【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；

在这里插入图片描述

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；

在这里插入图片描述

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>  
  
#define MAX_EVENTS 10  
#define BUFFER_SIZE 1024  
#define PORT 5809

void initializeServerNet();
void closeServerFd();
void dispatchLoop();

void subprocess();


int listen_fd;

int main(int argc ,char *argv[])
{
	initializeServerNet();
    
    subprocess();
    subprocess();

    dispatchLoop();
    
    closeServerFd();
	return 0;
}

void subprocess()
{
    int pid = -1;
	pid = fork();
	if(pid < 0)
	{
		printf("fork error[%s]\n",strerror(errno));
		exit(-1);
	}
	else if(pid > 0)
	{
		// parent.
		return;
	}
	else 
	{
		// child 
        dispatchLoop();
		exit(0);
	}
}

void initializeServerNet()
{
    struct sockaddr_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, (struct sockaddr*)&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);
    }
}

void closeServerFd()
{
    close(listen_fd);  
}

void dispatchLoop()
{
    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>  
  
#define SERVER_IP "127.0.0.1"  
#define SERVER_PORT 4808  
#define BUFFER_SIZE 1024  


int main(int argc, char *argv[]) 
{  
    int sockfd;  
    struct sockaddr_in server_addr;  
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};  
    const char *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, (struct sockaddr *)&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");  
        } 
        else if (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);  
  
    return 0;  
}

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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