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] 
", gval, lval);
    else
        printf("Parent Proc: [%d, %d] 
", 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 
", 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 
", 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 
", pid);
        pid = fork();
        if (pid == 0)
        {
            exit(7);
        }
        else
        {
            printf("Child PID: %d 
", pid);
            wait(&status);
            if (WIFEXITED(status))
                printf("Child send one: %d 
", WEXITSTATUS(status));

            wait(&status);
            if (WIFEXITED(status))
                printf("Child send two: %d 
", 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 
", 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