TCP Server处理多Client请求的方法—非阻塞accept与select

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5月 312015
 


参看基于TCP/UDP的socket代码，同一时间Server只能处理一个Client请求：在使用当前连接的socket和client进行交互的时候，不能够accept新的连接请求。为了使Server能够处理多个Client请求，常见的方法：

多进程/线程方法、non-blocking socket(单进程并发)、non-blocking和select结合使用。三种方法各有优缺点，下面进行详细分析和说明。

一、多进程/线程方法

这种方法，每个子进程/线程单独处理一个client连接。以使用进程为例，在每个accept成功之后，使用fork创建一个子进程专门处理该client的connection，父进程(server)本身可以继续accept其他新的client的连接请求。示例代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>

#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

#define DEFAULT_PORT    1984    //默认端口
#define BUFFER_SIZE     1024    //buffer大小

void sigCatcher(int n) {
	//printf("a child process dies\n");
	while(waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
}

int clientProcess(int new_sock);

int main(int argc, char *argv[]) {
	unsigned short int port;

	//get port, use default if not set
	if (argc == 2) {
		port = atoi(argv[1]);
	} else if (argc < 2) {
		port = DEFAULT_PORT;
	} else {
		fprintf(stderr, "USAGE: %s [port]\n", argv[0]);
		return 1;
	}

	//create socket
	int sock;
	if ( (sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ) {
		perror("socket failed, ");
		return 1;
	}
	printf("socket done\n");

	//create socket address and initialize
	struct sockaddr_in bind_addr;
	memset(&bind_addr, 0, sizeof(bind_addr));
	bind_addr.sin_family = AF_INET;
	bind_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //设置接受任意地址
	bind_addr.sin_port = htons(port);//将host byte order转换为network byte order

	//bind (bind socket to the created socket address)
	if ( bind(sock, (struct sockaddr *)&bind_addr, sizeof(bind_addr)) == -1 ) {
		perror("bind failed, ");
		return 1;
	}
	printf("bind done\n");

	//listen
	if ( listen(sock, 5) == -1) {
		perror("listen failed.");
		return 1;
	}
	printf("listen done\n");

	//handler to clear zombie process
	signal(SIGCHLD, sigCatcher);

	//loop and respond to client
	int new_sock;
	int pid;
	while (1) {
		//wait for a connection, then accept it
		if ( (new_sock = accept(sock, NULL, NULL)) == -1 ) {
			perror("accept failed.");
			return 1;
		}
		printf("accept done\n");

		pid = fork();
		if (pid < 0) {
			perror("fork failed");
			return 1;
		} else if (pid == 0) {
			//这里是子进程
			close(sock);            //子进程中不需要server的sock
			clientProcess(new_sock);    //使用新的new_sock和client进行交互
			close(new_sock);        //关闭client的连接
			exit(EXIT_SUCCESS);     //子进程退出
		} else {
			//这里是父进程
			close(new_sock); //由于new_sock已经交给子进程处理，这里可以关闭了
		}
	}
	return 0;
}

int clientProcess(int new_sock) {
	int recv_size;
	char buffer[BUFFER_SIZE];

	memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
	if ( (recv_size = recv(new_sock, buffer, sizeof(buffer), 0)) == -1) {
		perror("recv failed");
		return 1;
	}
	printf("%s\n", buffer);

	char *response = "This is the response";
	if ( send(new_sock, response, strlen(response) + 1, 0) == -1 ) {
		perror("send failed");
		return 1;
	}
	return 0;
}

其中：

signal(SIGCHLD, sigCatcher)

代码为了处理zombie process（僵尸进程）问题：当server进程运行时间较长，且产生越来越多的子进程，当这些子进程运行结束都会成为zombie process，占据系统的process table。解决方法是在父进程(server进程)中显式地处理子进程结束之后发出的SIGCHLD信号：调用wait/waitpid清理子进程的zombie信息。

