TCP/IP网络编程之多进程服务端（一）
进程概念及应用
我们知道，监听套接字会有一个等待队列，里面存放着不同客户端的连接请求，如果有一百个客户端，每个客户端的请求处理是0.5s，第一个客户端当然不会不满，但第一百个客户端就会有相当大的意见了。为了要使得所有客户端都尽可能的满意，我们应采用并发服务端，使其同时向所有发起请求的客户端提供服务。而且，网络程序中数据通信时间比CPU运算时间占比更大，因此，向多个客户端提供服务是一种有效利用CPU的方式。接下来讨论同时向多个客户端提供服务的并发服务端，下面提出具有代表性的并发服务端实现模型和方法：
- 多进程服务器：通过创建多个进程提供服务
- 多路复用服务器：通过捆绑并统一管理I/O对象提供服务
- 多线程服务器：通过生成与客户端等量的线程提供服务
先来简单理解下进程：我们打开电脑一般不会只做一件事，比方单纯的浏览网站，单纯的聊天。一般我们都是几件事轮流切换着做，我们会在浏览网页时打开音乐播放器播放音乐，还会时不时回复下QQ消息。那么这里就牵扯到三个进程了，一个是浏览器进程，一个是播放器进程，还有一个是QQ进程。从操作系统的角度看，进程是程序流的基本单位，若创建多个进程，则操作系统将同时运行。有时一个程序运行过程中也会产生多个进程，像谷歌浏览器，打开一个tab页，实际上就是产生一个新的进程。接下来要创建的多进程服务器就是其中的代表，编写服务端前，先了解一下通过程序创建进程的方法
CPU核的个数和进程数：拥有两个运算器的CPU称为双核CPU，拥有四个运算器的CPU称作四核CPU。也就是说，一个CPU可能包含多个运算器（核）。核的个数与可同时运行的进程数相同，相反，若进程数超过核数，进程将分时使用CPU资源。但因CPU运算速度极快，我们会感到所有进程同时运行，当然，核数越多，这种感觉越明显
进程ID
讲解创建进程方法前，先简要说明下进程ID。无论进程是如何创建的，所有进程都会从操作系统分配得到ID。此ID称为“进程ID”，其值为大于2的整数，1要分配给操作系统启动后的（用于协助操作系统）首个进程，因此用于进程无法得到ID为1的进程ID，接下来观察Linux中正在运行的进程：
# ps au USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND root 384 0.0 0.0 1520 208 pts/23 Ss+ Sep04 0:00 /bin/sh -c nginx -g "daemon on;" && uwsgi --ini /data/web/uwsgi.ini root 438 0.0 0.6 257212 36936 pts/23 Sl+ Sep04 0:03 uwsgi --ini /data/web/uwsgi.ini root 473 0.0 0.0 1520 208 pts/3 Ss+ Sep21 0:00 /bin/sh -c nginx -g "daemon on;" && uwsgi --ini /data/web/uwsgi.ini root 513 0.0 0.7 186080 44028 pts/3 S+ Sep21 0:05 uwsgi --ini /data/web/uwsgi.ini root 555 0.0 0.6 186724 40404 pts/3 Sl+ Sep21 0:00 uwsgi --ini /data/web/uwsgi.ini root 702 0.0 0.0 110044 696 tty1 Ss+ Aug19 0:00 /sbin/agetty --noclear tty1 linux root 703 0.0 0.0 110044 732 hvc0 Ss+ Aug19 0:00 /sbin/agetty --keep-baud 115200 38400 9600 hvc0 vt220 root 3025 0.0 0.0 1520 16 pts/1 Ss+ Aug19 0:00 /bin/sh -c nginx -g "daemon on;" && uwsgi --ini /data/web/uwsgi.ini root 3694 0.0 0.1 242444 10644 pts/1 Sl+ Aug19 0:01 uwsgi --ini /data/web/uwsgi.ini root 3992 0.0 0.0 102696 1468 pts/7 Ss+ Aug19 10:49 /usr/local/bin/python /usr/local/bin/gunicorn -w 3 -k gevent -b :5001 manage:app root 4089 0.0 0.0 11636 8 pts/8 Ss+ Aug19 0:00 /bin/sh -c uwsgi --ini /data/code/uwsgi.ini && nginx -g "daemon off;"
可以看出，通过ps命令可以查看当前运行的所有进程，该命令同时列出了PID（进程ID），ps命令可通过指定a和u参数u列出所有进程的详细信息
