5种服务器网络编程模型讲解

时间  2019-11-19
标签 服务器 网络 编程 模型 讲解 栏目 系统网络 繁體版
原文   原文链接

本文介绍几种服务器网络编程模型。废话很少说，直接正题。html

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。node

其核心代码以下：linux

bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;){
    clifd = accept(srvfd,...); //开始接受客户端来的链接
    read(clifd,buf,...);       //从客户端读取数据
    dosomthingonbuf(buf);  
    write(clifd,buf)          //发送数据到客户端
}

上面的程序存在以下一些弊端：ios

1）若是没有客户端的链接请求，进程会阻塞在accept系统调用处，程序不能执行其余任何操做。(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)程序员

2）在与客户端创建好一条链路后，经过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。若是客户端迟迟不发生数据过来，则程序一样会阻塞在read调用，此时，若是另外的客户端来尝试链接时，都会失败。编程

3）一样的道理，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，致使写缓冲区满，数据迟迟发送不出)。数组

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，以免是程序阻塞在read系统调用上。服务器

多进程模型核心代码以下：网络

bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;){
    clifd=accept(srvfd,...);//开始接受客户端来的链接
    ret=fork();
    switch(ret)
    {
      case-1:
        do_err_handler();
        break;
      case0  :  // 子进程
        client_handler(clifd);
        break;
      default:  // 父进程
        close(clifd);
        continue;
    }
}
//======================================================
voidclient_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，若是没有客户端来创建链接，择会阻塞在accept处。一旦某个客户端链接创建起来，则当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，而影响其余客户端的链接。数据结构

3.多线程并发模型

在多进程并发模型中，每个客户端链接开启fork一个进程，虽然linux中引入了写实拷贝机制，大大下降了fork一个子进程的消耗，但若客户端链接较大，则系统依然将不堪负重。经过多线程(或线程池)并发模型，能够在必定程度上改善这一问题。

在服务端的线程模型实现方式通常有三种：

（1）按需生成(来一个链接生成一个线程)

（2）线程池(预先生成不少线程)

（3）Leader follower（LF）

为简单起见，以第一种为例，其核心代码以下：

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做线程，主线程负责accept()链接，而工做线程负责处理业务逻辑和流的读取等。所以，即便在工做线程阻塞的状况下，也只是阻塞在线程范围内，对继续接受新的客户端链接不会有影响。

第二种实现方式，经过线程池的引入能够避免频繁的建立、销毁线程，能在很大程序上提高性能。但无论如何实现，多线程模型先天具备以下缺点：

1）稳定性相对较差。一个线程的崩溃会致使整个程序崩溃。

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下降程序的性能。性能上可能会出现“辛辛苦苦好几年，一晚上回到解放前”的状况。

4.IO多路复用模型之select/poll

多进程模型和多线程(线程池)模型每一个进程/线程只能处理一路IO，在服务器并发数较高的状况下，过多的进程/线程会使得服务器性能降低。而经过多路IO复用，能使得一个进程同时处理多路IO，提高服务器吞吐量。

在Linux支持epoll模型以前，都使用select/poll模型来实现IO多路复用。

以select为例，其核心代码以下：

bind(listenfd);
listen(listenfd);
FD_ZERO(&allset);
FD_SET(listenfd,&allset);
for(;;){
    select(...);
    if(FD_ISSET(listenfd,&rset)){    /*有新的客户端链接到来*/
        clifd=accept();
        cliarray[]=clifd;      /*保存新的链接套接字*/
        FD_SET(clifd,&allset);  /*将新的描述符加入监听数组中*/
    }
    for(;;){    /*这个for循环用来检查全部已经链接的客户端是否由数据可读写*/
        fd=cliarray[i];
        if(FD_ISSET(fd,&rset))
            dosomething();
    }
}

select IO多路复用一样存在一些缺点，罗列以下：

  1. 单个进程可以监视的文件描述符的数量存在最大限制，一般是1024，固然能够更改数量，但因为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)
  2. 内核 / 用户空间内存拷贝问题，select须要复制大量的句柄数据结构，产生巨大的开销；
  3. select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序须要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件；
  4. select的触发方式是水平触发，应用程序若是没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操做，那么以后每次select调用仍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，所以没有了监视文件数量的限制，但其余三个缺点依然存在。

拿select模型为例，假设咱们的服务器须要支持100万的并发链接，则在__FD_SETSIZE 为1024的状况下，则咱们至少须要开辟1k个进程才能实现100万的并发链接。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。所以，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。 因为文章：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。

因为epoll的实现机制与select/poll机制彻底不一样，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下以下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP链接。而每一时刻，一般只有几百上千个TCP链接是活跃的(事实上大部分场景都是这种状况)。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100万个链接告诉操做系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操做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，所以，select/poll通常只能处理几千的并发链接。

epoll的设计和实现与select彻底不一样。epoll经过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统通常用什么数据结构实现？B+树)。把原先的select/poll调用分红了3个部分：

1）调用epoll_create()创建一个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100万个链接的套接字

