Linux多进程的应用
iamplane 2020-04-20
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。\n"); 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。\n");
// 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\n",strbuffer);
strcpy(strbuffer,"ok");
if (TcpServer.Send(strbuffer,strlen(strbuffer))<=0) break;
printf("发送：%s\n",strbuffer);
}
printf("客户端已断开连接。\n");
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...\n"); 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\n",strbuffer);
memset(strbuffer,0,sizeof(strbuffer));
if (TcpClient.Recv(strbuffer,sizeof(strbuffer))<=0) break;
printf("接收：%s\n",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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