5种服务器网络编程模型

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：

[cpp] view plain copy

1. bind(srvfd);  
2. listen(srvfd);  
3. for(;;){  
4.     clifd = accept(srvfd,...); //开始接受客户端来的连接  
5.     read(clifd,buf,...);       //从客户端读取数据  
6.     dosomthingonbuf(buf);    
7.     write(clifd,buf)          //发送数据到客户端  
8. }  

上面的程序存在如下一些弊端：accept,read,write都可能阻塞

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)

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：

[cpp] view plain copy

1. bind(srvfd);  
2. listen(srvfd);  
3. for(;;){  
4.     clifd=accept(srvfd,...);//开始接受客户端来的连接  
5.     ret=fork();  
6.     switch(ret)  
7.     {  
8.       case-1:  
9.         do_err_handler();  
10.         break;  
11.       case0  :  // 子进程  
12.         client_handler(clifd);  
13.         break;  
14.       default:  // 父进程  
15.         close(clifd);  
16.         continue;  
17.     }  
18. }  
19. //======================================================  
20. voidclient_handler(clifd){  
21.     read(clifd,buf,...);      //从客户端读取数据  
22.     dosomthingonbuf(buf);    
23.     write(clifd,buf)          //发送数据到客户端  
24. }  

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：

[cpp] view plain copy

1. void *thread_callback( void *args ) //线程回调函数  
2. {  
3.         int clifd = *(int *)args ;  
4.         client_handler(clifd);  
5. }  
6. //===============================================================  
7. void client_handler(clifd){  
8.     read(clifd,buf,...);       //从客户端读取数据  
9.     dosomthingonbuf(buf);    
10.     write(clifd,buf)          //发送数据到客户端  
11. }  
12. //===============================================================  
13. bind(srvfd);  
14. listen(srvfd);  
15. for(;;){  
16.     clifd = accept();  
17.     pthread_create(...,thread_callback,&clifd);  
18. }  

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：

[cpp] view plain copy

1. bind(listenfd);  
2. listen(listenfd);  
3. FD_ZERO(&allset);  
4. FD_SET(listenfd,&allset);  
5. for(;;){  
6.     select(...);  
7.     if(FD_ISSET(listenfd,&rset)){    /*有新的客户端连接到来*/  
8.         clifd=accept();  
9.         cliarray[]=clifd;      /*保存新的连接套接字*/  
10.         FD_SET(clifd,&allset);  /*将新的描述符加入监听数组中*/  
11.     }  
12.     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*/  
13.         fd=cliarray[i];  
14.         if(FD_ISSET(fd,&rset))  
15.             dosomething();  
16.     }  
17. }  

示例代码：

/*************************************************************************  > Description:使用select函数实现I/O复用服务器端 ************************************************************************/#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<arpa/inet.h>#include<sys/socket.h>#include<sys/time.h>#include<sys/select.h>void error_handling(char *message);#define BUFF_SIZE 32int main(int argc, char *argv[]){int server_sock;int client_sock;struct sockaddr_in server_addr;struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_addr_size;char buff[BUFF_SIZE];fd_set reads, reads_init;struct timeval timeout, timeout_init;int str_len, i, fd_max, fd_num;if(argc!=2){ //命令行中启动服务程序仅限一个参数：端口号printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}//调用socket函数创建套接字server_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(-1 == server_sock){error_handling("socket() error.");}memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));//调用bind函数分配IP地址和端口号if( -1 == bind( server_sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) ){error_handling("bind() error");}//监听端口的连接请求,连接请求等待队列size为5if( -1 == listen(server_sock, 5) ){error_handling("listen() error");}//register fd_set varFD_ZERO(&reads_init);FD_SET(server_sock, &reads_init);//monitor socket: server_sockFD_SET(0, &reads_init);// stdin also worksfd_max = server_sock;//timeout_init.tv_sec = 5;timeout_init.tv_usec= 0;while(1){//调用select之后，除发生变化的文件描述符对应的bit，其他所有位置0，所以需用保存初值，通过复制使用reads = reads_init;//调用select之后，timeval成员值被置为超时前剩余的时间，因此使用时也需要每次用初值重新初始化timeout = timeout_init;fd_num = select(fd_max+1, &reads, NULL, NULL, &timeout);if(fd_num < 0){fputs("Error select()!", stderr);break;}else if(fd_num == 0){puts("Time-out!");continue;}for(i=0; i<=fd_max; i++){if(FD_ISSET(i, &reads)){if(i == server_sock){//connection request!//接受连接请求client_addr_size = sizeof(client_addr);client_sock = accept( server_sock, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_size );//accept函数自动创建数据I/0 socketif(-1 == client_sock){error_handling("accept() error");//健壮性不佳，程序崩溃退出} else{//注册与客户端连接的套接字文件描述符FD_SET(client_sock, &reads_init);if(fd_max < client_sock) fd_max = client_sock;printf("Connected client : %d\n", client_sock);}}else{//read message!str_len = read(i, buff, BUFF_SIZE);if(str_len){//echo to clientbuff[str_len] = 0;printf("Message from client %d: %s", i, buff);write(i, buff, str_len);}else{ //close connectionFD_CLR(i, &reads_init);close(i);printf("Disconnected client %d!\n", i);}}//end of i==|!=server_sock}//end of if(FD_ISSET)}//end of while}//end of for//断开连接，关闭套接字close(server_sock);return 0;}void error_handling(char *message){fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(EXIT_FAILURE);}

