应用层协议实现系列（一）——HTTPserver之仿nginx多进程和多路IO的实现

近期在尝试自己写一个Httpserver，在粗略研究了nginx的代码之后，决定仿照nginx中的部分设计自己实现一个高并发的HTTPserver，在这里分享给大家。

眼下使用的较多的Httpserver就是apache和nginx，apache的主要特点就是稳定，而nginx的主要特点是承载的并发量高。在这里从实现原理上做一个分析：

apache採用的是多进程server模型，即server每监听到一个连接时，会创建一个新的进程去处理连接，进程与进程之间是独立的，因此就算进程在处理连接的过程中崩溃了，也不会影响其它进程的执行。但因为server能创建的进程数目与内存有关，因此server的最大并发数会受到机器内存的影响，同一时候假设有人发起大量恶意长链接攻击，就会导致server超载。

nginx採用的是多路IO复用server模型，即server每监听到一个连接时，会将连接增加到连接数组中，使用epoll多路IO复用函数对每一个连接进行监听，当连接中有数据到来时，epoll会返回对应的连接，依此对各个连接进行处理就可以。epoll的最大连接数量尽管也会受到内存的影响，但因为每一个未激活的连接占用的内存非常小，所以相比于apache能够承载更大的并发。

但因为多路IO复用是在一个进程中进行的，所以假设在处理连接的过程中崩溃了，其它连接也会受到影响。为了解决问题，nginx中也引入了多进程，即nginxserver由一个master进程和多个worker进程组成。master进程作为父进程在启动的时候会创建socket套接字以及若干个worker进程，每一个worker进程会使用epoll对master创建的套接字进行监听。当有新连接到来时，若干个worker进程的epoll函数都会返回，但仅仅有一个worker进程能够accept成功。该进程accept成功之后将该连接增加到epoll的监听数组中，该连接之后的数据都将由该worker进程处理。假设当中一个worker进程在处理连接的过程中崩溃了，父进程会收到信号并重新启动该进程以保证server的稳定性。

另外，每次新连接到来都会唤醒若干个worker进程同一时候进行accept，但仅仅有一个worker能accept成功，为了避免这个问题，nginx引入了相互排斥信号量，即每一个worker进程在accept之前都须要先获取锁，假设获取不到则放弃accept。

在明白了上述原理之后，我们就能够仿照nginx实现一个httpserver了。首先是创建套接字的函数：

//创建socket
int startup(int port) {
    struct sockaddr_in servAddr;
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
    //协议域（ip地址和端口）
    servAddr.sin_family = AF_INET;
    //绑定默认网卡
    servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    //端口
    servAddr.sin_port = htons(port);
    int listenFd;
    //创建套接字
    if ((listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        printf("create socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
        return 0;
    }
    unsigned value = 1;
    setsockopt(listenFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &value, sizeof(value));
    //绑定套接字
    if (bind(listenFd, (struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr))) {
        printf("bind socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
        return 0;
    }
    //開始监听，设置最大连接请求
    if (listen(listenFd, 10) == -1) {
        printf("listen socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
        return 0;
    }
    return listenFd;
}

该函数创建了一个套接字并将其绑定到了一个port上開始监听。因为我们接下来要创建若干个worker进程，能够通过fork函数实现：

//管理子进程的数组，数组多大就有几个子进程
static int processArr[PROCESS_NUM];
//创建若干个子进程，返回当前进程是否父进程
bool createSubProcess() {
    for (int i=0; i<GET_ARRAY_LEN(processArr); i++) {
        int pid = fork();
        //假设是子进程，返回0
        if (pid == 0) {
            return false;
        }
        //假设是父进程，继续fork
        else if (pid >0){
            processArr[i] = pid;
            continue;
        }
        //假设出错
        else {
            fprintf(stderr,"can't fork ,error %d
",errno);
            return true;
        }
    }
    return true;
}

在以上代码中，创建的进程数目由数组大小决定，建议将该进程数目设置为CPU的核数，以充分利用多核CPU。为了避免在父进程退出后，子进程仍然存在产生僵尸进程，我们还须要实现一个信号处理函数：

//信号处理
void handleTerminate(int signal) {
    for (int i=0; i<GET_ARRAY_LEN(processArr); i++) {
        kill(processArr[i], SIGTERM);
    }
    exit(0);
}

