再学 socket 之非阻塞 Server

本文是基于 python2.7 实现，运行于 Mac 系统下

本篇文章是上一篇初探 socket 的续集，
上一篇文章介绍了：如何建立起一个基本的 socket 连接、TCP 和 UDP 的概念、socket 常用参数和方法

Socket 是用来通信、传输数据的对象，上一篇已经研究了如果进行基本的通行和传输数据。因为，在这个互
联网爆发的时代，做为 Server 的 socket 要同时接收很多的请求。

通过阅读：地址，强烈推荐阅读原文。

整理了下面的文字，如何：创建一个 非阻塞的 server。

一、阻塞 Server

• 阻塞 Server 示例
• 为什么会出现阻塞

1.1 阻塞 Server 示例

下面就通过C/S模型，展示阻塞状态：

• 接收其它 socket 请求的 socket 叫做：Server（S）
• 请求 Server 的 socket 叫做：Client（C）

该代码片段分别是：阻塞的 Server 和测试用的 Client：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
#
#   Author  :   XueWeiHan
#   Date    :   17/2/25 上午10:39
#   Desc    :   阻塞 server
import socket
import timeSERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 50007
REQUEST_QUEUE_SIZE = 5def handle_request(client_connection):"""处理请求"""request = client_connection.recv(1024)print('Server recv: {request_data}'.format(request_data=request.decode()))time.sleep(10)  # 模拟阻塞事件http_response = "Hello, I'm server"client_connection.sendall(http_response)def server():listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)print('Server on port {port} ...'.format(port=PORT))while 1:client_connection, client_address = listen_socket.accept()handle_request(client_connection)client_connection.close()if __name__ == '__main__':server()

• REQUEST_QUEUE_SIZE：在 sever 阻塞的时，允许挂起几个连接。便于可以处理时直接从该队列中取得连接，减少建立连接的时间
• time.sleep：用于模拟阻塞

测试用的 Client

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
#
#   Author  :   XueWeiHan
#   Date    :   17/2/25 上午11:13
#   Desc    :   测试 clientimport socketSERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 50007def send_message(s, message):"""发送请求"""s.sendall(message)def client():message = "Hello, I'm client"s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)s.connect(SERVER_ADDRESS)send_message(s, message)print 'Client is Waiting response...'data = s.recv(1024)s.close()print 'Client recv:', repr(data)  # 打印从服务器接收回来的数据if __name__ == '__main__':client()

打开三个终端，先运行 Server，在另外两个终端运行 Client（分别起名为client1、client2），会发现
服务器先接收 client1 的数据，然后返回响应。再此之前 client2 一直处于等待的状态。只有等 Server
处理完 client1 的请求后，才会接收 client2 的数据。

这样一个个地接收请求、处理请求的 Server 就叫做 阻塞 Server。

1.2 为什么会出现阻塞？

因为服务器处理请求是需要消耗时间的，正如我上面的阻塞 Server 代码中的time.sleep(10)，用于模拟
服务器处理请求消耗的时间。

在处理完上一个请求（返回给 Client 数据）的这段时间中，服务器无法处理其它的请求，只能让其它的 Client 等待。这样的效率是
极其低下的，所以下面就介绍如何创建一个非阻塞的 Server

二、非阻塞 Server

• 需要知道的一些基本概念
• 非阻塞 Server 示例（多进程）

后面会用多进程实现 非阻塞socket，在此之前需要了解一些基本知识和概念，便于理解后面的代码。

2.1 需要知道的一些基本概念

• Socket 处理请求的过程
• 进程
• 文件描述符
• 如何查看进程和用户资源

2.1.1 Socket 处理请求的过程

参照上面写的阻塞 Server 的代码，可以看出：服务器端的socket对象，listen_socket 从不和客户端交换数据。它只会通过accept方法接受连接。然后，创建一个新的socket对象，client_connection用于和客户端通信。

所以，服务器端的socket 分为：接受请求的socket（listen_socket） 和 与客户端传输数据的socket（client_connection）。

正如上面说到的，真正阻塞地方是：与客户端传输数据的socket（client_connection） 需要等待处理请求的结果，然后返还给客户端，结束这次通信，才能处理后面的请求。

2.1.2 进程

存在硬盘中的叫做‘程序’（*.py），当程序运行加载到内存中的时候叫做‘进程’。系统会分配给每个进程一个唯一 ID，
这个 ID 叫做：PID ，进程还分为父进程和子进程，父进程（PPID）创建子进程（PID）。关系如下图：

可以通过ps命令来查看进程的信息：每天一个linux命令（41）：ps命令

需要注意：

• 子进程一定要关闭
• 子进程关闭一定要通知父进程，否则会出现‘僵尸进程’
• 一定要先结束父进程，再结束子进程，否则会出现‘孤儿进程’

僵尸进程：一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵尸进程。（系统所能使用的进程号是有限制的，如果大量的产生僵死进程，将因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程。则会抛出OSError: [Errno 35] Resource temporarily unavailable异常）

