网络编程-----服务器（多路复用IO 和 TCP并发模型）

磨十三2025-03-08 8:51

一、单循环服务器模型

1. 核心特征
while(1)
			{
				newfd = accept();
					recv();
				close(newfd);
			}
2. 典型应用场景
  • HTTP短连接服务（早期Apache）
  • CGI快速处理
  • 简单测试服务器
3. 综合代码
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		printf("Usage: %s <port> <ip>\n",argv[0]);
		return -1;
	}
	

	//1.socket 创建通信一端 
	int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

	if (fd < 0)
	{
		perror("socket fail\n");
		return -1;
	}

	struct sockaddr_in seraddr;
	bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));

	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[2]);
	printf("fd = %d\n",fd);
    //2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 
	if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0)
	{
		perror("connect fail");
		return -1;
	}

	printf("connect success!\n");

	//3.listen -- 设置监听 
	if (listen(fd,5) < 0)
	{
		perror("listen fail");
		return -1;
	}


	while (1)
	{
		//4.accept
		int connfd = accept(fd,NULL,NULL);

		if (connfd < 0)
		{
			perror("accept fail");
			return -1;
		}

		printf("----client --- connectted\n");

		char buf[1024];
		char sbuf[1024];
		while (1)
		{
			recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);
			printf("c: %s\n",buf);

			if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)
			{
				close(connfd);
				break;
			}
			sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);
			send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);
		}
	}
	close(fd);

	return 0;
}
4. 优缺点分析
优点 缺点
实现简单 无法处理并发请求
无资源竞争问题 长连接会阻塞后续请求
适合低负载场景 吞吐量低（QPS < 100）

二、多进程并发模型

1. 核心实现
while(1) {
    int newfd = accept(listen_fd, ...);
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0) {  // 子进程
        close(listen_fd);
        handle_connection(newfd);
        close(newfd);
        exit(0);
    } else if (pid > 0) {  // 父进程
        close(newfd);
        waitpid(-1, NULL, WNOHANG);  // 非阻塞回收
    }
}
2. 进程管理优化
// 使用信号处理避免僵尸进程
signal(SIGCHLD, SIG_IGN);  // 忽略子进程结束信号

// 或使用waitpid循环
while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
3. 典型应用
  • 传统Apache的prefork模式
  • FTP服务器
  • 数据库连接池
4. 资源消耗对比
资源类型 进程创建开销 示例系统调用
内存 需要复制整个PCB fork()
CPU 上下文切换成本高 schedule()
文件描述符 需要显式关闭继承的fd close()
5. 优缺点分析
优点 缺点
可以完成多个进程的实时交互 回收资源不方便
信息的完整性可以保证。 每次fork 占用系统资源多
适合低负载场景 可能出现僵尸进程

6. 综合代码

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

void handler(int signo)
{
	wait(NULL);
}


int init_server(const char *ip,unsigned short port)
{
	//1.socket 创建通信一端 
	int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

	if (fd < 0)
	{
		perror("socket fail\n");
		return -1;
	}

	struct sockaddr_in seraddr;
	bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));

	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(port);
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);

	//2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 
	if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0)
	{
		perror("connect fail");
		return -1;
	}

	//3.listen -- 设置监听 
	if (listen(fd,5) < 0)
	{
		perror("listen fail");
		return -1;
	}
	return fd;
}


int client_handler(int connfd)
{
	char buf[1024];
	char sbuf[1024];
	int ret = 0;

	while (1)
	{
		ret = recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);
		if (ret < 0)
		{
			perror("client_handler recv fail");
			ret = -1;
		}
		printf("c: %s\n",buf);

		if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)
		{
			close(connfd);
			ret = 1;
			break;
		}
		sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);
		ret = send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);
		if (ret < 0)
		{
			perror("client_handler send fail");
			ret = -1;
		}
	}

	return ret;
	
