Socket编程基础8 - 进程池和并发模型

C/C++ Linux编程网络编程 socket 《Linux高性能服务器编程》进程池并发模型

 2020/07/03 

这一章节我其实不想写，因为我对并发模型还不是很熟悉，只是想分析下《Linux高性能服务器编程》中的几个例子。

半同步/半异步进程池实例

进程池通过先创建一定数量的进程，从而减少程序运行时创建进程的开销。这里的半同步/半异步并不是指I/O的同步和异步，而是指并发模式中的同步/异步。简单来说，同步就是顺序运行的程序，异步就是非顺序运行的程序，比如处理信号事件等。

半同步/半异步指的是在该模型中，有部分进程是同步，有部分进程是异步的。比如图1这个模型：

图1. 半同步/半异步进程模型

主线程/进程是异步的，它会异步地接收客户端发送的连接、数据传输请求，然后将其放入队列，子线程/进程会通过队列同步地获取这些请求并进行处理。图2是一种高效的半同步/半异步进程模型(实际上该模型全部都是异步了)：

图2. 高效的半同步/半异步进程模型

在这个模型中，主线程/进程只负责监听是否有新的连接到来，其它所有的工作都由子线程/进程来完成(包括数据传输的请求)。

代码分析

重要部分的代码我都添加注释了，这里简单讲讲不同进程的工作。

进程池创建时会创建若干个子进程。主进程只监听客户端连接的请求，收到请求后，选择一个可用的进程，通过管道发送请求信息。子进程收到后，调用accept()函数完成连接。如果客户端需要对建立好的连接发送信息，主进程是不会收到请求的，只有建立连接的子进程才会收到请求并作相应处理。

#ifndef PROCESSPOOL_H
#define PROCESSPOOL_H

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>

class process
{
public:
    process() : m_pid( -1 ){}

public:
    pid_t m_pid;
    int m_pipefd[2];
};

template< typename T >
class processpool
{
// 只能使用create()创建进程池
private:
    processpool( int listenfd, int process_number = 8 );
public:
    static processpool< T >* create( int listenfd, int process_number = 8 )
    {
        if( !m_instance )
        {
            m_instance = new processpool< T >( listenfd, process_number );
        }
        return m_instance;
    }
    ~processpool()
    {
        delete [] m_sub_process;
    }
    void run();

private:
    void setup_sig_pipe();
    void run_parent();
    void run_child();

private:
    static const int MAX_PROCESS_NUMBER = 16;
    static const int USER_PER_PROCESS = 65536;
    static const int MAX_EVENT_NUMBER = 10000;
    int m_process_number;
    int m_idx;              // 进程在进程池中的的id(主进程是-1)
    int m_epollfd;          // epoll文件描述符
    int m_listenfd;         // 监听socket
    int m_stop;
    process* m_sub_process; // 存储子进程信息的数组
    static processpool< T >* m_instance;
};
template< typename T >
processpool< T >* processpool< T >::m_instance = NULL;

// 用于信号和进程通信的管道
static int sig_pipefd[2];

static int setnonblocking( int fd )
{
    int old_option = fcntl( fd, F_GETFL );
    int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
    fcntl( fd, F_SETFL, new_option );
    return old_option;
}

static void addfd( int epollfd, int fd )
{
    epoll_event event;
    event.data.fd = fd;
    event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event );
    setnonblocking( fd );
}

static void removefd( int epollfd, int fd )
{
    epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, 0 );
    close( fd );
}

static void sig_handler( int sig )
{
    int save_errno = errno;
    int msg = sig;
    send( sig_pipefd[1], ( char* )&msg, 1, 0 );
    errno = save_errno;
}

static void addsig( int sig, void( handler )(int), bool restart = true )
{
    struct sigaction sa;
    memset( &sa, '\0', sizeof( sa ) );
    sa.sa_handler = handler;
    if( restart )
    {
        sa.sa_flags |= SA_RESTART;
    }
    sigfillset( &sa.sa_mask );
    assert( sigaction( sig, &sa, NULL ) != -1 );
}

template< typename T >
processpool< T >::processpool( int listenfd, int process_number )
    : m_listenfd( listenfd ), m_process_number( process_number ), m_idx( -1 ), m_stop( false )
{
    assert( ( process_number > 0 ) && ( process_number <= MAX_PROCESS_NUMBER ) );

    m_sub_process = new process[ process_number ];
    assert( m_sub_process );

    for( int i = 0; i < process_number; ++i )
    {
        // 每个子进程都创建一个用于双向通信的管道 
        int ret = socketpair( PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, m_sub_process[i].m_pipefd );
        assert( ret == 0 );
        