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,实际为红黑树+双端链表)。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：

[cpp] view plain copy

1. struct eventpoll{  
2.     ....  
3.     /*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*/  
4.     struct rb_root  rbr;  
5.     /*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*/  
6.     struct list_head rdlist;  
7.     ....  
8. };  

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：

[cpp] view plain copy

1. structepitem{  
2.     structrb_node  rbn;//红黑树节点  
3.     structlist_head    rdllink;//双向链表节点  
4.     structepoll_filefd  ffd;  //事件句柄信息  
5.     structeventpoll *ep;    //指向其所属的eventpoll对象  
6.     structepoll_eventevent;//期待发生的事件类型  
7. }  

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。

/*************************************************************************  > Description:基于epoll的回声服务器端 ************************************************************************/#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<arpa/inet.h>#include<sys/socket.h>#include<sys/epoll.h>void error_handling(char *message);#define BUFF_SIZE 100#define EPOLL_SIZE 30int main(int argc, char *argv[]){int sock_server;int sock_client;struct sockaddr_in addr_server;struct sockaddr_in addr_client;socklen_t size_addr_client;char buff[BUFF_SIZE];int str_len, i;int epfd, count_event;struct epoll_event *ep_events;struct epoll_event event;if(argc!=2){ //命令行中启动服务程序仅限一个参数：端口号printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}//调用socket函数创建套接字sock_server = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(-1 == sock_server){error_handling("socket() error.");}memset(&addr_server, 0, sizeof(addr_server));addr_server.sin_family = AF_INET;addr_server.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);addr_server.sin_port = htons(atoi(argv[1]));//调用bind函数分配IP地址和端口号if( -1 == bind( sock_server, (struct sockaddr*)&addr_server, sizeof(addr_server)) ){error_handling("bind() error");}//监听端口的连接请求,连接请求等待队列size为5if( -1 == listen(sock_server, 5) ){error_handling("listen() error");}//epollepfd = epoll_create(EPOLL_SIZE);//epfd = epoll_create(0); //epoll_wait() Errorep_events = (struct epoll_event*)malloc(sizeof(struct epoll_event)*EPOLL_SIZE);event.events = EPOLLIN;//监视需用读取数据事件event.data.fd=sock_server;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sock_server, &event);//while(1){count_event = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);if(count_event == -1){puts("epoll_wait() Error");break;}for(i=0; i<count_event; i++){if(ep_events[i].data.fd == sock_server){//接受连接请求size_addr_client = sizeof(addr_client);sock_client = accept( sock_server, (struct sockaddr*)&addr_client, &size_addr_client);event.events = EPOLLIN;event.data.fd = sock_client;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sock_client, &event);printf("Connected client : %d\n", sock_client);}else{str_len = read(ep_events[i].data.fd, buff, BUFF_SIZE);if(str_len){//echo to clientbuff[str_len] = 0;printf("Message from client %d: %s", i, buff);write(ep_events[i].data.fd, buff, str_len);//echo!}else{ //close connectionepoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, ep_events[i].data.fd, NULL);close(ep_events[i].data.fd);printf("Disconnected client %d!\n", ep_events[i].data.fd);}}//end of if()}//end of while}//end of for//断开连接，关闭套接字close(sock_server);close(epfd);//return 0;}void error_handling(char *message){fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(EXIT_FAILURE);}