}


int main(int argc, const char *argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		printf("Usage: %s <ip> <port>\n",argv[0]);
		return -1;
	}
	
	signal(SIGCHLD,handler);

	int fd = init_server(argv[1],atoi(argv[2]));
	if (fd < 0)
	{
		printf("init_server fail\n");
		return -1;
	}

	while (1)
	{
		//4.accept
		int connfd = accept(fd,NULL,NULL);

		if (connfd < 0)
		{
			perror("accept fail");
			return -1;
		}

		pid_t pid = fork();
		if (pid < 0)
		{
			perror("fork fail");
			return -1;
		}
		if (pid == 0)
		{

			int ret = 0;
			if ((ret = client_handler(connfd)) < 0)
			{
				printf("client_handler fail");
				return -1;
			}
			if (ret == 1)
			{
				printf("child exit...\n");
				exit(EXIT_SUCCESS);
			}
 
		}
	}
	close(fd);

	return 0;
}

三、多线程并发模型

1. 核心实现（POSIX线程）
while(1) {
    int newfd = accept(listen_fd, ...);
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_handler, (void*)newfd);
    pthread_detach(tid);  // 分离线程自动回收
}

void* thread_handler(void* arg) {
    int fd = (int)arg;
    // 处理请求
    close(fd);
    return NULL;
}
2. 线程安全控制
// 使用互斥锁保护共享资源
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void safe_write(int fd, const char* data) {
    pthread_mutex_lock(&lock);
    write(fd, data, strlen(data));
    pthread_mutex_unlock(&lock);
}
3. 典型应用
  • Java Tomcat
  • IIS应用池
  • 实时通信服务器
4. 性能指标对比
指标 进程模型 线程模型
创建速度 慢（10-100ms） 快（0.1-1ms）
上下文切换成本 高（切换页表等） 低（共享地址空间）
内存占用 高（独立资源） 低（共享资源）
5. 优缺点分析
优点 缺点
可以完成多个进程的实时交互 线程共享进程资源
创建速度快，调度快 稳定性 较差
适合低负载场景 安全性 较差

6. 综合代码

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>

int init_server(const char *ip,unsigned short port)
{
	//1.socket 创建通信一端 
	int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

	if (fd < 0)
	{
		perror("socket fail\n");
		return -1;
	}

	struct sockaddr_in seraddr;
	bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));

	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(port);
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);

	//2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 
	if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0)
	{
		perror("connect fail");
		return -1;
	}

	//3.listen -- 设置监听 
	if (listen(fd,5) < 0)
	{
		perror("listen fail");
		return -1;
	}
	return fd;
}


void* client_handler(void *arg)
{
	int connfd = *(int *)arg;
	char buf[1024];
	char sbuf[1024];
	long int ret = 0;
	

	while (1)
	{
		ret = recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);
		if (ret < 0)
		{
			perror("client_handler recv fail");
			ret = -1;
		}
		printf("c: %s\n",buf);

		if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)
		{
			close(connfd);
			ret = 1;
			break;
		}
		sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);
		ret = send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);
		if (ret < 0)
		{
			perror("client_handler send fail");
			ret = -1;
		}
	}

	return (void*)ret;
	
}


int main(int argc, const char *argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		printf("Usage: %s <ip> <port>\n",argv[0]);
		return -1;
	}
	

	int fd = init_server(argv[1],atoi(argv[2]));
	if (fd < 0)
	{
		printf("init_server fail\n");
		return -1;
	}

	while (1)
	{
		//4.accept
		int connfd = accept(fd,NULL,NULL);

		if (connfd < 0)
		{
			perror("accept fail");
			return -1;
		}
		
		pthread_t tid;

		int ret = pthread_create(&tid,NULL,client_handler,&connfd);
		if(ret != 0)
		{
			errno = ret;
			perror("pthread_create fail");
			return -1;
		}
		pthread_detach(tid);//设置分离属性,由系统回收资源
	}
	close(fd);
	return 0;
}

四、并发的服务器模型 ---更高程度上的并发

（一）fcntl 函数与 I/O 模型详解

1. 函数原型
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
2. 主要操作类型
命令 功能描述 参数要求
F_DUPFD 复制文件描述符 指定最小可用fd值
F_GETFD/F_SETFD 获取/设置文件描述符标志 标志值
F_GETFL/F_SETFL 获取/设置文件状态标志 新标志值
F_GETOWN/F_SETOWN 获取/设置异步I/O所有权 进程ID或组ID

