套接字编程（四）

2023-11-17

套接字编程

3.5k 词

循环服务器概述

循环服务器

使用无连接传输，常见
使用面向连接的服务
特点
- 每次处理时间都很少
- 服务器实现简单

创建被动的套接字(passivesock.c)

创建一个过程隐藏创建被动套接字的细节

获得熟知的端口号，端口号的唯一性问题
使用什么协议
- passiveTCP:使用面向连接的被动套接字
- passiveUDP:本章学习，使用无连接的被动套接字

passivesock

参数
- 服务器名
- 协议名
- 连接请求队列所需要的长度
使用INADDR_ANY代替指定的本地IP地址

int passivesock(const char *service,
    const char *transport,int qlen)
{
    struct servent *pse;
    struct sockaddr_in sin;
    int s,type;

    memset(&sin,0,sizeof(sin));
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if(pse = getservbyname(service,transport))
        sin.sin_port = htons(pse -> s_port);
    else if((sin.sin_port = htons((unsigned char)atoi(service)))==0)
        errexit(...) ;
    
    if(strcmp(transport,"udp") == 0)type = SOCK_DGRAM;
    else type = SOCK_STREAM;

    if(s = sock(PF_INET,type,0)< 0)errexit(...);

    if(bind(s,(struct sockaddr_in*)&sin,sizeof(sin))<0)
        errexit(...);

    if(type == SOCK_STREAM && listen(s,qlen)<0)
        errexit(...);

    return s;
}

passiveUDP & passiveTCP

int passiveUDP(const char *service,int qlen)
{
    return passivesock(service,"udp",qlen);
}

int passiveTCP(const char *service,int qlen)
{
    return passivesock(service,"tcp",qlen);
}

循环无连接服务器

进程结构

只需要一个执行线程

优点

简单服务
服务器为每个请求的计算很少

循环面向连接服务器

进程结构

使用一个单执行线程
使用两个套接字
- 一个套接字处理请求
- 另外一个套接字处理和客户的通信

连接终止和服务器的脆弱性

复杂客户服务器系统的应用，必须了解客户什么时候是最后一个请求，客户必须发送一个完成的信号
允许客户控制连接时间有危险
- 误操作的客户可能导致服务器消耗掉套接字和TCP连接之类的资源
- 客户快速的重复的发出请求，可以把服务器资源用光

并发服务器

ECHO

功能

客户打开某个服务器连接，然后在该连接上重复发送数据，并读取从服务器返回的回显，服务器响应每个客户接受连接，读取来自给客户的数据，并原样返回给客户

服务器在发送响应前并非读取全部输入，只是交替读写
服务器在遇到文件结束的条件后，关闭连接

循环与并发

循环服务器实现
- 某些客户可能发送大量的数据，导致其他客户延迟
并发服务器实现
- 避免了长时间的延迟，不允许单个客户占用所有的资源
- 使用服务器与许多客户同时进行通信
- 客户感觉服务器提供了较短的响应时间

进程结构

服务器包括一个主进程，以及零个或多个从进程，每个进程一个线程
主服务器使用accept阻塞调用，节约CPU资源，连接到来的时候，accept马上返回

信号

信号：UNIX系统所使用的最古老的进程通信方法
系统用信号通知一个或多个进程异步事件的发生
内核-进程或进程-进程
不能直接携带信息，一般用作非正常情况处理
信号定义：
- SIGHUP
- SIGINT
- SIGQUIT
- SIGCHLD:子进程结束信号
- …
signal()系统调用：将指定的处理函数和信号相关联

清除游离进程

使用fork的服务器动态生成进程，可能导致不完全的进程终止

linux在一个子进程退出时，会给父进程一个信号
正在退出的进程保持僵尸状态，指导父进程执行wait3系统调用为止
signal主服务器进程收到子进程退出信号的时候，执行函数reaper
函数reaper调用函数wait3完成子进程的终止
- 参数WNOHANG指明wait3不要为了进程退出而阻塞等待