测试：运行server程序，然后同时运行2个client(telnet localhost 1984)，可看到该server能够很好地处理2个client。

  • 多进程方法的优点：

每个独立进程处理一个独立的client，对server进程来说只需要accept新的连接，对每个子进程来说只需要处理自己的client即可。

  • 多进程方法的缺点：

子进程的创建需要独立的父进程资源副本，开销较大，对高并发的请求不太适合；且一个进程仅处理一个client不能有效发挥作用。另外有些情况下还需要进程间进行通信以协调各进程要完成的任务。

二、non-blocking socket(单进程并发)方法

blocking socket VS non-blocking socket

默认情况下socket是blocking的，即函数accept(), recv/recvfrom, send/sendto，connect等，需等待函数执行结束之后才能够返回(此时操作系统切换到其他进程执行)。accpet()等待到有client连接请求并接受成功之后，recv/recvfrom需要读取完client发送的数据之后才能够返回。

可设置socket为non-blocking模式，即调用函数立即返回，而不是必须等待满足一定条件才返回。参看http://www.scottklement.com/rpg/socktut/nonblocking.html

non-blocking: by default, sockets are blocking – this means that they stop the function from returning until all data has been transfered. With multiple connections which may or may not be transmitting data to a server, this would not be very good as connections may have to wait to transmit their data.

设置socket为非阻塞non-blocking

使用socket()创建的socket(file descriptor)，默认是阻塞的(blocking)；使用函数fcntl()(file control)可设置创建的socket为非阻塞的non-blocking。

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

int flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);
fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

这样使用原本blocking的各种函数，可以立即获得返回结果。通过判断返回的errno了解状态：

  • accept():

在non-blocking模式下，如果返回值为-1，且errno == EAGAIN或errno == EWOULDBLOCK表示no connections没有新连接请求；

  • recv()/recvfrom():

在non-blocking模式下，如果返回值为-1，且errno == EAGAIN表示没有可接受的数据或正在接受尚未完成；

  • send()/sendto():

在non-blocking模式下，如果返回值为-1，且errno == EAGAIN或errno == EWOULDBLOCK表示没有可发送数据或数据发送正在进行没有完成。

  • read/write:

在non-blocking模式下，如果返回-1，且errno == EAGAIN表示没有可读写数据或可读写正在进行尚未完成。

  • connect():

在non-bloking模式下，如果返回-1，且errno = EINPROGRESS表示正在连接。

使用如上方法，可以创建一个non-blocking的server的程序，类似如下代码：

int main(int argc, char *argv[]) {
	int sock;
	if ( (sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ) {
		perror("socket failed");
		return 1;
	}

	//set socket to be non-blocking
	int flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);
	fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

	//create socket address to bind
	struct sockaddr_in bind_addr
	...

	//bind
	bind(...)
	...

	//listen
	listen(...)
	...

	//loop 
	int new_sock;
	while (1) {
		new_sock = accept(sock, NULL, NULL);
		if (new_sock == -1 && errno == EAGAIN) {
			fprintf(stderr, "no client connections yet\n");
			continue;
		} else if (new_sock == -1) {
			perror("accept failed");
			return 1;
		}

		//read and write
		...

	}   

	...
}

纯non-blocking程序缺点：

如果运行如上程序会发现调用accept可以理解返回，但这样会耗费大量的CPU time，实际中并不会这样使用。实际中将non-blocking和select结合使用。

三、non-blocking和select结合使用的方法

select通过轮询，监视指定file descriptor(包括socket)的变化，知道:哪些ready for reading, 哪些ready for writing，哪些发生了错误等。select和non-blocking结合使用可很好地实现socket的多client同步通信。

select函数：

#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int select(int maxfd, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* errorfds, struct timeval* timeout);

参数说明：

  • maxfd：所有set中最大的file descriptor + 1
  • readfds：指定要侦听ready to read的file descriptor，可以为NULL
  • writefds：指定要侦听ready to write的file descriptor，可以为NULL
  • errorfds：指定要侦听errors的file descriptor，可以为NULL
  • timeout：指定侦听到期的时间长度，如果该struct timeval的各个域都为0，则相当于完全的non-blocking模式；如果该参数为NULL，相当于block模式；

select返回：

  • select返回total number of bits set in readfds, writefds and errorfds，当timeout的时候返回0，发生错误返回-1。

