【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>

#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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作者邮箱：study@senllang.onaliyun.com 如有错误或者疏漏欢迎指出，互相学习。

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