmain(int argc,char*argv[]){int sockfd;structsockaddr_in server_addr;char buffer[BUFFER_SIZE]={0};constchar*message ="Hello, Server!";int port = SERVER_PORT;if(argc >1){
        port =atoi(argv[1]);}// 创建套接字  if((sockfd =socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0))<0){perror("socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 配置服务器地址信息  
    server_addr.sin_family = AF_INET;  
    server_addr.sin_port =htons(port);// 将IP地址从字符串转换为二进制形式  if(inet_pton(AF_INET, SERVER_IP,&server_addr.sin_addr)<=0){perror("Invalid address/ Address not supported");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}// 连接到服务器  if(connect(sockfd,(structsockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr))<0){perror("Connection Failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}for(int i =0; i <20; i++){// 发送消息到服务器  send(sockfd, message,strlen(message),0);printf("Message sent: %s\n", message);// 接收服务器的响应  int bytes_received =recv(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE -1,0);if(bytes_received <0){perror("Error in receiving");}elseif(bytes_received ==0){printf("Server closed the connection\n");}else{  
            buffer[bytes_received]='\0';// 确保字符串以空字符结尾  printf("Message received from server: %s\n", buffer);}sleep(1);}// 关闭套接字  close(sockfd);return0;}

说明

• 客户端带一个参数，是服务端的端口号；
• 创建socket，并且与服务端(IP:port)连接；
• 不断发送和接收消息，重复20次；
• 实际上服务端只是接收建立连接，不会接收和发送响应，这已经达到了测试的目的；

3.3 结果验证

• 编译服务端，并且运行

这里没有使用deamon后台服务的方式运行，会停在这里。

[senllang@hatch ex02]$ gcc ex020105_forksocket.c -o test[senllang@hatch ex02]$ ./test 

• 编译客户端，并运行

在另外一个终端编译和运行网络客户端程序；

服务端默认的端口号是5809，作为参数输入。

[senllang@hatch ex02]$ gcc ex020302_client.c -o client_opt
[senllang@hatch ex02]$ ./client_opt 5809
Message sent: Hello, Server!
Error in receiving: Connection reset by peer
[senllang@hatch ex02]$ ./client_opt 5809
Message sent: Hello, Server!
Error in receiving: Connection reset by peer
[senllang@hatch ex02]$ ./client_opt 5809
Message sent: Hello, Server!
Error in receiving: Connection reset by peer
[senllang@hatch ex02]$ ./client_opt 5809
Message sent: Hello, Server!
Error in receiving: Connection reset by peer
[senllang@hatch ex02]$ ./client_opt 5809
Message sent: Hello, Server!
Error in receiving: Connection reset by peer
[senllang@hatch ex02]$ ./client_opt 5809
Message sent: Hello, Server!
Error in receiving: Connection reset by peer

为了模拟多客户端的场景，我们将客户端启动多次；

可以看到客户端启动后，打印了发送的消息，之后就退出了，

因为服务端与客户端建立连接成功后，随即就关闭了连接。

• 运行结果

可以看到服务端打印的信息。

[1205954] accept a new client [4]. 
[1205955] accept a new client [4]. 
[1205956] accept a new client [4]. 
[1205954] accept a new client [4]. 
[1205955] accept a new client [4]. 
[1205956] accept a new client [4]. 

服务端启动了三个进程，可以看到三个进程的PID分别为

1205954

,

1205955

,

1205956

,它们都可以收到来自客户端的连接请求。

同时出现了一件很有意思的事情，三个进程轮流进行处理连接请求，这里主要避免了惊群的问题。

四、总结

本节主要分享了网络套接字在父子进程中的继承的情况。

可以通过验证发现，父启动监听后，此时创建子进程，在子进程中也继承了监听套接字，它也可以与客户端建立连接；而父进程中的监听套接字，也仍然可以与客户端建立连接。

当然其它网络操作步骤也是一样的，在父子进程中相同的套接字都会收到相同的网络事件，但最终只有一个进行处理，这样就带来一个问题，其它不处理事件的套接字会被频繁唤醒。

结尾

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