Linux多进程的应用

Posted 2021-02-28

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前面的章节介绍socket通信的时候，socket的服务端在同一时间只能和一个客户端通信，并不是服务端有多忙，而是因为单进程的程序在同一时间只能做一件事情，不可能一边等待客户端的新连接一边与其它的客户端进行通信。

一、并发的服务端

如果把socket服务端改为多进程，在每次accept到一个客户端的连接后，生成一个子进程，让子进程负责和这个客户端通信，父进程继续accept客户端的连接，socket的服务端在监听新客户端的同时，还可以与多个客户端进行通信。这就是并发，如下图：

1、服务端

把book248.cpp修改一下，改为多进程。

示例（book250.cpp）

/*
 * 程序名：book250.cpp，此程序用于演示多进程的socket通信服务端。
 * 作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

class CTcpServer
{
public:
  int m_listenfd;   // 服务端用于监听的socket
  int m_clientfd;   // 客户端连上来的socket

  CTcpServer();

  bool InitServer(int port);  // 初始化服务端

  bool Accept();  // 等待客户端的连接

  // 向对端发送报文
  int  Send(const void *buf,const int buflen);
  // 接收对端的报文
  int  Recv(void *buf,const int buflen);

  void CloseClient();    // 关闭客户端的socket
  void CloseListen();    // 关闭用于监听的socket

 ~CTcpServer();
};

CTcpServer TcpServer;

int main()
{
  // signal(SIGCHLD,SIG_IGN);  // 忽略子进程退出的信号，避免产生僵尸进程

  if (TcpServer.InitServer(5051)==false)
  { printf("服务端初始化失败，程序退出。
"); return -1; }

  while (1)
  {
    if (TcpServer.Accept() == false) continue;

    if (fork()>0) { TcpServer.CloseClient(); continue; }  // 父进程回到while，继续Accept。

    // 子进程负责与客户端进行通信，直到客户端断开连接。
    TcpServer.CloseListen();

    printf("客户端已连接。
");

    // 与客户端通信，接收客户端发过来的报文后，回复ok。
    char strbuffer[1024];

    while (1)
    {
      memset(strbuffer,0,sizeof(strbuffer));
      if (TcpServer.Recv(strbuffer,sizeof(strbuffer))<=0) break;
      printf("接收：%s
",strbuffer);

      strcpy(strbuffer,"ok");
      if (TcpServer.Send(strbuffer,strlen(strbuffer))<=0) break;
      printf("发送：%s
",strbuffer);
    }

    printf("客户端已断开连接。
");

    return 0;  // 或者exit(0)，子进程退出。
  }
}

CTcpServer::CTcpServer()
{
  // 构造函数初始化socket
  m_listenfd=m_clientfd=0;
}

CTcpServer::~CTcpServer()
{
  if (m_listenfd!=0) close(m_listenfd);  // 析构函数关闭socket
  if (m_clientfd!=0) close(m_clientfd);  // 析构函数关闭socket
}

// 初始化服务端的socket，port为通信端口
bool CTcpServer::InitServer(int port)
{
  if (m_listenfd!=0) { close(m_listenfd); m_listenfd=0; }

  m_listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);  // 创建服务端的socket

  // 把服务端用于通信的地址和端口绑定到socket上
  struct sockaddr_in servaddr;    // 服务端地址信息的数据结构
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;  // 协议族，在socket编程中只能是AF_INET
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 本主机的任意ip地址
  servaddr.sin_port = htons(port);  // 绑定通信端口
  if (bind(m_listenfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0 )
  { close(m_listenfd); m_listenfd=0; return false; }

  // 把socket设置为监听模式
  if (listen(m_listenfd,5) != 0 ) { close(m_listenfd); m_listenfd=0; return false; }

  return true;
}

bool CTcpServer::Accept()
{
  if ( (m_clientfd=accept(m_listenfd,0,0)) <= 0) return false;

  return true;
}

int CTcpServer::Send(const void *buf,const int buflen)
{
  return send(m_clientfd,buf,buflen,0);
}

int CTcpServer::Recv(void *buf,const int buflen)
{
  return recv(m_clientfd,buf,buflen,0);
}

void CTcpServer::CloseClient()    // 关闭客户端的socket
{
  if (m_clientfd!=0) { close(m_clientfd); m_clientfd=0; }
}

void CTcpServer::CloseListen()    // 关闭用于监听的socket
{
  if (m_listenfd!=0) { close(m_listenfd); m_listenfd=0; }
}

解释一下：

1）在CTcpServer中增加了两个成员函数。

  void CloseClient();    // 关闭客户端的socket
  void CloseListen();    // 关闭用于监听的socket

2）当有客户端连上来的时候，主进程执行fork，这时候会客户端的socket（m_clientfd）被复制了一份，对父进程来说，只负责监听客户端的连接，不需要与客户端通信，所以父进程关闭m_clientfd，注意，父进程关闭m_clientfd对子进程中的m_clientfd没有影响。

3）当有客户端连上来的时候，主进程执行fork，这时候服务端用于监听的socket（m_listenfd）也会被复制了一份，对子进程来说，只需要与客户端通信，不需要监听客户端的连接，所以子进程关闭监听的m_listenfd，同理，子进程关闭m_listenfd对父进程中的m_listenfd没有影响。

4）子进程执行完任务后，要调用retrun或exit(0)退出，如果没有调用return或exit(0)，子进程将又会回到while循环首部。

2、客户端

把book247.cpp修改一下，循环的次数改为50，每次与服务端完成报文交互后sleep一秒，方便观察程序运行的效果。

示例（book249.cpp）

/*
 * 程序名：book249.cpp，此程序对book247.cpp略作修改，用于测试多进程的socket通信客户端
 * 作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

