Linux單線程并發(fā)服務(wù)器探索

劉俊汐，張 文

（1.綿陽中學(xué)，綿陽 621000；2.電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731）

1 引言

大部分的并發(fā)服務(wù)器采用fork子進(jìn)程方式，從而達(dá)到并發(fā)的效果，本文將探索另一種并發(fā)服務(wù)器的設(shè)計(jì)思想，僅使用單線程，就可以完成并發(fā)功能。文中重點(diǎn)講述如何設(shè)計(jì)一個單線程并發(fā)服務(wù)器，需要怎樣的線程結(jié)構(gòu)，以及select函數(shù)在單線程中如何管理眾多的套接字描述符。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，再次強(qiáng)化對select函數(shù)的理解，了解套接字描述符的變化過程。

2 基礎(chǔ)理論

文件描述符是由內(nèi)核創(chuàng)建的文件的索引，指向被打開的文件，涉及I/O的系統(tǒng)調(diào)用都會使用文件描述符。而每個活動的套接字由一個小整數(shù)標(biāo)識，被稱為套接字描述符。由于套接字描述符也存放在文件描述符表中，所以同一進(jìn)程不能擁有相同數(shù)值的文件描述符和套接字描述符。

Select函數(shù)的原型如下：Int select（int maxfdp，fd_set *readfds，fd_set *writefds，fd_set *errorfds，st ruct t imeval *t imeout）。主要講述readrfds和timeout參數(shù)。readfds指向可讀文件描述符集，如果其中某個文件可讀，select的返回值大于0。若沒有處于可讀狀態(tài)的文件，再根據(jù)timeout判斷是否超時，如果超時，select返回0；若select返回負(fù)值，說明出錯。如果不關(guān)心任何文件的讀變化可以將readfds指向NULL。writefds、er rorfds與readfds 類似，都是指向文件描述符集。

timeout指向一個超時時間結(jié)構(gòu)體，通過它控制select的執(zhí)行狀態(tài)，若指向NULL，select將以阻塞方式執(zhí)行，直到事件發(fā)生才返回；若將時間值設(shè)為0，將select變?yōu)橐粋€非阻塞函數(shù)，立刻返回結(jié)果；若timeout值大于0，select僅在timeout時間段內(nèi)阻塞，若事件出現(xiàn)或時鐘超時將返回。

3 設(shè)計(jì)一個單線程并發(fā)服務(wù)器

單線程服務(wù)器中，所有的套接字都由一個線程管理。試想一個單線程服務(wù)器，有許多客戶連接到該服務(wù)器上。線程以阻塞方式等待數(shù)據(jù)的到達(dá)，一旦任何一個連接上有數(shù)據(jù)到達(dá)，線程將被喚醒，并處理請求和發(fā)送響應(yīng)。然后它將再次阻塞，等待其他連接上的數(shù)據(jù)到達(dá)。只要CPU足夠快地應(yīng)付服務(wù)器上出現(xiàn)的工作負(fù)荷，使用單線程就能像使用多線程那樣處理各個請求。

只通過單線程管理所有的套接字，需要使用基礎(chǔ)理論部分提到的select函數(shù)。當(dāng)有新的連接或讀寫I/O準(zhǔn)備就緒，內(nèi)核會自動修改文件描述符集的值。通過將監(jiān)聽套接字和連接套接字都放入select 函數(shù)的可讀文件描述符集中，一旦有新的連接請求或讀I/O準(zhǔn)備就緒，內(nèi)核會將對應(yīng)的套接字描述符置為1，借助FD_ISSET宏函數(shù)來確定具體發(fā)生的事件。所以在程序中，只要能找到發(fā)生變化的套接字描述符，即可以進(jìn)行相應(yīng)的操作。

4 單線程并發(fā)ECHO服務(wù)器設(shè)計(jì)

在客戶端，首先創(chuàng)建一個套接字，通過該套接字與服務(wù)器建立連接，在該套接字上不斷完成寫讀操作。如果客戶端完成請求，則可以斷開與服務(wù)器的連接，釋放資源。

在服務(wù)器端，首先創(chuàng)建監(jiān)聽套接字，將監(jiān)聽套接字放入文件描述符集，通過調(diào)用select函數(shù)，由內(nèi)核修改可讀文件描述符集對應(yīng)位的值，然后判斷是監(jiān)聽套接字就緒還是連接套接字上的讀I/O就緒，若監(jiān)聽套接字就緒，則進(jìn)行連接，并將該套接字描述符加入到活躍文件描述符集afds中；如果連接套接字上的讀I/O就緒，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如圖1所示。

每當(dāng)監(jiān)聽套接字就緒時，即服務(wù)器每連接一個客戶端，調(diào)用accept函數(shù)返回一個連接套接字ssock，并將其放入afds活動文件描述符集中。若可讀文件描述符集中有就緒I/O時，并且文件描述符不是監(jiān)聽套接字msock，便調(diào)用echo（）函數(shù)進(jìn)行回射處理。如果客戶端結(jié)束服務(wù)，將其從對應(yīng)的afds中刪除。

圖1 服務(wù)器端流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先運(yùn)行服務(wù)器端程序。其套接字描述符的打印值如下，監(jiān)聽套接字為23，最大可用的套接字描述符數(shù)量為1024個。看到afds中第24位被置為1，由于僅使用幾個客戶端測試，所以后面的描述符省略不打印。此時服務(wù)器程序阻塞于select函數(shù)。msock is：23。

接著打開一個客戶端，不發(fā)送數(shù)據(jù)。從打印信息顯示此時有一個連接套接字ssock25建立。由于此時有一個客戶端建立連接，內(nèi)核修改r fds的狀態(tài)，將第24位置為1，表明監(jiān)聽套接字就緒，select 函數(shù)得以返回。活動描述符集afds中第24、26被置為1，表示一個監(jiān)聽套接字和一個連接套接字。rfds is：

在客戶端窗口中輸入數(shù)據(jù)sdads，可以看到接收框中顯示相同的數(shù)據(jù)。因?yàn)榇藭r連接套接字25上的網(wǎng)絡(luò)I/O就緒，所以select將rfds的第26位被置為1并返回，活動描述符集afds沒有變化。

圖2 第一個客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)

此時打開第二個客戶端，不發(fā)送數(shù)據(jù)，可以看到顯示連接套接字ssock26，此時rfds的第24位被置為1，表明監(jiān)聽套接字就緒。因?yàn)橛辛诵碌倪B接，所以afds中第27位被置為1。

現(xiàn)在關(guān)閉第一個客戶端，看到rfds的第26位被置1，afds中將25連接套接字對應(yīng)位刪除，只有一個連接套接字（26）和一個監(jiān)聽套接字活躍。

當(dāng)關(guān)閉第二個客戶端時，看到rfds的第27位被置1，afds中將26連接套接字對應(yīng)位刪除，現(xiàn)在只有一個監(jiān)聽套接字活躍。

6 結(jié)束語

由于ECHO服務(wù)器屬于數(shù)據(jù)到達(dá)驅(qū)動，所以能夠使用單線程服務(wù)器完成多線程服務(wù)器的功能。關(guān)鍵是使用了操作系統(tǒng)的異步I/O函數(shù)select，通過select管理服務(wù)器上所有的套接字描述符，由于函數(shù)返回時內(nèi)核會修改套接字描述符集，所以能夠知道有新的連接請求或I/O就緒。

[1] Douglas E.Comer，David L.Stevens.用TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)際互連ü客戶-服務(wù)器編程與應(yīng)用[M].北京∶電子工業(yè)出版社，2008.

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