该函数实现了当父进程收到退出信号时，向每一个子进程也发送退出信号。以下来看看main函数的实现，因为本人是在mac os下进行开发，mac下不支持epoll函数，于是改为类似的select函数：

int main(int argc, const char * argv[])
{
    int listenFd;
    
    initMutex();
    //设置port号
    listenFd = startup(8080);
    
    //创建若干个子进程
    bool isParent = createSubProcess();
    //假设是父进程
    if (isParent) {
        while (1) {
            //注冊信号处理
            signal(SIGTERM, handleTerminate);
            //挂起等待信号
            pause();
        }
    }
    //假设是子进程
    else {
        //套接字集合
        fd_set rset;
        //最大套接字
        int maxFd = listenFd;
        std::set<int> fdArray;
        //循环处理事件
        while (1) {
            FD_ZERO(&rset);
            FD_SET(listenFd, &rset);
            //又一次设置每一个须要监听的套接字
            for (std::set<int>::iterator iterator=fdArray.begin();iterator!=fdArray.end();iterator++) {
                FD_SET(*iterator, &rset);
            }
            //開始监听
            if (select(maxFd+1, &rset, NULL, NULL, NULL)<0) {
                fprintf(stderr, "select error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
                continue;
            }
            
            //遍历每一个连接套接字
            for (std::set<int>::iterator iterator=fdArray.begin();iterator!=fdArray.end();) {
                int currentFd = *iterator;
                if (FD_ISSET(currentFd, &rset)) {
                    if (!handleRequest(currentFd)) {
                        close(currentFd);
                        fdArray.erase(iterator++);
                        continue;
                    }
                }
                ++iterator;
            }
            //检查连接监听套接字
            if (FD_ISSET(listenFd, &rset)) {
                if (pthread_mutex_trylock(mutex)==0) {
                    int newFd = accept(listenFd, (struct sockaddr *)NULL, NULL);
                    if (newFd<=0) {
                        fprintf(stderr, "accept socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
                        continue;
                    }
                    //更新最大的套接字
                    if (newFd>maxFd) {
                        maxFd = newFd;
                    }
                    fdArray.insert(newFd);
                    pthread_mutex_unlock(mutex);
                }
            }
        }
    }

    close(listenFd);
    return 0;
}

在以上代码中，还涉及了进程间相互排斥信号量的定义，代码例如以下：

//相互排斥量
pthread_mutex_t *mutex;
//创建共享的mutex
void initMutex()
{
    //设置相互排斥量为进程间共享
    mutex=(pthread_mutex_t*)mmap(NULL, sizeof(pthread_mutex_t), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
    if( MAP_FAILED==mutex) {
        perror("mutex mmap failed");
        exit(1);
    }
    //设置attr的属性
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    int ret = pthread_mutexattr_setpshared(&attr,PTHREAD_PROCESS_SHARED);
    if(ret != 0) {
        fprintf(stderr, "mutex set shared failed");
        exit(1);
    }
    pthread_mutex_init(mutex, &attr);
}

对每一个连接的处理例如以下：

//处理http请求
bool handleRequest(int connFd) {
    if (connFd<=0) return false;
    //读取缓存
    char buff[4096];
    //读取http header
    int len = (int)recv(connFd, buff, sizeof(buff), 0);
    if (len<=0) {
        return false;
    }
    buff[len] = '';
    std::cout<<buff<<std::endl;
    
    return true;
}

这样就实现了一个仿nginx的高并发server。完整的代码例如以下：

#include <iostream>
#include <set>
#include <signal.h>
#include <sys/select.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <fcntl.h>

#include <sys/mman.h>
#include <pthread.h>

#define GET_ARRAY_LEN(array) (sizeof(array) / sizeof(array[0]))
#define PROCESS_NUM 4

//创建socket
int startup(int port) {
    struct sockaddr_in servAddr;
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
    //协议域（ip地址和端口）
    servAddr.sin_family = AF_INET;
    //绑定默认网卡
    servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    //端口
    servAddr.sin_port = htons(port);
    int listenFd;
    //创建套接字
    if ((listenFd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        printf("create socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
        return 0;
    }
    unsigned value = 1;
    setsockopt(listenFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &value, sizeof(value));
    //绑定套接字
    if (bind(listenFd, (struct sockaddr *)&servAddr, sizeof(servAddr))) {
        printf("bind socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
        return 0;
    }
    //開始监听，设置最大连接请求
    if (listen(listenFd, 10) == -1) {
        printf("listen socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
        return 0;
    }
    return listenFd;
}

