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：

1 2 3 4 5 6 7 8

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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

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：

1. 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)
2. 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；
3. 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；
4. 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：

1 2 3 4 5 6 7 8

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：

1 2 3 4 5 6 7

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)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240

//    // 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 <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>   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;   }