        // 创建子进程
        m_sub_process[i].m_pid = fork();
        assert( m_sub_process[i].m_pid >= 0 );
        if( m_sub_process[i].m_pid > 0 )
        {
            // 主进程关闭pipdf[1]，只保留pipfd[0]用于通信 
            close( m_sub_process[i].m_pipefd[1] );
            continue;
        }
        else
        {
            // 子进程关闭pipdf[0]，只保留pipfd[1]用于通信 
            close( m_sub_process[i].m_pipefd[0] );
            // 更新进程在进程池中的id 
            m_idx = i;
            break;
        }
    }
}

template< typename T >
void processpool< T >::setup_sig_pipe()
{
    // 创建epoll文件描述符并将信号添加进去
    m_epollfd = epoll_create( 5 );
    assert( m_epollfd != -1 );

    int ret = socketpair( PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sig_pipefd );
    assert( ret != -1 );

    setnonblocking( sig_pipefd[1] );
    addfd( m_epollfd, sig_pipefd[0] );

    addsig( SIGCHLD, sig_handler );
    addsig( SIGTERM, sig_handler );
    addsig( SIGINT, sig_handler );
    addsig( SIGPIPE, SIG_IGN );
}

template< typename T >
void processpool< T >::run()
{
    // 根据进程池中的进程id，运行不同的进程程序
    if( m_idx != -1 )
    {
        run_child();
        return;
    }
    run_parent();
}

template< typename T >
void processpool< T >::run_child()
{
    setup_sig_pipe();

    int pipefd = m_sub_process[m_idx].m_pipefd[ 1 ];
    addfd( m_epollfd, pipefd );

    epoll_event events[ MAX_EVENT_NUMBER ];
    T* users = new T [ USER_PER_PROCESS ];
    assert( users );
    int number = 0;
    int ret = -1;

    while( ! m_stop )
    {
        number = epoll_wait( m_epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1 );
        if ( ( number < 0 ) && ( errno != EINTR ) )
        {
            printf( "epoll failure\n" );
            break;
        }

        for ( int i = 0; i < number; i++ )
        {
            int sockfd = events[i].data.fd;
            // 接收到主进程的信息(有新的连接到来) 
            if( ( sockfd == pipefd ) && ( events[i].events & EPOLLIN ) )
            {
                int client = 0;
                ret = recv( sockfd, ( char* )&client, sizeof( client ), 0 );
                if( ( ( ret < 0 ) && ( errno != EAGAIN ) ) || ret == 0 ) 
                {
                    continue;
                }
                else
                {   
                    // 开始接受新的连接
                    struct sockaddr_in client_address;
                    socklen_t client_addrlength = sizeof( client_address );
                    int connfd = accept( m_listenfd, ( struct sockaddr* )&client_address, &client_addrlength );
                    if ( connfd < 0 )
                    {
                        printf( "errno is: %d\n", errno );
                        continue;
                    }
                    // 添加fd到epoll fd，为之后接收客户端数据做准备
                    addfd( m_epollfd, connfd );
                    users[connfd].init( m_epollfd, connfd, client_address );
                }
            }
            // 子进程同样需要处理信号
            else if( ( sockfd == sig_pipefd[0] ) && ( events[i].events & EPOLLIN ) )
            {
                int sig;
                char signals[1024];
                ret = recv( sig_pipefd[0], signals, sizeof( signals ), 0 );
                if( ret <= 0 )
                {
                    continue;
                }
                else
                {
                    for( int i = 0; i < ret; ++i )
                    {
                        switch( signals[i] )
                        {
                            case SIGCHLD:
                            {
                                pid_t pid;
                                int stat;
                                while ( ( pid = waitpid( -1, &stat, WNOHANG ) ) > 0 )
                                {
                                    continue;
                                }
                                break;
                            }
                            case SIGTERM:
                            case SIGINT:
                            {
                                m_stop = true;
                                break;
                            }
                            default:
                            {
                                break;
                            }
                        }
                    }
                }
            }
            // 开始处理客户端发送的信息
            else if( events[i].events & EPOLLIN )
            {
                 users[sockfd].process();
            }
            else
            {
                continue;
            }
        }
    }