（二）非阻塞I/O设置示例

1. 设置流程
cpp 复制代码 
int flag = fcntl(connfd,F_GETFL,0);
		flag = flag | O_NONBLOCK;
		fcntl(connfd,F_SETFL,flag);
2. 行为变化对比
操作 阻塞模式 非阻塞模式
read() 阻塞直到数据到达 立即返回，无数据时返回EAGAIN
write() 阻塞直到缓冲区空间可用 立即返回，空间不足返回EAGAIN
accept() 阻塞直到有新连接 立即返回，无连接时返回EAGAIN

（三）I/O 模型对比

1. 阻塞I/O模型
2. 非阻塞I/O模型
cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#include <fcntl.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		printf("Usage: %s <port> <ip>\n",argv[0]);
		return -1;
	}
	

	//1.socket 创建通信一端 
	int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

	if (fd < 0)
	{
		perror("socket fail\n");
		return -1;
	}

	struct sockaddr_in seraddr;
	bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));

	seraddr.sin_family = AF_INET;
	seraddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
	seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[2]);
	printf("fd = %d\n",fd);
    //2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 
	if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0)
	{
		perror("connect fail");
		return -1;
	}

	printf("connect success!\n");

	//3.listen -- 设置监听 
	if (listen(fd,5) < 0)
	{
		perror("listen fail");
		return -1;
	}


	while (1)
	{
		//4.accept
		int connfd = accept(fd,NULL,NULL);

		if (connfd < 0)
		{
			perror("accept fail");
			return -1;
		}

		printf("----client --- connectted\n");

		char buf[1024];
		char sbuf[1024];
	
		int flag = fcntl(connfd,F_GETFL,0);
		flag = flag | O_NONBLOCK;
		fcntl(connfd,F_SETFL,flag);
		
		while (1)
		{
			recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);
			printf("c: %s\n",buf);

			if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)
			{
				close(connfd);
				break;
			}
			sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);
			send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);
		}
	}
	close(fd);

	return 0;
}

（四）信号驱动 I/O 详解

1. 设置异步标志
// 获取当前文件状态标志
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
if (flags == -1) {
    perror("fcntl F_GETFL");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 添加异步I/O标志
if (fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_ASYNC) == -1) {
    perror("fcntl F_SETFL");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
2. 指定信号接收者
// 设置当前进程为信号接收者
if (fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()) == -1) {
    perror("fcntl F_SETOWN");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
3. 注册信号处理函数
// 更安全的sigaction替代signal
struct sigaction sa;
sa.sa_flags = SA_RESTART;
sa.sa_handler = sigio_handler;
sigemptyset(&sa.sa_mask);

if (sigaction(SIGIO, &sa, NULL) == -1) {
    perror("sigaction");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
4. 基本处理逻辑
cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>

int g_fd;

void handler(int signo)
{
	char buf[1024];
	read(g_fd,buf,sizeof(buf));

	if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)
		return;
	printf("buf = %s\n",buf);

}

int main(int argc, const char *argv[])
{
	if (mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
	{
		perror("mkfifo fail");
		return -1;
	}

	printf("mkfifo success\n");

	int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
	if (fd < 0)
	{
		perror("open fail");
		return -1;
	}

	g_fd = fd;
	int flag = fcntl(fd,F_GETFL,0);
	flag = flag | O_ASYNC;//设置为异步通信
	fcntl(fd,F_SETFL,flag);

	fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());//所有者
	signal(SIGIO,handler);

	int i = 0;
	while (1)
	{
		printf("i = %d\n",i);
		sleep(1);
		++i;
	}

	close(fd);
	return 0;
}
5.核心局限性分析
问题类型 具体表现 解决思路
信号合并 快速连续信号可能被合并 使用实时信号（SIGRTMIN+）
多fd区分困难 无法直接判断哪个fd触发信号 每个fd绑定不同信号（不现实）
异步安全限制 信号处理函数中操作受限 仅设置标志，主循环处理
性能瓶颈 高频率信号导致CPU占用高 配合epoll使用

（五）select 函数详解

一、函数原型与参数解析

#include <sys/select.h>

int select(int nfds, 
           fd_set *readfds, 
           fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, 
           struct timeval *timeout);
参数说明
参数 类型 说明
nfds int 监控的文件描述符最大值 +1（优化内核检查范围）
readfds fd_set* 监控可读事件的描述符集合（可NULL）
writefds fd_set* 监控可写事件的描述符集合（可NULL）
exceptfds fd_set* 监控异常事件的描述符集合（可NULL）
timeout timeval* 超时时间：<br>• NULL：阻塞等待<br>• 0：立即返回<br>• 正数：定时等待
返回值
  • 成功：返回就绪的文件描述符总数（可能为0）
  • 失败 ：返回-1并设置errno
  • 超时：返回0

