accept的阻塞与非阻塞

C网络编程：Server处理多个Client(多进程server方法和 non-blocking与select结合)

参看基于TCP/UDP的socket代码，同一时间Server只能处理一个Client请求：在使用当前连接的socket和client进行交互的时候，不能够accept新的连接请求。为了使Server能够处理多个Client请求，常见的方法：

多进程方法(每个子进程单独处理一个client连接)

在每个accept成功之后，使用fork创建一个子进程专门处理该client的connection，父进程(server)本身可以继续accept其他新的client的连接请求。具体如下：

 #include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <unistd.h>#include <signal.h>#include <sys/wait.h>#define DEFAULT_PORT    1984    //默认端口

 #define BUFFER_SIZE       1024    //buffer大小void sigCatcher(int n) {//printf("a child process dies\n");while(waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);}int clientProcess(int new_sock);int main(int argc, char *argv[]) {unsigned short int port;//get port, use default if not setif (argc == 2) {port = atoi(argv[1]);} else if (argc < 2) {port = DEFAULT_PORT;} else {fprintf(stderr, "USAGE: %s [port]\n", argv[0]);return 1;}//create socketint sock;if ( (sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ) {perror("socket failed, ");return 1;}printf("socket done\n");//create socket address and initializestruct sockaddr_in bind_addr;memset(&bind_addr, 0, sizeof(bind_addr));bind_addr.sin_family = AF_INET;bind_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //设置接受任意地址bind_addr.sin_port = htons(port);               //将host byte order转换为network byte order//bind (bind socket to the created socket address)if ( bind(sock, (struct sockaddr *) &bind_addr, sizeof(bind_addr)) == -1 ) {perror("bind failed, ");return 1;}printf("bind done\n");//listenif ( listen(sock, 5) == -1) {perror("listen failed.");return 1;}printf("listen done\n");//handler to clear zombie processsignal(SIGCHLD, sigCatcher);//loop and respond to clientint new_sock;int pid;while (1) {//wait for a connection, then accept itif ( (new_sock = accept(sock, NULL, NULL)) == -1 ) {perror("accept failed.");return 1;}printf("accept done\n");pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork failed");return 1;} else if (pid == 0) {//这里是子进程close(sock);            //子进程中不需要server的sockclientProcess(new_sock);    //使用新的new_sock和client进行交互close(new_sock);        //关闭client的连接exit(EXIT_SUCCESS);     //子进程退出} else {//这里是父进程close(new_sock); //由于new_sock已经交给子进程处理，这里可以关闭了}}return 0;}int clientProcess(int new_sock) {int recv_size;char buffer[BUFFER_SIZE];memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);if ( (recv_size = recv(new_sock, buffer, sizeof(buffer), 0)) == -1) {perror("recv failed");return 1;}printf("%s\n", buffer);char *response = "This is the response";if ( send(new_sock, response, strlen(response) + 1, 0) == -1 ) {perror("send failed");return 1;}return 0;}

其中的signal(SIGCHLD, sigCatcher)代码为了处理zombie process问题：当server进程运行时间较长，且产生越来越多的子进程，当这些子进程运行结束都会成为zombie process，占据系统的process table。解决方法是在父进程(server进程)中显式地处理子进程结束之后发出的SIGCHLD信号：调用wait/waitpid清理子进程的zombie信息。

测试：运行server程序，然后同时运行2个client(telnet localhost 1984)，可看到该server能够很好地处理2个client。

多进程方法的优点：

每个独立进程处理一个独立的client，对server进程来说只需要accept新的连接，对每个子进程来说只需要处理自己的client即可。

多进程方法的缺点：

子进程的创建需要独立的父进程资源副本，开销较大，对高并发的请求不太适合；且一个进程仅处理一个client不能有效发挥作用。另外有些情况下还需要进程间进行通信以协调各进程要完成的任务。

使用select实现non-blocking socket(single process concurrent server)

blocking socket VS non-blocking socket

默认情况下socket是blocking的，即函数accept(), recv/recvfrom, send/sendto，connect等，需等待函数执行结束之后才能够返回(此时操作系统切换到其他进程执行)。accpet()等待到有client连接请求并接受成功之后，recv/recvfrom需要读取完client发送的数据之后才能够返回。

可设置socket为non-blocking模式，即调用函数立即返回，而不是必须等待满足一定条件才返回。参看http://www.scottklement.com/rpg/socktut/nonblocking.html

 non-blocking: by default, sockets are blocking - this means that they stop the function from returning until all data has been transfered. With multiple connections which may or may not be transmitting data to a server, this would not be very good as connections may have to wait to transmit their data.

