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5种服务器网络编程模型讲解

2014-09-30 00:10:00.0 Lunix  
导读:本文feixiaku给大家介绍 5种服务器网络编程模型讲解。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。其核心代码如下:bind(srvfd);listen(srv。。。

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。


其核心代码如下:

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

上面的程序存在如下一些弊端:


1)如果没有客户端的连接请求,进程会阻塞在accept系统调用处,程序不能执行其他任何操作。(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)


2)在与客户端建立好一条链路后,通过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。如果客户端迟迟不发生数据过来,则程序同样会阻塞在read调用,此时,如果另外的客户端来尝试连接时,都会失败。


3)同样的道理,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,导致写缓冲区满,数据迟迟发送不出)。


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,以避免是程序阻塞在read系统调用上。


多进程模型核心代码如下:

bind(srvfd);listen(srvfd);for(;;){    clifd = accept(srvfd,...); //开始接受客户端来的连接    ret = fork();    switch( ret )    {      case -1 :        do_err_handler();        break;      case 0  :   // 子进程        client_handler(clifd);        break ;      default :   // 父进程        close(clifd);        continue ;     }}//======================================================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}

上述程序在accept系统调用时,如果没有客户端来建立连接,择会阻塞在accept处。一旦某个客户端连接建立起来,则立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,而影响其他客户端的连接。


3.多线程并发模型


在多进程并发模型中,每一个客户端连接开启fork一个进程,虽然linux中引入了写实拷贝机制,大大降低了fork一个子进程的消耗,但若客户端连接较大,则系统依然将不堪负重。通过多线程(或线程池)并发模型,可以在一定程度上改善这一问题。


在服务端的线程模型实现方式一般有三种:


(1)按需生成(来一个连接生成一个线程)


(2)线程池(预先生成很多线程)


(3)Leader follower(LF)


为简单起见,以第一种为例,其核心代码如下:

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作线程,主线程负责accept()连接,而工作线程负责处理业务逻辑和流的读取等。因此,即使在工作线程阻塞的情况下,也只是阻塞在线程范围内,对继续接受新的客户端连接不会有影响。


第二种实现方式,通过线程池的引入可以避免频繁的创建、销毁线程,能在很大程序上提升性能。但不管如何实现,多线程模型先天具有如下缺点:


1)稳定性相对较差。一个线程的崩溃会导致整个程序崩溃。


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降低程序的性能。性能上可能会出现“辛辛苦苦好几年,一夜回到解放前”的情况。


4.IO多路复用模型之select/poll


多进程模型和多线程(线程池)模型每个进程/线程只能处理一路IO,在服务器并发数较高的情况下,过多的进程/线程会使得服务器性能下降。而通过多路IO复用,能使得一个进程同时处理多路IO,提升服务器吞吐量。


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


以select为例,其核心代码如下:

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

select IO多路复用同样存在一些缺点,罗列如下:


单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制,通常是1024,当然可以更改数量,但由于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)


内核 / 用户空间内存拷贝问题,select需要复制大量的句柄数据结构,产生巨大的开销;


select返回的是含有整个句柄的数组,应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件;


select的触发方式是水平触发,应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作,那么之后每次select调用还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,因此没有了监视文件数量的限制,但其他三个缺点依然存在。


拿select模型为例,假设我们的服务器需要支持100万的并发连接,则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下,则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。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。因此,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。 由于文章: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。


由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同,上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。


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


epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现?B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分:


1)调用epoll_create()建立一个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100万个连接的套接字


3)调用epoll_wait收集发生的事件的连接


如此一来,要实现上面说是的场景,只需要在进程启动时建立一个epoll对象,然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时,epoll_wait的效率也非常高,因为调用epoll_wait时,并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据,内核也不需要去遍历全部的连接。


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内核会创建一个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结构体如下所示:

struct eventpoll{    ....    /*红黑树的根节点,这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件*/    struct rb_root  rbr;    /*双链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件*/    struct list_head rdlist;    ....};

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体,用于存放通过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,重复添加的事件就可以通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)。


而所有添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系,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,对于每一个事件,都会建立一个epitem结构体,如下所示:

struct epitem{    struct rb_node  rbn;//红黑树节点    struct list_head    rdllink;//双向链表节点    struct epoll_filefd  ffd;  //事件句柄信息    struct eventpoll *ep;    //指向其所属的eventpoll对象    struct epoll_event event; //期待发生的事件类型}

当调用epoll_wait检查是否有事件发生时,只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果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:通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,我们便能很容易掌握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,之后所有的使用都依靠这个句柄来标识。


第二步:epoll_ctl()系统调用。通过此调用向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。通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。(此代码作者为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是去掉了原代码不小心加上的ET模式;// 本来只是简单的示意程序,决定还是加上 recv/send时的buffer偏移// by sparkling  //   #include   #include   #include   #include   #include   #include   #include   #include   #include   using namespace std;  #define MAX_EVENTS 500  struct myevent_s  {      int fd;      void (*call_back)(int fd, int events, void *arg);      int events;      void *arg;      int status; // 1: in epoll wait list, 0 not in      char buff[128]; // recv data buffer      int len, s_offset;      long last_active; // last active time  };  // set event  void EventSet(myevent_s *ev, int fd, 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  void EventAdd(int epollFd, int events, myevent_s *ev)  {      struct epoll_event epv = {0, {0}};      int op;      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  void EventDel(int epollFd, myevent_s *ev)  {      struct epoll_event epv = {0, {0}};      if(ev->status != 1) return;      epv.data.ptr = ev;      ev->status = 0;    epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_DEL, ev->fd, &epv);  }  int g_epollFd;  myevent_s g_Events[MAX_EVENTS+1]; // g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd  void RecvData(int fd, int events, void *arg);  void SendData(int fd, int events, void *arg);  // accept new connections from clients  void AcceptConn(int fd, int events, void *arg)  {      struct sockaddr_in sin;      socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);      int nfd, i;      // accept      if((nfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&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        int iret = 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  void RecvData(int fd, int events, void *arg)  {      struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;      int len;      // 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);      }      else if(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  void SendData(int fd, int events, void *arg)  {      struct myevent_s *ev = (struct myevent_s*)arg;      int len;      // 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);      }  }  void InitListenSocket(int epollFd, short port)  {      int listenFd = 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_in sin;      bzero(&sin, sizeof(sin));      sin.sin_family = AF_INET;      sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;      sin.sin_port = htons(port);      bind(listenFd, (const sockaddr*)&sin, sizeof(sin));      listen(listenFd, 5);  }  int main(int argc, char **argv)  {      unsigned short port = 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      struct epoll_event events[MAX_EVENTS];      printf("server running:port[%d]\n", port);      int checkPos = 0;      while(1){          // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event          long now = time(NULL);          for(int i = 0; i < 100; i++, checkPos++) // doesn't check listen fd          {              if(checkPos == MAX_EVENTS) checkPos = 0; // recycle              if(g_Events[checkPos].status != 1) continue;              long duration = 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          int fds = epoll_wait(g_epollFd, events, MAX_EVENTS, 1000);          if(fds < 0){              printf("epoll_wait error, exit\n");              break;          }          for(int i = 0; i < fds; i++){              myevent_s *ev = (struct myevent_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      return 0;  }http://www.cricode.com/3510.html

(编辑: feixiaku)

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