二、核心操作宏

宏 功能 示例
FD_ZERO 清空描述符集合 FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET 添加描述符到集合 FD_SET(sockfd, &read_fds);
FD_CLR 从集合中移除描述符 FD_CLR(sockfd, &read_fds);
FD_ISSET 检测描述符是否在集合中 if(FD_ISSET(sockfd, &read_fds))

三、典型使用流程

1. 初始化描述符集合
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(listen_fd, &read_fds);
int max_fd = listen_fd;
2. 等待事件就绪
struct timeval tv = {5, 0}; // 5秒超时
fd_set tmp_fds = read_fds;

int ready = select(max_fd + 1, &tmp_fds, NULL, NULL, &tv);
if (ready == -1) {
    if (errno == EINTR) continue; // 处理信号中断
    perror("select error");
    break;
} else if (ready == 0) {
    printf("Timeout\n");
    continue;
}
3. 处理就绪事件
for (int fd = 0; fd <= max_fd; fd++) {
    if (FD_ISSET(fd, &tmp_fds)) {
        if (fd == listen_fd) {
            // 处理新连接
            int new_fd = accept(listen_fd, ...);
            FD_SET(new_fd, &read_fds);
            max_fd = (new_fd > max_fd) ? new_fd : max_fd;
        } else {
            // 处理客户端数据
            ssize_t n = read(fd, ...);
            if (n <= 0) {
                close(fd);
                FD_CLR(fd, &read_fds);
            }
        }
    }
}

四、关键注意事项

  1. 集合重用问题

    select返回后，集合会被修改为就绪的fd集合，每次调用前必须重新初始化：

    fd_set tmp_fds = read_fds; // 使用临时集合

  2. 超时时间重置
    timeout参数会被修改为剩余时间，循环调用时需要重新设置：

    struct timeval tv = {5, 0};
while(1) {
    select(..., &tv);
    tv.tv_sec = 5; // 必须重置
}

  3. 最大fd限制

    受FD_SETSIZE限制（通常1024），超出会导致未定义行为

  4. 性能问题

    每次调用需要从用户态复制整个fd_set到内核态，时间复杂度O(n)

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
	if (mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
	{
		perror("mkfifo fail");
		return -1;
	}

	printf("mkfifo success\n");

	int fd = open(argv[1], O_RDONLY);
	if (fd < 0)
	{
		perror("open fail");
		return -1;
	}
	char buf[1024] = {0};

	//1.建表
	fd_set readfds;
	FD_ZERO(&readfds);

	//2.添加要关心的fd
	FD_SET(0,&readfds);
	FD_SET(fd,&readfds);

	//3.select函数监控
	fd_set backfds;
		
		struct timeval tv = {5,0};
	while(1)
	{
		backfds = readfds;//每次循环回来拿到的都是最原始数据
		int nfds = fd + 1;//因为另一个是0,所以最大也就是ｆｄ
		int ret = select(nfds,&backfds,NULL,NULL,&tv);
		if(ret < 0)
		{
			perror("select fail");
			return -1;
		}
		if(ret > 0)
		{
			for(int i = 0;i < nfds;i++)//也可以是1024,但没必要 
			{
				if(FD_ISSET(i,&backfds))
				{
					if(i == 0)
					{
						fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
						if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)
							break;
						printf("buf = %s\n",buf);
					}else if(i == fd)
					{
						read(fd,buf,sizeof(buf));
						if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)
							break;
						printf("buf = %s\n",buf);
					}
				}
			}
		}
	}
	
	close(fd);
	return 0;
}

可以从客户端读取数据，也可以自身从键盘输入

并发模型对比

模型 实现方式 优点 缺点
多进程 fork() 隔离性好 资源消耗大
多线程 pthread_create() 资源共享高效 同步复杂度高
I/O多路复用 select/poll/epoll 高并发低开销 编程复杂度较高
信号驱动 SIGIO+fcntl 实时性好 信号处理复杂
异步I/O aio_*系列函数 真正的异步操作 系统支持不统一
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