5种服务器网络编程模型讲解

本文介绍几种服务器网络编程模型。废话不多说，直接正题。

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：

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

上面的程序存在如下一些弊端：

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，具体请参考：程序员的自我修养)

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：

bind(srvfd);listen(srvfd);for(;;){    clifd=accept(srvfd,...);//开始接受客户端来的连接    ret=fork();    switch(ret)    {      case-1:        do_err_handler();        break;      case0  :  // 子进程        client_handler(clifd);        break;      default:  // 父进程        close(clifd);        continue;    }}//======================================================voidclient_handler(clifd){    read(clifd,buf,...);      //从客户端读取数据    dosomthingonbuf(buf);      write(clifd,buf)          //发送数据到客户端}

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：

void *thread_callback( void *args ) //线程回调函数{        int clifd = *(int *)args ;        client_handler(clifd);}//===============================================================void client_handler(clifd){    read(clifd,buf,...);       //从客户端读取数据    dosomthingonbuf(buf);      write(clifd,buf)          //发送数据到客户端}//===============================================================bind(srvfd);listen(srvfd);for(;;){    clifd = accept();    pthread_create(...,thread_callback,&clifd);}

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：

bind(listenfd);listen(listenfd);FD_ZERO(&allset);FD_SET(listenfd,&allset);for(;;){    select(...);    if(FD_ISSET(listenfd,&rset)){    /*有新的客户端连接到来*/        clifd=accept();        cliarray[]=clifd;      /*保存新的连接套接字*/        FD_SET(clifd,&allset);  /*将新的描述符加入监听数组中*/    }    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*/        fd=cliarray[i];        if(FD_ISSET(fd,&rset))            dosomething();    }}

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)。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：

struct eventpoll{    ....    /*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*/    struct rb_root  rbr;    /*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*/    struct list_head rdlist;    ....};

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：

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

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。

最后，附上一个epoll编程实例。(此代码作者为sparkliang)