设置socket为非阻塞non-blocking

使用socket()创建的socket(file descriptor)，默认是阻塞的(blocking)；使用函数fcntl()(file control)可设置创建的socket为非阻塞的non-blocking。

 #include <unistd.h>#include <fcntl.h>sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);int flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

这样使用原本blocking的各种函数，可以立即获得返回结果。通过判断返回的errno了解状态：

accept():

在non-blocking模式下，如果返回值为-1，且errno == EAGAIN或errno == EWOULDBLOCK表示no connections没有新连接请求；

recv()/recvfrom():

在non-blocking模式下，如果返回值为-1，且errno == EAGAIN表示没有可接受的数据或很在接受尚未完成；

send()/sendto():

在non-blocking模式下，如果返回值为-1，且errno == EAGAIN或errno == EWOULDBLOCK表示没有可发送数据或数据发送正在进行没有完成。

read/write:

在non-blocking模式下，如果返回-1，且errno == EAGAIN表示没有可读写数据或可读写正在进行尚未完成。

connect():

在non-bloking模式下，如果返回-1，且errno = EINPROGRESS表示正在连接。

使用如上方法，可以创建一个non-blocking的server的程序，类似如下代码：

 int main(int argc, char *argv[]) {int sock;if ( (sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ) {perror("socket failed");return 1;}//set socket to be non-blockingint flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);//create socket address to bindstruct sockaddr_in bind_addr...//bindbind(...)...//listenlisten(...)...//loop int new_sock;while (1) {new_sock = accept(sock, NULL, NULL);if (new_sock == -1 && errno == EAGAIN) {fprintf(stderr, "no client connections yet\n");continue;} else if (new_sock == -1) {perror("accept failed");return 1;}//read and write...}   ...}

纯non-blocking程序缺点：如果运行如上程序会发现调用accept可以理解返回，但这样会耗费大量的CPU time，实际中并不会这样使用。实际中将non-blocking和select结合使用。

non-blocking和select结合使用

select通过轮询，监视指定file descriptor(包括socket)的变化，知道:哪些ready for reading, 哪些ready for writing，哪些发生了错误等。select和non-blocking结合使用可很好地实现socket的多client同步通信。

select函数：

 #include <sys/time.h>#include <sys/types.h>#include <unistd.h>int select(int maxfd, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* errorfds, struct timeval* timeout);//maxfd: 所有set中最大的file descriptor + 1//readfds: 指定要侦听ready to read的file descriptor，可以为NULL//writefds: 指定要侦听ready to write的file descriptor，可以为NULL//errorfds: 指定要侦听errors的file descriptor，可以为NULL//timeout: 指定侦听到期的时间长度，如果该struct timeval的各个域都为0，则相当于完全的non-blocking模式；如果该参数为NULL，相当于block模式；//select返回total number of bits set in readfds, writefds and errorfds，当timeout的时候返回0，发生错误返回-1。//另外select会更新readfds(保存ready to read的file descriptor), writefds(保存read to write的fd), errorfds(保存error的fd)，且更新timeout为距离超时时刻的剩余时间。

另外，fd_set类型需要使用如下4个宏进行赋值：

 FD_ZERO(fd_set *set);       //Clear all entries from the set.FD_SET(int fd, fd_set *set);    //Add fd to the set.FD_CLR(int fd, fd_set *set);    //Remove fd from the set.FD_ISSET(int fd, fd_set *set);  //Return true if fd is in the set.

因此通过如下代码可以将要侦听的file descriptor/socket添加到响应的fd_set中，例如：

 fd_set readfds;FD_ZERO(&readfds);int sock;sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);FD_SET(sock, &readfds);     //将新创建的socket添加到readfds中FD_SET(stdin, &readfds);    //将stdin添加到readfds中

struct timeval类型：

 struct timeval {int tv_sec;     //secondsint tv_usec;    //microseconds，注意这里是微秒不是毫秒，1秒 = 1000, 000微秒};

因此，使用select函数可以添加希望侦听的file descriptor/socket到read, write或error中(如果对某一项不感兴趣，可以设置为NULL)，并设置每次侦听的timeout时间。

注意如果设置timeout为：

 struct timeval timeout;timeout.tv_sec = 0;timeout.tv_usec = 0;