孤儿进程：一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。（没有危害）

2.1.3 文件描述符

在UNIX中一切都是一个文件，当操作系统打开一存在的个文件的时候，便会返回一个‘文件描述符’，进程通过
操作该文件操作符，从而实现对文件的读写。Socket 是一个操作文件描述符的进程，Python 的 socket
模块提供了这些操作系统底层的实现。我们只需要调用socket对象的方式就可以了。

需要注意：

• 文件描述符的回收机制是采用引用计数方式
• 每次操作完文件描述符需要调用close()方法，关闭文件描述符。道理和进程一样，操作系统都会最多可创建的文本描述符的限制，如果一直不关闭文本描述符的话，导致数量太多无法创建新的，就会抛出OSError: [Errno 24] Too many open file异常。

2.1.4 如何查看进程和用户资源极限

计算机的计算和存储能力都是有限的，统称为计算机资源。

上面说了进程和文件描述符号都是有个最大数量（极限），下面就是用于查看和修改用户资源限制的命令——ulimit。

-a  列出所有当前资源极限。
-c  以 512 字节块为单位，指定核心转储的大小。
-d  以 K 字节为单位指定数据区域的大小。
-f  使用 Limit 参数时设定文件大小极限（以块为单位），或者在未指定参数时报告文件大小极限。缺省值为 -f 标志。
-H  指定设置某个给定资源的硬极限。如果用户拥有 root 用户权限，可以增大硬极限。任何用户均可减少硬极限。
-m  以 K 字节为单位指定物理内存的大小（驻留集合大小）。系统未强制实施此限制。
-n  指定一个进程可以拥有的文件描述符数的极限。
-r  指定对进程拥有线程数的限制。
-s  以 K 字节为单位指定堆栈的大小。
-S  指定为给定的资源设置软极限。软极限可增大到硬极限的值。如果 -H 和 -S 标志均未指定，极限适用于以上二者。
-t  指定每个进程所使用的秒数。
-u  指定对用户可以创建的进程数的限制。

常用命令如下：

• ulimit -a：查看
• ulimit -n：设置一个进程可拥有文件描述符数量
• ulimit -u：最多可以创建多少个进程

2.2 Fork 方式的非阻塞 Server

采用 fork 的方式实现非阻塞 Server，主要原理就是当 socket 接受到（accept）一个请求，就 fork 出一个子进程
去处理这个请求。然后父进程继续接受请求。从而实现并发的处理请求，不需要处理上一个请求才能接受、处理下一个请求。

import errno
import os
import signal
import socketSERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 8888
REQUEST_QUEUE_SIZE = 1024def grim_reaper(signum, frame):while True:try:pid, status = os.waitpid(-1,          # Wait for any child processos.WNOHANG  # Do not block and return EWOULDBLOCK error)except OSError:returnif pid == 0:  # no more zombiesreturndef handle_request(client_connection):request = client_connection.recv(1024)print(request.decode())http_response = b"""\
HTTP/1.1 200 OKHello, World!
"""client_connection.sendall(http_response)def serve_forever():listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)print('Serving HTTP on port {port} ...'.format(port=PORT))signal.signal(signal.SIGCHLD, grim_reaper)while True:try:client_connection, client_address = listen_socket.accept()except IOError as e:code, msg = e.args# restart 'accept' if it was interruptedif code == errno.EINTR:continueelse:raisepid = os.fork()if pid == 0:  # childlisten_socket.close()  # close child copyhandle_request(client_connection)client_connection.close()os._exit(0)else:  # parentclient_connection.close()  # close parent copy and loop overif __name__ == '__main__':serve_forever()

如阅读代码时出现的问题，可以参考下面的关键字：

1. Python os.fork，文件句柄（引用计数）、子进程（pid==0）
2. linux ulimt命令
3. 僵尸进程，如何避免僵尸进程，采用os.wait。
4. python signal模块
5. error.EINTR（慢系统调用：可能永远阻塞的系统调用，例如：socket）
6. 因为过多的子进程并发开始，同时结束，会并发的发出结束的信号，父进程的 signal 一瞬间接收过多的信号，导致了有的信号丢失，这种情况还是会遗留一些僵尸进程。这个时候就需要写一个handle信号的方法。采用waitpid的os.WHOHANG选项，进行死循环。以确保获取到所有 signal
7. OSError 因为waitpid的os.WNOHANG选项，不会阻塞，但是如果没有子进程退出，会抛出OSError，需要 catch 到这个异常，保证父进程接收到了每个子进程的结束信息，从而保证没有僵尸进程。

waitpid()函数的options选项：os.WNOHANG - 如果没有子进程退出，则不阻塞waitpid()调用os.WCONTINUED - 如果子进程从stop状态变为继续执行，则返回进程自前一次报告以来的信息。os.WUNTRACED - 如果子进程被停止过而且其状态信息还没有报告过，则报告子进程的信息。

最后

该非阻塞 Server 是通过操作系统级别的 fork 实现的，用到了多进程和信号机制。

因为多进程解决非阻塞的问题，很好理解，但是十分消耗计算机资源的，后面会介绍更加轻量级的——利用事件循环实现非阻塞 Server。

挖个坑～

参考

• 什么是孤儿进程、僵尸进程
• linux 如何清理僵尸进程
• 什么是pid、ppid
• ulimit 命令