注：select会更新readfds(保存ready to read的file descriptor), writefds(保存read to write的fd), errorfds(保存error的fd)，且更新timeout为距离超时时刻的剩余时间。

另外，fd_set类型需要使用如下4个宏进行赋值：

FD_ZERO(fd_set *set);       //Clear all entries from the set.
FD_SET(int fd, fd_set *set);    //Add fd to the set.
FD_CLR(int fd, fd_set *set);    //Remove fd from the set.
FD_ISSET(int fd, fd_set *set);  //Return true if fd is in the set.

因此通过如下代码可以将要侦听的file descriptor/socket添加到响应的fd_set中，例如：

fd_set readfds;
FD_ZERO(&readfds);

int sock;
sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

FD_SET(sock, &readfds);     //将新创建的socket添加到readfds中
FD_SET(stdin, &readfds);    //将stdin添加到readfds中

struct timeval类型：

struct timeval {
	int tv_sec;     //seconds
	int tv_usec;    //microseconds，注意这里是微秒不是毫秒，1秒 = 1000, 000微秒
};

因此，使用select函数可以添加希望侦听的file descriptor/socket到read, write或error中(如果对某一项不感兴趣，可以设置为NULL)，并设置每次侦听的timeout时间。

注意如果设置timeout为：

struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 0;
timeout.tv_usec = 0;

相当于每次select立即返回相当于纯non-blocking模式；

如果设置timeout参数为NULL，则每次select持续等待到有变化则相当于blocking模式。

使用select和non-blocking实现server处理多client实例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <sys/time.h>

#define DEFAULT_PORT    1984    //默认端口
#define BUFF_SIZE       1024    //buffer大小
#define SELECT_TIMEOUT  5       //select的timeout seconds

//函数：设置sock为non-blocking mode
void setSockNonBlock(int sock) {
	int flags;
	flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);
	if (flags < 0) {
		perror("fcntl(F_GETFL) failed");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	if (fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) < 0) {
		perror("fcntl(F_SETFL) failed");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
}
//函数：更新maxfd
int updateMaxfd(fd_set fds, int maxfd) {
	int i;
	int new_maxfd = 0;
	for (i = 0; i <= maxfd; i++) {
		if (FD_ISSET(i, &fds) && i > new_maxfd) {
			new_maxfd = i;
		}
	}
	return new_maxfd;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
	unsigned short int port;

	//获取自定义端口
	if (argc == 2) {
		port = atoi(argv[1]);
	} else if (argc < 2) {
		port = DEFAULT_PORT;
	} else {
		fprintf(stderr, "USAGE: %s [port]\n", argv[0]);
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	//创建socket
	int sock;
	if ( (sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ) {
		perror("socket failed, ");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("socket done\n");

	//in case of 'address already in use' error message
	int yes = 1;
	if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int))) {
		perror("setsockopt failed");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	//设置sock为non-blocking
	setSockNonBlock(sock);

	//创建要bind的socket address
	struct sockaddr_in bind_addr;
	memset(&bind_addr, 0, sizeof(bind_addr));
	bind_addr.sin_family = AF_INET;
	bind_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //设置接受任意地址
	bind_addr.sin_port = htons(port);//将host byte order转换为network byte order

	//bind sock到创建的socket address上
	if ( bind(sock, (struct sockaddr *)&bind_addr, sizeof(bind_addr)) == -1 ) {
		perror("bind failed, ");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("bind done\n");

	//listen
	if ( listen(sock, 5) == -1) {
		perror("listen failed.");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("listen done\n");

	//创建并初始化select需要的参数(这里仅监视read)，并把sock添加到fd_set中
	fd_set readfds;
	fd_set readfds_bak; //backup for readfds(由于每次select之后会更新readfds，因此需要backup)
	struct timeval timeout;
	int maxfd;
	maxfd = sock;
	FD_ZERO(&readfds);
	FD_ZERO(&readfds_bak);
	FD_SET(sock, &readfds_bak);