//   // a simple echo server using epoll in linux  //   // 2009-11-05  // 2013-03-22:修改了几个问题，1是/n格式问题，2是去掉了原代码不小心加上的ET模式;// 本来只是简单的示意程序，决定还是加上 recv/send时的buffer偏移// by sparkling  //   #include <sys/socket.h>  #include <sys/epoll.h>  #include <netinet/in.h>  #include <arpa/inet.h>  #include <fcntl.h>  #include <unistd.h>  #include <stdio.h>  #include <errno.h>  #include <iostream>  usingnamespacestd; #define MAX_EVENTS 500  structmyevent_s {    intfd;    void(*call_back)(intfd,intevents,void*arg);    intevents;    void*arg;    intstatus;// 1: in epoll wait list, 0 not in     charbuff[128];// recv data buffer     intlen,s_offset;    longlast_active;// last active time  }; // set event  voidEventSet(myevent_s*ev,intfd,void(*call_back)(int,int,void*),void*arg) {    ev->fd=fd;    ev->call_back=call_back;    ev->events=0;    ev->arg=arg;    ev->status=0;   bzero(ev->buff,sizeof(ev->buff));   ev->s_offset=0;    ev->len=0;   ev->last_active=time(NULL); } // add/mod an event to epoll  voidEventAdd(intepollFd,intevents,myevent_s*ev) {    structepoll_eventepv={0,{0}};    intop;    epv.data.ptr=ev;    epv.events=ev->events=events;    if(ev->status==1){        op=EPOLL_CTL_MOD;    }    else{        op=EPOLL_CTL_ADD;        ev->status=1;    }    if(epoll_ctl(epollFd,op,ev->fd,&epv)<0)        printf("Event Add failed[fd=%d], evnets[%d]\n",ev->fd,events);    else        printf("Event Add OK[fd=%d], op=%d, evnets[%0X]\n",ev->fd,op,events); } // delete an event from epoll  voidEventDel(intepollFd,myevent_s*ev) {    structepoll_eventepv={0,{0}};    if(ev->status!=1)return;    epv.data.ptr=ev;    ev->status=0;   epoll_ctl(epollFd,EPOLL_CTL_DEL,ev->fd,&epv); } intg_epollFd; myevent_sg_Events[MAX_EVENTS+1];// g_Events[MAX_EVENTS] is used by listen fd  voidRecvData(intfd,intevents,void*arg); voidSendData(intfd,intevents,void*arg); // accept new connections from clients  voidAcceptConn(intfd,intevents,void*arg) {    structsockaddr_insin;    socklen_tlen=sizeof(structsockaddr_in);    intnfd,i;    // accept     if((nfd=accept(fd,(structsockaddr*)&sin,&len))==-1)    {        if(errno!=EAGAIN&&errno!=EINTR)        {        }       printf("%s: accept, %d",__func__,errno);        return;    }    do    {        for(i=0;i<MAX_EVENTS;i++)        {            if(g_Events[i].status==0)            {                break;            }        }        if(i==MAX_EVENTS)        {            printf("%s:max connection limit[%d].",__func__,MAX_EVENTS);            break;        }        // set nonblocking       intiret=0;       if((iret=fcntl(nfd,F_SETFL,O_NONBLOCK))<0)       {           printf("%s: fcntl nonblocking failed:%d",__func__,iret);           break;       }       // add a read event for receive data         EventSet(&g_Events[i],nfd,RecvData,&g_Events[i]);        EventAdd(g_epollFd,EPOLLIN,&g_Events[i]);    }while(0);    printf("new conn[%s:%d][time:%d], pos[%d]\n",inet_ntoa(sin.sin_addr),           ntohs(sin.sin_port),g_Events[i].last_active,i); } // receive data  voidRecvData(intfd,intevents,void*arg) {    structmyevent_s*ev=(structmyevent_s*)arg;    intlen;    // receive data   len=recv(fd,ev->buff+ev->len,sizeof(ev->buff)-1-ev->len,0);      EventDel(g_epollFd,ev);   if(len>0)   {       ev->len+=len;       ev->buff[len]='\0';        printf("C[%d]:%s\n",fd,ev->buff);        // change to send event         EventSet(ev,fd,SendData,ev);        EventAdd(g_epollFd,EPOLLOUT,ev);    }    elseif(len==0)    {        close(ev->fd);        printf("[fd=%d] pos[%d], closed gracefully.\n",fd,ev-g_Events);    }    else    {        close(ev->fd);        printf("recv[fd=%d] error[%d]:%s\n",fd,errno,strerror(errno));    } } // send data  voidSendData(intfd,intevents,void*arg) {    structmyevent_s*ev=(structmyevent_s*)arg;    intlen;    // send data     len=send(fd,ev->buff+ev->s_offset,ev->len-ev->s_offset,0);   if(len>0)    {       printf("send[fd=%d], [%d<->%d]%s\n",fd,len,ev->len,ev->buff);       ev->s_offset+=len;       if(ev->s_offset==ev->len)       {           // change to receive event           EventDel(g_epollFd,ev);            EventSet(ev,fd,RecvData,ev);            EventAdd(g_epollFd,EPOLLIN,ev);        }   }    else    {        close(ev->fd);        EventDel(g_epollFd,ev);        printf("send[fd=%d] error[%d]\n",fd,errno);    } } voidInitListenSocket(intepollFd,shortport) {    intlistenFd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);    fcntl(listenFd,F_SETFL,O_NONBLOCK);// set non-blocking     printf("server listen fd=%d\n",listenFd);    EventSet(&g_Events[MAX_EVENTS],listenFd,AcceptConn,&g_Events[MAX_EVENTS]);    // add listen socket     EventAdd(epollFd,EPOLLIN,&g_Events[MAX_EVENTS]);    // bind & listen     sockaddr_insin;    bzero(&sin,sizeof(sin));    sin.sin_family=AF_INET;    sin.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;    sin.sin_port=htons(port);    bind(listenFd,(constsockaddr*)&sin,sizeof(sin));    listen(listenFd,5); } intmain(intargc,char**argv) {    unsignedshortport=12345;// default port     if(argc==2){        port=atoi(argv[1]);    }    // create epoll     g_epollFd=epoll_create(MAX_EVENTS);    if(g_epollFd<=0)printf("create epoll failed.%d\n",g_epollFd);    // create & bind listen socket, and add to epoll, set non-blocking     InitListenSocket(g_epollFd,port);    // event loop     structepoll_eventevents[MAX_EVENTS];    printf("server running:port[%d]\n",port);    intcheckPos=0;    while(1){        // a simple timeout check here, every time 100, better to use a mini-heap, and add timer event         longnow=time(NULL);        for(inti=0;i<100;i++,checkPos++)// doesn't check listen fd         {            if(checkPos==MAX_EVENTS)checkPos=0;// recycle             if(g_Events[checkPos].status!=1)continue;            longduration=now-g_Events[checkPos].last_active;            if(duration>=60)// 60s timeout             {                close(g_Events[checkPos].fd);                printf("[fd=%d] timeout[%d--%d].\n",g_Events[checkPos].fd,g_Events[checkPos].last_active,now);                EventDel(g_epollFd,&g_Events[checkPos]);            }        }        // wait for events to happen         intfds=epoll_wait(g_epollFd,events,MAX_EVENTS,1000);        if(fds<0){            printf("epoll_wait error, exit\n");            break;        }        for(inti=0;i<fds;i++){            myevent_s*ev=(structmyevent_s*)events[i].data.ptr;            if((events[i].events&EPOLLIN)&&(ev->events&EPOLLIN))// read event             {                ev->call_back(ev->fd,events[i].events,ev->arg);            }            if((events[i].events&EPOLLOUT)&&(ev->events&EPOLLOUT))// write event             {                ev->call_back(ev->fd,events[i].events,ev->arg);            }        }    }    // free resource     return0; }  

作者：快课网——Jay13

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参考：《深入理解Nginx》

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