UNIX 网络编程第五章读后有感

刚看完 UNIX 第五章内容，我想按照自己的方式将自己获得的知识梳理一遍，以便日后查看！先贴上一段简单的 TCP 服务器端代码：

 1 #include <sys/socket.h>
 2 #include <netinet/in.h>
 3 #include <stdio.h>
 4 #include <error.h>
 5 #include <unistd.h>
 6 #include <string.h>
 7 #include <stdlib.h>
 8
 9 #define MAXLINE 5
10 #define SA struct sockaddr
11 int main()
12 {
13     int listenfd, connfd;
14     pid_t childpid;
15     int readn, writen;
16     socklen_t clilen;
17     char buf[MAXLINE];
18     struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
19     //创建监听套接字
20     if((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
21     {
22         printf("socket() error!");
23         exit(0);
24     }
25     //先要对协议地址进行清零
26     bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
27     //设置为 IPv4 or IPv6
28     servaddr.sin_family = AF_INET;
29     //绑定本地端口号
30     servaddr.sin_port    = htons(9804);
31     //任何一个 IP 地址，让内核自行选择
32     servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
33     //绑定套接口到本地协议地址
34     if(bind(listenfd, (SA *) &servaddr,sizeof(servaddr)) < 0)
35     {
36         printf("bind() error!");
37         exit(0);
38     }
39     //服务器开始监听
40     if(listen(listenfd,5) < 0)
41     {
42         printf("listen() error!");
43         exit(0);
44     }
45     for(;;)
46     {
47         clilen = sizeof(cliaddr);
48         //accept 的后面两个参数都是值-结果参数，他们的保留的远程连接电脑的信息，如果不管新远程连接电脑的信息，可以将这两个参数设置为 NULL
49         connfd = accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &clilen);
50         if(connfd < 0)
51         {
52             continue;
53         }
54         //我们采用 TCP 并发服务器模式，每个客户一个进程
55         if((childpid = fork()) == 0)
56         {
57             //子进程关闭 listenfd:因为父子进程都各拥有一个 listefd,而子进程不负责监听，所以关闭 listenfd,以免浪费资源！
58             close(listenfd);
59             //子进程做的事很简单，从套接字上读取数据然后再写回
60             while((readn = read(connfd, buf,MAXLINE)) > 0)
61             {
62                 writen = write(connfd, buf, readn);
63                 if(writen < 0)
64                 {
65                     printf("writen() error!");
66                     continue;
67                 }
68                 else
69                 {
70                     printf("write %d bytes!\n", writen);
71                 }
72             }
73             exit(0);
74         }
75         //父进程关闭 connfd，类似的父进程只负责监听，不需要 connfd
76         close(connfd);
77     }
78
79 }

　　以上是一个最基本的 TCP 服务器端代码，其功能很简单：一旦一个客户发起连接，服务器端就 fork() 一个进程为其服务，该进程从其所拥有的连接套接字读数据然后再将数据写回套接字。客户端运行效果如下：

　　当然，我们不是简简单单的要说明这样一个 TCP 服务器，稍微看过 TCP 套接口编程的都能写出以上程序。我们要讨论的是由该程序所涉及到的和即将要涉及到的各个知识点。

TCP 三次握手协议和四次分手协议我已在以前的一篇博文中TCP连接的建立和终止中描述过，这里我们不再赘述！我们现在用此实例来演示一遍 TCP 连接的建立与终止。我们在本机运行以上代码：

　　我们查看本机 9804 端口的状态：netstat -a | grep 9804

　　就会发现此端口处于 listen---监听状态。这时候的服务器端代码阻塞于 listen() 函数，等待客户端发起连接。我们再运行客户端，并输入测试字符，以说明连接正常。

　　运行 netstat 查看与 9804 端口有关的端口的状态：netstat -a | grep 9804

　　可以看到与 9804 端口有关的连接对都处于 ESTABLISHED 状态。说明客户端与服务器端已经完成 TCP 连接的建立，可以进行数据的发送了。此时我们查看进程信息，可以看到如下的服务器端为客户端创建了一个处理进程：

　　其中 7290 与 7293 都是子进程，7009 是 ./myserver 进程的父进程号！现在我们演示 TCP 连接的终止：我们在同时按下 ctrl 和 D（相当于发送 EOF 给服务器进程），此时，我们再观察进程信息：

　　我们会发现进程号为 7293 的进程的状态是 Z+，也就是所谓的僵尸进程。为什么？我们按下 CTRL 和 D向服务器发送 EOF ，服务器代码 的 read() 函数返回 0，此时 while 循环退出，执行 exit(0) 函数，该子进程终止，子进程终止的时候会向父进程发送 SIGCHLD 信号，但是我们在服务器代码中未捕获该信号，终止进程未被及时处理，即成为僵尸进程。僵尸进程由进程号为 1 的 Init 进程代为管理

　　以上，我们可以大概的了解到 TCP 连接的建立与终止的过程以及僵尸进程形成的原因。我们知道，僵尸进程是无用的进程且其会消耗系统资源，所以我们应该及时处理僵尸进程。之前我们说过，子进程终止的时候会向父进程发送 SIGCHLD 信号，我们先说说什么是信号？以下摘抄自 UNP 5.8节;

　　信号就是通知某个进程发生了某个事件，有时也成为软件中断。信号通常异步发送，也就是进程预先不知到信号准确发生时间。信号可以 

　　　　. 由一个进程发送给另外一个进程。

　　　　. 由内核发给某个进程。

　　那么，进程收到信号该怎么办呢？有以下三种选择：

　　　　1.提供一个函数，它将在特定信号发生的时候被调用，这样的函数我们称为信号处理，这种行为我们称为信号捕获。所有的信号处理函数原型都是：void handler(int singo)