// TCP客户端类
class CTcpClient
{
public:
  int m_sockfd;

  CTcpClient();

  // 向服务器发起连接，serverip-服务端ip，port通信端口
  bool ConnectToServer(const char *serverip,const int port);
  // 向对端发送报文
  int  Send(const void *buf,const int buflen);
  // 接收对端的报文
  int  Recv(void *buf,const int buflen);

 ~CTcpClient();
};

int main()
{
  CTcpClient TcpClient;

  // 向服务器发起连接请求
  if (TcpClient.ConnectToServer("172.16.0.15",5051)==false)
  { printf("TcpClient.ConnectToServer("172.16.0.15",5051) failed,exit...
"); return -1; }

  char strbuffer[1024];

  for (int ii=0;ii<50;ii++)
  {
    memset(strbuffer,0,sizeof(strbuffer));
    sprintf(strbuffer,"这是第%d个超级女生，编号%03d。",ii+1,ii+1);
    if (TcpClient.Send(strbuffer,strlen(strbuffer))<=0) break;
    printf("发送：%s
",strbuffer);

    memset(strbuffer,0,sizeof(strbuffer));
    if (TcpClient.Recv(strbuffer,sizeof(strbuffer))<=0) break;
    printf("接收：%s
",strbuffer);

    sleep(1);  // sleep一秒，方便观察程序的运行。
  }
}

CTcpClient::CTcpClient()
{
  m_sockfd=0;  // 构造函数初始化m_sockfd
}

CTcpClient::~CTcpClient()
{
  if (m_sockfd!=0) close(m_sockfd);  // 析构函数关闭m_sockfd
}

// 向服务器发起连接，serverip-服务端ip，port通信端口
bool CTcpClient::ConnectToServer(const char *serverip,const int port)
{
  m_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); // 创建客户端的socket

  struct hostent* h; // ip地址信息的数据结构
  if ( (h=gethostbyname(serverip))==0 ) 
  { close(m_sockfd); m_sockfd=0; return false; }

  // 把服务器的地址和端口转换为数据结构
  struct sockaddr_in servaddr;
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;
  servaddr.sin_port = htons(port); 
  memcpy(&servaddr.sin_addr,h->h_addr,h->h_length);

  // 向服务器发起连接请求
  if (connect(m_sockfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr))!=0)
  { close(m_sockfd); m_sockfd=0; return false; }

  return true;
}

int CTcpClient::Send(const void *buf,const int buflen)
{
  return send(m_sockfd,buf,buflen,0);
}

int CTcpClient::Recv(void *buf,const int buflen)
{
  return recv(m_sockfd,buf,buflen,0);
}

先启动服务端book250，然后启动多个book249，可以看到服务端可以同时与多个客户端进行通信，查看服务端的进行如下：

注意，服务端book250的主程序的while是一个死循环，没有退出机制，可以按Ctrl+c强制中止它，这不是正确的办法，后面我会介绍正确的方法。

二、僵尸进程

1、僵尸进程产生的原因

一个子进程在调用return或exit(0)结束自己的生命的时候，其实它并没有真正的被销毁，而是留下一个僵尸进程。

先启动服务端程序book250，然后多次启动客户端程序book249，马上查看book250的进程，如下图：

等全部的客户端book249程序运行完成后，再查看book250的进程，如下图。

被选中的就是僵尸进程，有<defunct>标志。

如果按Ctrl+c终止book250后，父进程退出，僵尸进程随之消失。

2、僵尸进程的危害

僵尸进程是子进程结束时，父进程又没有回收子进程占用的资源。

僵尸进程在消失之前会继续占用系统资源。

如果父进程先退出，子进程被系统接管，子进程退出后系统会回收其占用的相关资源，不会成为僵尸进程。父进和先退出的应用场景在以后的章节中介绍。

3、如何解决僵尸进程

解决僵尸进程的方法有两种。

子进程退出之前，会向父进程发送一个信号，父进程调用waid函数等待这个信号，只要等到了，就不会产生僵尸进程。这话说得容易，在并发的服务程序中这是不可能的，因为父进程要做其它的事，例如等待客户端的新连接，不可能去等待子进程的退出信号，这个方法我就不介绍了。

另一种方法就是父进程直接忽略子进程的退出信号，具体做法很简单，在主程序中启用以下代码：

signal(SIGCHLD,SIG_IGN);  // 忽略子进程退出的信号，避免产生僵尸进程

signal函数的用法暂时不介绍，以后会有详细说明。

先启动服务端程序book250，然后多次启动客户端程序book249，等book249运行结束后再查看book250的进程，不再有僵尸进程。

三、应用经验

在学习了多进程的基础知识之后，初学者可能会认为多进程是一个高大上的技术，认为多进程处理数据肯定比单进程快，其实不是。在实际开发中，采用多进程的主要目的是处理多个并发的任务，而不是为了提高程序的效率。

从效率方面来说，某些场景下多进程的效率比单进程低，原因很简单，因为在有限的硬件资源中，多进程程序的内存开销更大，还会产生资源的竞争。就像多个人端着一盆水，不如一个人端着一盆水走得快。

四、课后作业

本章节的重点是介绍多进程的应用场景，属于概念性的知识，代码其实很简单，只要各位理解了多进程应用的原理就行了。

但是，文章中提到的知识点，大家一定要用程序去测试它。

五、版权声明

C语言技术网原创文章，转载请说明文章的来源、作者和原文的链接。
来源：C语言技术网（www.freecplus.net）
作者：码农有道

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