相当于每次select立即返回相当于纯non-blocking模式；

如果设置timeout参数为NULL，则每次select持续等待到有变化则相当于blocking模式。

使用select和non-blocking实现server处理多client实例：

 #include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <errno.h>#include <sys/time.h>#define DEFAULT_PORT    1984    //默认端口#define BUFF_SIZE       1024    //buffer大小#define SELECT_TIMEOUT  5       //select的timeout seconds//函数：设置sock为non-blocking modevoid setSockNonBlock(int sock) {int flags;flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);if (flags < 0) {perror("fcntl(F_GETFL) failed");exit(EXIT_FAILURE);}if (fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) < 0) {perror("fcntl(F_SETFL) failed");exit(EXIT_FAILURE);}}//函数：更新maxfdint updateMaxfd(fd_set fds, int maxfd) {int i;int new_maxfd = 0;for (i = 0; i <= maxfd; i++) {if (FD_ISSET(i, &fds) && i > new_maxfd) {new_maxfd = i;}}return new_maxfd;}int main(int argc, char *argv[]) {unsigned short int port;//获取自定义端口if (argc == 2) {port = atoi(argv[1]);} else if (argc < 2) {port = DEFAULT_PORT;} else {fprintf(stderr, "USAGE: %s [port]\n", argv[0]);exit(EXIT_FAILURE);}//创建socketint sock;if ( (sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ) {perror("socket failed, ");exit(EXIT_FAILURE);}printf("socket done\n");//in case of 'address already in use' error messageint yes = 1;if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(int))) {perror("setsockopt failed");exit(EXIT_FAILURE);}//设置sock为non-blockingsetSockNonBlock(sock);//创建要bind的socket addressstruct sockaddr_in bind_addr;memset(&bind_addr, 0, sizeof(bind_addr));bind_addr.sin_family = AF_INET;bind_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //设置接受任意地址bind_addr.sin_port = htons(port);               //将host byte order转换为network byte order//bind sock到创建的socket address上if ( bind(sock, (struct sockaddr *) &bind_addr, sizeof(bind_addr)) == -1 ) {perror("bind failed, ");exit(EXIT_FAILURE);}printf("bind done\n");//listenif ( listen(sock, 5) == -1) {perror("listen failed.");exit(EXIT_FAILURE);}printf("listen done\n");//创建并初始化select需要的参数(这里仅监视read)，并把sock添加到fd_set中fd_set readfds;fd_set readfds_bak; //backup for readfds(由于每次select之后会更新readfds，因此需要backup)struct timeval timeout;int maxfd;maxfd = sock;FD_ZERO(&readfds);FD_ZERO(&readfds_bak);FD_SET(sock, &readfds_bak);//循环接受client请求int new_sock;struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_addr_len;char client_ip_str[INET_ADDRSTRLEN];int res;int i;char buffer[BUFF_SIZE];int recv_size;while (1) {//注意select之后readfds和timeout的值都会被修改，因此每次都进行重置readfds = readfds_bak;maxfd = updateMaxfd(readfds, maxfd);        //更新maxfdtimeout.tv_sec = SELECT_TIMEOUT;timeout.tv_usec = 0;printf("selecting maxfd=%d\n", maxfd);//select(这里没有设置writefds和errorfds，如有需要可以设置)res = select(maxfd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);if (res == -1) {perror("select failed");exit(EXIT_FAILURE);} else if (res == 0) {fprintf(stderr, "no socket ready for read within %d secs\n", SELECT_TIMEOUT);continue;}//检查每个socket，并进行读(如果是sock则accept)for (i = 0; i <= maxfd; i++) {if (!FD_ISSET(i, &readfds)) {continue;}//可读的socketif ( i == sock) {//当前是server的socket，不进行读写而是accept新连接client_addr_len = sizeof(client_addr);new_sock = accept(sock, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_addr_len);if (new_sock == -1) {perror("accept failed");exit(EXIT_FAILURE);}if (!inet_ntop(AF_INET, &(client_addr.sin_addr), client_ip_str, sizeof(client_ip_str))) {perror("inet_ntop failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("accept a client from: %s\n", client_ip_str);//设置new_sock为non-blockingsetSockNonBlock(new_sock);//把new_sock添加到select的侦听中if (new_sock > maxfd) {maxfd = new_sock;}FD_SET(new_sock, &readfds_bak);} else {//当前是client连接的socket，可以写(read from client)memset(buffer, 0, sizeof(buffer));if ( (recv_size = recv(i, buffer, sizeof(buffer), 0)) == -1 ) {perror("recv failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("recved from new_sock=%d : %s(%d length string)\n", i, buffer, recv_size);//立即将收到的内容写回去，并关闭连接if ( send(i, buffer, recv_size, 0) == -1 ) {perror("send failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("send to new_sock=%d done\n", i);if ( close(i) == -1 ) {perror("close failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("close new_sock=%d done\n", i);//将当前的socket从select的侦听中移除FD_CLR(i, &readfds_bak);}}}return 0;}

编译并运行如上程序，然后尝试使用多个telnet localhost 1984连接该server。可以发现各个connection很好地独立工作。因此，使用select可实现一个进程尽最大所能地处理尽可能多的client。