//管理子进程的数组，数组多大就有几个子进程
static int processArr[PROCESS_NUM];
//创建若干个子进程，返回当前进程是否父进程
bool createSubProcess() {
    for (int i=0; i<GET_ARRAY_LEN(processArr); i++) {
        int pid = fork();
        //假设是子进程，返回0
        if (pid == 0) {
            return false;
        }
        //假设是父进程，继续fork
        else if (pid >0){
            processArr[i] = pid;
            continue;
        }
        //假设出错
        else {
            fprintf(stderr,"can't fork ,error %d
",errno);
            return true;
        }
    }
    return true;
}

//信号处理
void handleTerminate(int signal) {
    for (int i=0; i<GET_ARRAY_LEN(processArr); i++) {
        kill(processArr[i], SIGTERM);
    }
    exit(0);
}

//处理http请求
bool handleRequest(int connFd) {
    if (connFd<=0) return false;
    //读取缓存
    char buff[4096];
    //读取http header
    int len = (int)recv(connFd, buff, sizeof(buff), 0);
    if (len<=0) {
        return false;
    }
    buff[len] = '';
    std::cout<<buff<<std::endl;
    
    return true;
}

//相互排斥量
pthread_mutex_t *mutex;
//创建共享的mutex
void initMutex()
{
    //设置相互排斥量为进程间共享
    mutex=(pthread_mutex_t*)mmap(NULL, sizeof(pthread_mutex_t), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
    if( MAP_FAILED==mutex) {
        perror("mutex mmap failed");
        exit(1);
    }
    //设置attr的属性
    pthread_mutexattr_t attr;
    pthread_mutexattr_init(&attr);
    int ret = pthread_mutexattr_setpshared(&attr,PTHREAD_PROCESS_SHARED);
    if(ret != 0) {
        fprintf(stderr, "mutex set shared failed");
        exit(1);
    }
    pthread_mutex_init(mutex, &attr);
}

int main(int argc, const char * argv[])
{
    int listenFd;
    
    initMutex();
    //设置端口号
    listenFd = startup(8080);
    
    //创建若干个子进程
    bool isParent = createSubProcess();
    //假设是父进程
    if (isParent) {
        while (1) {
            //注冊信号处理
            signal(SIGTERM, handleTerminate);
            //挂起等待信号
            pause();
        }
    }
    //假设是子进程
    else {
        //套接字集合
        fd_set rset;
        //最大套接字
        int maxFd = listenFd;
        std::set<int> fdArray;
        //循环处理事件
        while (1) {
            FD_ZERO(&rset);
            FD_SET(listenFd, &rset);
            //又一次设置每一个须要监听的套接字
            for (std::set<int>::iterator iterator=fdArray.begin();iterator!=fdArray.end();iterator++) {
                FD_SET(*iterator, &rset);
            }
            //開始监听
            if (select(maxFd+1, &rset, NULL, NULL, NULL)<0) {
                fprintf(stderr, "select error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
                continue;
            }
            
            //遍历每一个连接套接字
            for (std::set<int>::iterator iterator=fdArray.begin();iterator!=fdArray.end();) {
                int currentFd = *iterator;
                if (FD_ISSET(currentFd, &rset)) {
                    if (!handleRequest(currentFd)) {
                        close(currentFd);
                        fdArray.erase(iterator++);
                        continue;
                    }
                }
                ++iterator;
            }
            //检查连接监听套接字
            if (FD_ISSET(listenFd, &rset)) {
                if (pthread_mutex_trylock(mutex)==0) {
                    int newFd = accept(listenFd, (struct sockaddr *)NULL, NULL);
                    if (newFd<=0) {
                        fprintf(stderr, "accept socket error: %s(errno: %d)
",strerror(errno),errno);
                        continue;
                    }
                    //更新最大的套接字
                    if (newFd>maxFd) {
                        maxFd = newFd;
                    }
                    fdArray.insert(newFd);
                    pthread_mutex_unlock(mutex);
                }
            }
        }
    }

    close(listenFd);
    return 0;
}

下一篇文章《仿nginx Httpserver的设计与实现（二）——http协议解析》中，将向大家说明怎样对http协议进行解析。

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