	//循环接受client请求
	int new_sock;
	struct sockaddr_in client_addr;
	socklen_t client_addr_len;
	char client_ip_str[INET_ADDRSTRLEN];
	int res;
	int i;
	char buffer[BUFF_SIZE];
	int recv_size;

	while (1) {

		//注意select之后readfds和timeout的值都会被修改，因此每次都进行重置
		readfds = readfds_bak;
		maxfd = updateMaxfd(readfds, maxfd);        //更新maxfd
		timeout.tv_sec = SELECT_TIMEOUT;
		timeout.tv_usec = 0;
		printf("selecting maxfd=%d\n", maxfd);

		//select(这里没有设置writefds和errorfds，如有需要可以设置)
		res = select(maxfd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
		if (res == -1) {
			perror("select failed");
			exit(EXIT_FAILURE);
		} else if (res == 0) {
			fprintf(stderr, "no socket ready for read within %d secs\n", SELECT_TIMEOUT);
			continue;
		}

		//检查每个socket，并进行读(如果是sock则accept)
		for (i = 0; i <= maxfd; i++) {
			if (!FD_ISSET(i, &readfds)) {
				continue;
			}
			//可读的socket
			if ( i == sock) {
				//当前是server的socket，不进行读写而是accept新连接
				client_addr_len = sizeof(client_addr);
				new_sock = accept(sock, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_addr_len);
				if (new_sock == -1) {
					perror("accept failed");
					exit(EXIT_FAILURE);
				}
				if (!inet_ntop(AF_INET, &(client_addr.sin_addr), client_ip_str, sizeof(client_ip_str))) {
					perror("inet_ntop failed");
					exit(EXIT_FAILURE);
				}
				printf("accept a client from: %s\n", client_ip_str);
				//设置new_sock为non-blocking
				setSockNonBlock(new_sock);
				//把new_sock添加到select的侦听中
				if (new_sock > maxfd) {
					maxfd = new_sock;
				}
				FD_SET(new_sock, &readfds_bak);
			} else {
				//当前是client连接的socket，可以写(read from client)
				memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
				if ( (recv_size = recv(i, buffer, sizeof(buffer), 0)) == -1 ) {
					perror("recv failed");
					exit(EXIT_FAILURE);
				}
				printf("recved from new_sock=%d : %s(%d length string)\n", i, buffer, recv_size);
				//立即将收到的内容写回去，并关闭连接
				if ( send(i, buffer, recv_size, 0) == -1 ) {
					perror("send failed");
					exit(EXIT_FAILURE);
				}
				printf("send to new_sock=%d done\n", i);
				if ( close(i) == -1 ) {
					perror("close failed");
					exit(EXIT_FAILURE);
				}
				printf("close new_sock=%d done\n", i);
				//将当前的socket从select的侦听中移除
				FD_CLR(i, &readfds_bak);
			}
		}
	}

	return 0;
}

实例源码下载地址：http://velep.com/downloads?did=16，经测试可用！

编译并运行如上程序，然后尝试使用多个telnet localhost 1984连接该server。可以发现各个connection很好地独立工作。因此，使用select可实现一个进程尽最大所能地处理尽可能多的client。

参考资料：

以上文章内容参考：http://blog.csdn.net/haibinglong/article/details/6862360

» 文章出处： reille博客—http://velep.com , 如果没有特别声明，文章均为reille博客原创作品
» 郑重声明： 原创作品未经允许不得转载，如需转载请联系reille#qq.com(#换成@)
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 Posted by reille at 10:50浏览 20,618 次  Tagged with: , , , , ,

  2 Responses to “TCP Server处理多Client请求的方法—非阻塞accept与select”

  1. socket–socket()、bind()、listen()、connect()、accept()、recv()、send()、select()、close()、shutdown()-IT技术资讯 says:
    2020 年 10 月 9 日 at 15:16

    […] （3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。 使用select和non-blocking实现server处理多client实例 […]

    回复
  2. 全职法师 says:
    2015 年 9 月 1 日 at 13:51

    [嘻嘻]

    回复

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