多进程并发服务器

连接请求创建新的进程，关闭连接触发进程的退出

优点
- 并发服务多个客户
- 结构清晰，编程容易
缺点
- 上下文切换开销大
- 并发度不高

多线程并发服务器

linux中线程的特点

动态创建：pthread_create，具有上限
并发执行：多处理机上可以并行
抢先：系统自动在多个线程中调动CPU资源
私有局部变量：每个线程都有自己的私有堆栈
共享全局变量：一个进程的所有线程共享全局变量
共享文件描述符：一个进程内的所有线程共享一组文件描述符
协调和同步函数：具有线程协调和同步执行的函数

线程的优点

多线程进程与单线程进程
更高的效率：上下文交换的额外开销减少
- 上下文交换：线程切换需要执行的指令
- 同一进程中的两个线程比不同进程中的两个线程切换要快
- 进程内的线程切换不用改变虚拟存储器的地址
共享存储器
- 并发服务器中的多个副本需要互相通信或者访问共享的数据
- 利用线程容易构建监控系统

线程的缺点

由于线程间共享存储器和进程状态，一个线程的动作可能对同一个进程内的其他线程产生影响

两个线程如果同一时刻访问同一个变量，会产生相互干扰
将指针返回给一个静态数据项的库函数不是线程安全的，覆盖将会导致错误
缺乏健壮性，一个线程会出错，服务器将会终止整个进程

描述符、延迟和退出

许多动态分配的资源都是和进程相关的
- 一个线程打开某个文件，同一进程的其他线程也可以使用同一个描述符访问文件
- 有些操作系统调用只会影响调用它的线程I/O调用阻塞，只影响调用它的线程
- 有些系统调用会影响整个进程
线程退出方法
- 线程的顶级过程返回时终止该线程
- 调用pthread_exit终止该线程

线程并发服务器优缺点

优点
- 上下文切换开销小
- 共享存储器
缺点
- 增加了编程的复杂性
- 必须使用同步机制协调线程对全局变量和一些库程序的访问
- 必须弄清一些可能影响整个进程的系统函数

单线程并发服务器

数据驱动处理

对一个请求的响应如果I/O占了主导地位，服务器可以使用异步I/O来实现表面并发现，使用数据触发处理
若并发服务器处理每个请求仅需要很少时间，可以由数据到达驱动。在工作量太大，以致CPU不能顺序执行的时候，分时机制才取而代之

线程结构

单线程服务器必须完成主线程和从线程双方的职责

维护一组套接字
组中某套接字绑定到接收连接的熟知端口上
其他套接字对应一个连接
服务器把这套接字描述符作为一个参数传递给select，并等待任何一个套接字的活动
使用描述符来区别主线程和从线程的操作
- 主套接字描述符准备就绪，使用主线程的操作
- 从套接字的描述符就绪，使用从线程的操作

技术基础

文件描述符集fd_set
- 通常用整数数组中的位域表示，数组元素的每一位对应一个文件描述符。
对描述符集进行操作
- FD_SET(int fd,fd_set *fdset)：设置文件描述符集fdset中对应于文件描述符fd的位为1
- FD_CLR(int fd,fd_set *fdset)：清除文件描述符集fdset中对应于文件描述符fd的位为0
- FD_ISSET(int fd,fd_set *fdset)：检测文件描述符集fdset中对应于文件描述符fd的位是否被设置
- FD_ZERO(fd_set *fdset)：清除文件描述符集fdset中的所有位

select()系统调用

可以使进程检测同时等待的多个I/O设备，当没有设备准备好时，select()阻塞，其中任一设备准备好时，select()就返回准备就绪的文件描述符数

int select(int maxfd, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fe_set *exceptfds, const struct timeval *timeout);
/*
 maxfd:文件描述符集中要被检测的比特数
 readfds:被读监控的文件描述符集
 writefds:被写监控的文件描述符集
 exceptfds:被例外条件监控的文件描述符集
 timeout:定时器，超时返回调用
*/

分类

循环服务器概述

循环服务器

创建被动的套接字(passivesock.c)

创建一个过程隐藏创建被动套接字的细节

passivesock

passiveUDP & passiveTCP

循环无连接服务器

进程结构

优点

循环面向连接服务器

进程结构

连接终止和服务器的脆弱性

并发服务器

ECHO

功能

循环与并发

进程结构

信号

清除游离进程

多进程并发服务器

多线程并发服务器

linux中线程的特点

线程的优点

线程的缺点

描述符、延迟和退出

线程并发服务器优缺点

单线程并发服务器

数据驱动处理

线程结构

技术基础