通过fork函数创建进程
#include<unistd.h> pid_t fork(void);//成功时返回进程ID，失败时返回-1
fork函数将创建调用的进程副本，也就是说，并非根据完全不同的程序创建进程，而是复制正在运行的、调用fork函数的进程。另外，两个进程都将执行fork函数调用后的语句（准确地说是在fork函数返回后）。但因为通过同一个进程、复制相同的内存空间，之后的程序流根据fork函数的返回值加以区分。即利用fork函数的如下特点区分程序执行流程：
- 父进程：fork函数返回子进程ID
- 子进程：fork函数返回0
此处，“父进程”指原进程，即调用fork函数的主体，而“子进程”是通过父进程调用fork函数复制出的进程。图1-1展示了调用fork函数后的程序运行流程
图1-1 fork函数的调用
图1-1中可以看到，父进程调用fork函数的同时复制出子进程，并分别得到fork函数的返回值。但复制前，父进程全局变量gval增加到11，将局部变量lval的值增加到25。复制完成后根据fork函数的返回类型区分父子进程，父进程将lval加1，但这不会影响子进程的lval的值。同样，子进程将gval的值加1也不会影响父进程的gval。因为fork函数调用后分成了两个完全不同的进程，只是二者共享同一代码块而已。接下来，我们验证之前所说的内容
fork.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int gval = 10;
int main(int argc, char *argv[])
{
pid_t pid;
int lval = 20;
gval++, lval += 5;
pid = fork();
if (pid == 0) // if Child Process
gval += 2, lval += 2;
else // if Parent Process
gval -= 2, lval -= 2;
if (pid == 0)
printf("Child Proc: [%d, %d] \n", gval, lval);
else
printf("Parent Proc: [%d, %d] \n", gval, lval);
return 0;
}
- 第11行：创建子进程，父进程的pid中存有子进程的ID，子进程的pid是0
- 第12、18行：子进程执行这两行代码，因为pid为0
- 第15、20行：父进程执行这两行代码，因为此时pid中存有子进程ID
编译fork.c并运行
# gcc fork.c -o fork # ./fork Parent Proc: [9, 23] Child Proc: [13, 27]
从运行结果可以看出，调用fork函数后，父子进程拥有完全独立的内存结构
进程和僵尸进程
文件操作中，关闭文件和打开文件同等重要。同样，进程销毁也和进程创建同等重要。如果未认真对待进程销毁，它们将变成僵尸进程困扰各位。
僵尸进程
进程完成工作后（执行完main函数中的程序后）应被销毁，但有时这些进程变成僵尸进程，占用系统中的重要资源。这种状态下的进程称作“僵尸进程”，这也是给系统带来负担的原因之一。因此，我们应该消灭这种进程
产生僵尸进程的原因
为了防止僵尸进程的产生，先解释产生僵尸进程的原因。利用如下两个示例展示调用fork函数产生子进程的终止方式：
- 传递参数并调用exit函数
- main函数中执行return并返回值
向exit函数传递的参数值和main函数的return语句返回的值都会传递给操作系统，而操作系统不会销毁子进程，直到把这些值传递给产生该子进程的父进程，处在这种状态下的进程就是僵尸进程。也就是说，将子进程变成僵尸进程的正是操作系统。既然如此，僵尸进程何时被销毁呢？其实之前已给出答案：当子进程将返回值传递给父进程的时候。那么，如何向父进程传递返回值呢？操作系统不会主动把这些值传递给父进程，只有父进程主动发起请求（函数调用）时，操作系统才会传递该值。换言之，如果父进程未主动要求获得子进程的结束状态值，操作系统将一直保存，并让子进程长时间处于僵尸进程状态。接下来的示例将创建僵尸进程
zombie.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) // if Child Process
{
puts("Hi I'am a child process");
}
else
{
printf("Child Process ID: %d \n", pid);
sleep(30); // Sleep 30 sec.