3）调用epoll_wait收集发生的事件的链接

如此一来，要实现上面说是的场景，只须要在进程启动时创建一个epoll对象，而后在须要的时候向这个epoll对象中添加或者删除链接。同时，epoll_wait的效率也很是高，由于调用epoll_wait时，并无一股脑的向操做系统复制这100万个链接的句柄数据，内核也不须要去遍历所有的链接。

 

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内核会建立一个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结构体以下所示：

struct eventpoll{
    ....
    /*红黑树的根节点，这颗树中存储着全部添加到epoll中的须要监控的事件*/
    struct rb_root  rbr;
    /*双链表中则存放着将要经过epoll_wait返回给用户的知足条件的事件*/
    struct list_head rdlist;
    ....
};

每个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放经过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，重复添加的事件就能够经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)。

而全部添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序创建回调关系，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，对于每个事件，都会创建一个epitem结构体，以下所示：

structepitem{
    structrb_node  rbn;//红黑树节点
    structlist_head    rdllink;//双向链表节点
    structepoll_filefd  ffd;  //事件句柄信息
    structeventpoll *ep;    //指向其所属的eventpoll对象
    structepoll_eventevent;//期待发生的事件类型
}

当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只须要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素便可。若是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：经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，咱们便能很容易掌握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，以后全部的使用都依靠这个句柄来标识。

第二步：epoll_ctl()系统调用。经过此调用向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。经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。(此代码做者为sparkliang)

//   
// a simple echo server using epoll in linux  
//   
// 2009-11-05  
// 2013-03-22:修改了几个问题，1是/n格式问题，2是去掉了原代码不当心加上的ET模式;
// 原本只是简单的示意程序，决定仍是加上 recv/send时的buffer偏移
// by sparkling  
//   
#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>  
usingnamespacestd; 
#define MAX_EVENTS 500  
structmyevent_s 
{ 
   intfd; 
   void(*call_back)(intfd,intevents,void*arg); 
   intevents; 
   void*arg; 
   intstatus;// 1: in epoll wait list, 0 not in  
   charbuff[128];// recv data buffer  
   intlen,s_offset; 
   longlast_active;// last active time  
}; 
// set event  
voidEventSet(myevent_s*ev,intfd,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  
voidEventAdd(intepollFd,intevents,myevent_s*ev) 
{ 
   structepoll_eventepv={0,{0}}; 
   intop; 
   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  
voidEventDel(intepollFd,myevent_s*ev) 
{ 
   structepoll_eventepv={0,{0}}; 
   if(ev->status!=1)return; 
   epv.data.ptr=ev; 
   ev->status=0;
   epoll_ctl(epollFd,EPOLL_CTL_DEL,ev->fd,&epv); 
} 
intg_epollFd; 
myevent_sg_Events[MAX_EVENTS+1];// g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd  
voidRecvData(intfd,intevents,void*arg); 
voidSendData(intfd,intevents,void*arg); 
// accept new connections from clients  
voidAcceptConn(intfd,intevents,void*arg) 
{ 
   structsockaddr_insin; 
   socklen_tlen=sizeof(structsockaddr_in); 
   intnfd,i; 
   // accept  
   if((nfd=accept(fd,(structsockaddr*)&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
       intiret=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  
voidRecvData(intfd,intevents,void*arg) 
{ 
   structmyevent_s*ev=(structmyevent_s*)arg; 
   intlen; 
   // 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); 
   } 
   elseif(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  
voidSendData(intfd,intevents,void*arg) 
{ 
   structmyevent_s*ev=(structmyevent_s*)arg; 
   intlen; 
   // 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); 
   } 
} 
voidInitListenSocket(intepollFd,shortport) 
{ 
   intlistenFd=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_insin; 
   bzero(&sin,sizeof(sin)); 
   sin.sin_family=AF_INET; 
   sin.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY; 
   sin.sin_port=htons(port); 
   bind(listenFd,(constsockaddr*)&sin,sizeof(sin)); 
   listen(listenFd,5); 
} 
intmain(intargc,char**argv) 
{ 
   unsignedshortport=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  
   structepoll_eventevents[MAX_EVENTS]; 
   printf("server running:port[%d]\n",port); 
   intcheckPos=0; 
   while(1){ 
       // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event  
       longnow=time(NULL); 
       for(inti=0;i<100;i++,checkPos++)// doesn't check listen fd  
       { 
           if(checkPos==MAX_EVENTS)checkPos=0;// recycle  
           if(g_Events[checkPos].status!=1)continue; 
           longduration=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  
       intfds=epoll_wait(g_epollFd,events,MAX_EVENTS,1000); 
       if(fds<0){ 
           printf("epoll_wait error, exit\n"); 
           break; 
       } 
       for(inti=0;i<fds;i++){ 
           myevent_s*ev=(structmyevent_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  
   return0; 
}

做者：快课网——Jay13

转载请在正文中保留做者以及出处连接。谢谢！

参考：《深刻理解Nginx》

转载请注明：快课网 » 5种服务器网络编程模型讲解

相关文章
相关标签/搜索
每日一句
    每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。
本站公众号
   欢迎关注本站公众号,获取更多信息
联系我们 最近搜索 最新文章 沪ICP备13005482号-10 MyBatis教程 SQL 教程 MySQL教程 Java 教程 Thymeleaf 教程 Hibernate教程 Spring教程 Redis教程