    delete [] users;
    users = NULL;
    close( pipefd );
    //close( m_listenfd );
    close( m_epollfd );
}

template< typename T >
void processpool< T >::run_parent()
{
    setup_sig_pipe();

    addfd( m_epollfd, m_listenfd );

    epoll_event events[ MAX_EVENT_NUMBER ];
    int sub_process_counter = 0;
    int new_conn = 1;
    int number = 0;
    int ret = -1;

    while( ! m_stop )
    {
        number = epoll_wait( m_epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1 );
        if ( ( number < 0 ) && ( errno != EINTR ) )
        {
            printf( "epoll failure\n" );
            break;
        }

        for ( int i = 0; i < number; i++ )
        {
            int sockfd = events[i].data.fd;
            // 有新的客户端连接, 选择一个进程池中的进程处理 
            if( sockfd == m_listenfd )
            {
                int i =  sub_process_counter;
                do
                {
                    if( m_sub_process[i].m_pid != -1 )
                    {
                        break;
                    }
                    i = (i+1)%m_process_number;
                }
                while( i != sub_process_counter );
                
                if( m_sub_process[i].m_pid == -1 )
                {
                    m_stop = true;
                    break;
                }
                sub_process_counter = (i+1)%m_process_number;
                //send( m_sub_process[sub_process_counter++].m_pipefd[0], ( char* )&new_conn, sizeof( new_conn ), 0 );
                // 发送信息给被选中的子进程，让其处理新进入的连接 
                send( m_sub_process[i].m_pipefd[0], ( char* )&new_conn, sizeof( new_conn ), 0 );
                printf( "send request to child %d\n", i );
                //sub_process_counter %= m_process_number;
            }
            // 处理信号事件
            else if( ( sockfd == sig_pipefd[0] ) && ( events[i].events & EPOLLIN ) )
            {
                int sig;
                char signals[1024];
                ret = recv( sig_pipefd[0], signals, sizeof( signals ), 0 );
                if( ret <= 0 )
                {
                    continue;
                }
                else
                {
                    for( int i = 0; i < ret; ++i )
                    {
                        switch( signals[i] )
                        {
                            case SIGCHLD:
                            {
                                pid_t pid;
                                int stat;
                                while ( ( pid = waitpid( -1, &stat, WNOHANG ) ) > 0 )
                                {
                                    for( int i = 0; i < m_process_number; ++i )
                                    {
                                        if( m_sub_process[i].m_pid == pid )
                                        {
                                            printf( "child %d join\n", i );
                                            close( m_sub_process[i].m_pipefd[0] );
                                            m_sub_process[i].m_pid = -1;
                                        }
                                    }
                                }
                                m_stop = true;
                                for( int i = 0; i < m_process_number; ++i )
                                {
                                    if( m_sub_process[i].m_pid != -1 )
                                    {
                                        m_stop = false;
                                    }
                                }
                                break;
                            }
                            case SIGTERM:
                            case SIGINT:
                            {
                                printf( "kill all the clild now\n" );
                                for( int i = 0; i < m_process_number; ++i )
                                {
                                    int pid = m_sub_process[i].m_pid;
                                    if( pid != -1 )
                                    {
                                        kill( pid, SIGTERM );
                                    }
                                }
                                break;
                            }
                            default:
                            {
                                break;
                            }
                        }
                    }
                }
            }
            else
            {
                continue;
            }
        }
    }

    //close( m_listenfd );
    close( m_epollfd );
}

#endif

参考资料

1. 高性能网络编程(六)：一文读懂高性能网络编程中的线程模型

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