}
if (pid == 0)
puts("End child process");
else
puts("End parent process");
return 0;
}
- 第14行：输出子进程ID，可以通过该值查看子进程状态（是否为僵尸进程）
- 第15行：父进程暂停30秒，如果父进程终止，处于僵尸进程状态的子进程将同时销毁。因此，延缓父进程的执行以验证僵尸进程
编译zombie.c并运行
# ./zombie Child Process ID: 5507 Hi I'am a child process End child process End parent process
程序开始运行，在打印出子进程的进程ID后，会停歇30秒，这个时候我们可以趁机看一下5507进程号所对应的进程状态
# ps -ef | grep 5507 root 5507 5506 0 11:44 pts/32 00:00:00 [zombie] <defunct> root 5509 23062 0 11:45 pts/31 00:00:00 grep --color=auto 5507
可以看到，5507对应的进程号的状态为defunct，即为僵尸进程。经过30秒后，随着父进程的终止，子进程也将销毁
销毁僵尸进程1：利用wait函数
如前所述，为了销毁子进程，父进程应主动请求获取子进程的返回值，接下来讨论下发起请求的具体方法，共有两种，其中之一就是调用wait函数
#include <sys/wait.h> pid_t wait(int *statloc);//成功时返回终止的子进程ID，失败时返回-1
调用次函数时如果已有子进程终止，那么子进程终止时传递的返回值（exit函数的参数值、main函数的return返回值）将保存到该函数的参数所指的内存空间。但函数参数指向的单元中还包含其他信息，因此需要通过下列宏进行分离
- WIFEXITED子进程正常终止时返回真（true）
- WEXITSTATUS返回子进程的返回值
也就是说，向wait函数传递变量status的地址时，调用wait函数后应编写如下代码
if (WIFEXITED(status))
{
puts("Normal termination!");
printf("Child pass num: %d \n", WEXITSTATUS(status)); //返回值是多少
}
根据上述内容编写示例，此示例中不会再让子进程编程僵尸进程
wait.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int status;
pid_t pid = fork();
if (pid == 0)
{
return 3;
}
else
{
printf("Child PID: %d \n", pid);
pid = fork();
if (pid == 0)
{
exit(7);
}
else
{
printf("Child PID: %d \n", pid);
wait(&status);
if (WIFEXITED(status))
printf("Child send one: %d \n", WEXITSTATUS(status));
wait(&status);
if (WIFEXITED(status))
printf("Child send two: %d \n", WEXITSTATUS(status));
sleep(30); // Sleep 30 sec.
}
}
return 0;
}
- 第9、13行：第9行创建的子进程将在第13行通过main函数中的return语句终止
- 第18、21行：第18行中创建的子进程将在第21行通过调用exit函数终止
- 第26行：调用wait函数，之前终止的子进程相关信息将保存到status变量，同时相关子进程被完全销毁
- 第27、28行：第27行中通过WIFEXITED宏验证子进程是否正常终止，如果正常退出，则调用WEXITSTATUS宏输出子进程的返回值
- 第30~32行：因为之前创建了两个进程，所以再次调用wait函数和宏
- 第33行：为暂停父进程终止而插入的代码，此时可以查看子进程状态
# gcc wait.c -o wait # ./wait Child PID: 6862 Child PID: 6863 Child send one: 3 Child send two: 7
在系统中执行ps命令可以发现，并没有上一个示例中对应PID的进程。这是因为调用了wait函数，完全销毁了子进程，另外两个子进程终止时返回3和7传递给父进程。这就是通过调用wait函数消灭僵尸进程的方法，调用wait函数时，如果没有已终止的子进程，那么程序将阻塞直到有子进程终止，因此需谨慎调用该函数
销毁僵尸进程2：使用waitpid函数
wait函数会引起程序的阻塞，还可以考虑调用waitpid函数，这是防止僵尸进程的第二种方法，也是防止阻塞的方法
#include <sys/wait.h> pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);//成功时返回终止的子进程ID（或0），失败时返回-1
- pid：等待终止的目标子进程的ID，若传递-1，则与wait函数相同，可以等待任意子进程终止
- statloc：与wait函数的statloc具有相同意义
- options：传递头文件sys/wait.h中声明的常量WNOHANG，即使没有终止的子进程也不会进入阻塞状态，而是返回0并退出函数
下面介绍用上述函数的示例，调用waitpid函数，程序不会阻塞
waitpid.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int status;
pid_t pid = fork();
if (pid == 0)
{
sleep(15);
return 24;
}
else
{
while (!waitpid(-1, &status, WNOHANG))
{
sleep(3);
puts("sleep 3sec.");
}
if (WIFEXITED(status))
printf("Child send %d \n", WEXITSTATUS(status));
}
return 0;
}
- 第12行：调用sleep函数推迟子进程的执行，这会导致程序延迟15秒
- 第17行：while循环调用waitpid函数，向第三个参数传递WNOHANG，因此，若之前没有终止的子进程将返回0
编译waitpid.c并运行
# gcc waitpid.c -o waitpid # ./waitpid sleep 3sec. sleep 3sec. sleep 3sec. sleep 3sec. sleep 3sec. Child send 24
可以看出第20行共执行了五次，另外，也证明waitpid函数并未阻塞
