【linux 多进程并发】0302 Linux下多进程模型的网络服务器架构设计，实时响应多客户端请求
0302 多进程网络服务器架构
专栏内容：
- postgresql使用入门基础
- 手写数据库toadb
- 并发编程
个人主页：我的主页
管理社区：开源数据库
座右铭：天行健，君子以自强不息；地势坤，君子以厚德载物.
✅ 🔥🔥🔥重大消息🔥🔥🔥 ❤️❤️❤️❤️ 关注公众号【开源无限】可免费领取《手写数据库内核toadb》源代码一份 ❤️❤️❤️❤️
一、概述
在大规模数据处理中，会有大量的客户端接入同一台服务器，每个客户端都需要长时间提供服务。
服务器采用中心化的部署，而客户端往往分散在不同机器上，服务器与客户端之间跨网络通信，一般采用C/S架构。
而服务端的架构需要能应对大量并发客户端，同时可以给每个客户端独占的服务，这就用到了多任务的网络模型架构，下面我们来看看用多进程如何实现。
二、多路复用的网络模型
C/S架构中，处理大量的网络请求，需要一套基于多路复用的网络处理模型。
- 可以同时处理网络连接请求和网络数据传递;
- 减少程序的阻塞时间，避免无效的CPU消耗；
- 适应不同的并发规模；
以此为目标实现如下网络模型。
2.1 服务端网络监听
多路复用模型这里采用了epoll方式，如果自己的平台不支持，可以换为select或者poll的方式。
代码如下：
#include 说明
- TCP服务端的基本步骤创建socket，设置为非阻塞模式，绑定IP与端口，开启监听；
- 这里服务端的socket需要设置为非阻塞模式，因为我们是在单进程中处理多个连接，每个连接不能阻塞等待；
- 然后加入到epoll监听池中，开始epoll事件的等待；这里只处理接收事件；
- 如果有服务端socket的接收事件，那么说明有客户端连接消息，进行accep，创建客户端连接的socket；
- 同样将客户端连接的socket设置为非阻塞，理由同上；加入epoll临听池中，同样也只处理接收事件；
- 如果有客户端连接的socket上的接收事件，那么说明客户端正在给服务端发消息；
- 收到客户端消息后，这里只是简单处理，原样再发给客户端；
- 如果客户端关闭或出错，将客户端连接关闭，并从epoll临听池中移除；
2.2 客户端测试
现在我们来编写一个简单的客户端模拟程序，测试一下多路复用的网络框架。
/*
* ex020302_client.c
*/
#include 说明
- TCP客户端建立的基本步骤，创建socket，初始化服务端地址，连接服务器;
- 然后向服务端发送相同的消息；
- 每次发送完成后，等待接收消息；
2.3 客户端测试
可以看到，服务端处理客户端的请求时，都是按照接收到的顺序进行串行处理；
当客户端的数量达到成百上千时，对客户端的响应时间就会出现非常明显的延迟，
这种延迟会随着业务的复杂度而放大。
这时就需要充分利用多核CPU硬件资源，来进行并发任务的处理。
三、多进程服务处理
上面是在单个任务进程中处理了监听和大量任务连接的网络处理，各客户端连接的服务会相互影响，实际是串行化处理的。
要让大量的客户端能同时被响应，需要采用多任务的方式，那么在上面的网络模型基础上加入多进程，服务端为每个客户端连接准备一个独立的进程，这样就可以及时响应。
3.1 多进程架构
首先我们利用前面几个章节的介绍，来搭建一个多进程的代码架构，由主进程根据需要进行创建子进程，并且由主进程进行全局的控制。
/*
* ex020302_netprocess.c
*/
#include 说明
- daemon服务程序函数，这个前一章节已经介绍过了，服务端以后台进程的方式运行；
- 子进程任务处理函数；这里创建的是任务子进程，并在子进程中调用消息处理函数；
- 这里需要注意的是，在子进程中要关闭服务端的socket，同时在父进程中要关闭客户端连接的socket; 因为父子进程会复制内存空间，但是在各自的进程中，已经不再需要；
3.2 并发网络处理模型
现在就可以将上面的多路复用网络处理放入多进程架构中，处理逻辑进行如下切分：
- 服务端监听socket初始化，多路复用器的初始化等，都放在主进程中，作为服务端网络初始化的一部分；
- 每个客户端连接的socket，以及它的读写消息处理逻辑，放在子进程中；这样每个客户端连接对应一个后台服务子进程；
- 创建子进程的时机，也就是在主进程中接收到新连接时，创建新连接成功后，就可以新建子进程进行处理；
- 而子进程的退出时间，就是客户端断开连接，或者处理出错时；
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)
{
perror("accept");
sleep(1);
continue;
}
subprocess(conn_fd);
}
}
void processMsg(int sock)
{
char buffer[BUFFER_SIZE];
ssize_t count;
printf("serv-process:%d start.
");
while ((count = read(sock, buffer, BUFFER_SIZE)) > 0)
{
// 处理接收到的数据（这里简单回显）
write(sock, buffer, count);
}
if (count == -1 && errno != EAGAIN)
{
// 出现错误或连接关闭
close(sock);
}
else if (count == 0)
{
// 连接关闭
close(sock);
}
printf("serv-process:%d exit.
");
}
那么主程序实现如下：
void daemon_fork();
void subprocess(int sock);
void processMsg(int sock);
void initializeServerNet();
void closeServerFd();
void dispatchLoop();
int listen_fd;
int main(int argc ,char *argv[])
{
daemon_fork();
initializeServerNet();
dispatchLoop();
closeServerFd();
return 0;
}
- 在主进程中先进程服务端初始化；
- 然后就可以开始监听，并接收客户端的连接；
- 当有客户端连接时，就创建客户端连接，并启动子进程与该客户端进行网络通信；
- 子进程在客户端断开连接或出错时，就会退出；
2.3 客户端测试
可以看到将客户端发送次数调大后，开启的客户端越多，服务端启动的子进程也就会越多；
此时，可以看到服务端每个进程的CPU使用率并不是很高；
但是随着客户端数量越来越多，服务端进程数量超过CPU核数时，就会增加系统的负担；
四、总结
本文主要介绍了基于多进程架构的网络服务器的设计与实现，在多进程架构中每个客户端会有一个服务端的进程专门处理通信，增加了对客户端消息的响应效率，提升了并发处理能力。
结尾
非常感谢大家的支持，在浏览的同时别忘了留下您宝贵的评论，如果觉得值得鼓励，请点赞，收藏，我会更加努力！
作者邮箱：study@senllang.onaliyun.com
如有错误或者疏漏欢迎指出，互相学习。
注：未经同意，不得转载！