　　　　2.将该信号设置为 SIG_IGN 来忽略它。SIGKILL 和 SIGSTOP 这两个信号不能被忽略。

　　　　3.可以将信号的处置设定为 SIG_DFI 来启用它的缺省处置。

　　接下来，我们说下如何处理上面说的 SIGCHLD 信号：既然会形成僵尸进程，我们肯定不能再忽略该信号，而是选择捕获它。给该信号安装一个执行函数，那么该怎么安装呢？直接调用系统函数 signal()，该函数有两个参数，第一个参数就是你要监视的信号，第二个参数就是执行函数的函数指针。如是，我们修改服务器端代码如下：

 1 #include <sys/socket.h>
 2 #include <netinet/in.h>
 3 #include <stdio.h>
 4 #include <error.h>
 5 #include <unistd.h>
 6 #include <string.h>
 7 #include <stdlib.h>
 8 #include <sys/wait.h>
 9 #include <signal.h>
10 #define MAXLINE 5
11 #define SA struct sockaddr
12
13 void sig_child(int signo)
14 {
15     pid_t pid;
16     int stat;
17     pid = wait(&stat);
18     printf("child %d terminated\n", pid);
19     return;
20 }
21 int main()
22 {
23     int listenfd, connfd;
24     pid_t childpid;
25     int readn, writen;
26     socklen_t clilen;
27     char buf[MAXLINE];
28     struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
29     //创建监听套接字
30     if((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
31     {
32         printf("socket() error!");
33         exit(0);
34     }
35     //先要对协议地址进行清零
36     bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));
37     //设置为 IPv4 or IPv6
38     servaddr.sin_family = AF_INET;
39     //绑定本地端口号
40     servaddr.sin_port    = htons(9805);
41     //任何一个 IP 地址，让内核自行选择
42     servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
43     //绑定套接口到本地协议地址
44     if(bind(listenfd, (SA *) &servaddr,sizeof(servaddr)) < 0)
45     {
46         printf("bind() error!");
47         exit(0);
48     }
49     //服务器开始监听
50     if(listen(listenfd,5) < 0)
51     {
52         printf("listen() error!");
53         exit(0);
54     }
55     signal(SIGCHLD, sig_child);
56     for(;;)
57     {
58         clilen = sizeof(cliaddr);
59         //accept 的后面两个参数都是值-结果参数，他们的保留的远程连接电脑的信息，如果不管新远程连接电脑的信息，可以将这两个参数设置为 NULL
60         connfd = accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &clilen);
61         if(connfd < 0)
62         {
63             continue;
64         }
65         //我们采用 TCP 并发服务器模式，每个客户一个进程
66         if((childpid = fork()) == 0)
67         {
68             //子进程关闭 listenfd:因为父子进程都各拥有一个 listefd,而子进程不负责监听，所以关闭 listenfd,以免浪费资源！
69             close(listenfd);
70             //子进程做的事很简单，从套接字上读取数据然后再写回
71             while((readn = read(connfd, buf,MAXLINE)) > 0)
72             {
73                 writen = write(connfd, buf, readn);
74                 if(writen < 0)
75                 {
76                     printf("writen() error!");
77                     continue;
78                 }
79                 else
80                 {
81                     printf("write %d bytes!\n", writen);
82                 }
83             }
84             exit(0);
85         }
86         //父进程关闭 connfd，类似的父进程只负责监听，不需要 connfd
87         close(connfd);
88     }
89
90 }

　　对比之前版本，我们只增加了 13 - 20 行的信号处理函数与 55 行的信号捕获代码。再次运行服务器端代码(这次我们服务器程序取名叫：myserver9805)，查看进程信息如下：

　　可以看到两个 ./myserver9805 一个是父进程，其 pid 为 9101，另一个是子进程其 pid 为 9111，其父进程为 9101。其中的 ./myclient9805 127.0.0.1 是客户端进程。现在我们再次在客户端按下 CTRL + D：

　　服务器端进程会调用捕获函数，打印

　　　　child 9111 terminated

　　再次查看进程信息，如下：

　　可以看到，此时没有形成僵尸进程！(请忽略进程编号为 7293 的僵尸进程，这是之前留下的，囧！)。至此，SIGCHLD 信号处理完毕，其实也很简单嘛。现在我们回头看看信号捕获函数：

13 void sig_child(int signo)
14 {
15     pid_t pid;
16     int stat;
17     pid = wait(&stat);
18     printf("child %d terminated\n", pid);
19     return;
20 }　　其中调用了 wait() 函数，该函数自动分析是否当前进程的某个子进程已经退出，如果让它找到了这样一个已经变成僵尸的子进程，wait就会收集这个子进程的信息，并把它彻底销毁后返回；如果没有找到这样一个子进程，wait就会一直阻塞在这里，直到有一个出现为止。而值-结果参数 stat 保留的就是 wait 函数收集到的进程信息。　　说到 wait() 函数，我们不得不说一下 waitpid() 函数，因为实际过程中用该函数替代 wait() 函数。我们修改客户端程序，让其建立 5 个连接，也就是说服务器端会创建 5 个进程来处理这些连接，查看进程信息，如下：　　

　　可以看出，一共有 5 个进程，父进程 PID 是 9101。此时我们在客户端再按下 CTRL + D，再次查看进程信息：　　　　发现，还是会有一个僵尸进程，为什么呢？因为当父进程同时收到很多 SIGCHLD 信号时 信号函数只执行一次或多次，但是不能肯定一定是 5 次，所以会导致还会有僵尸进程。基于此原因，我们用 waitpid() 代替 wait() 函数，修改信号捕获函数如下：void sig_child(int signo){　　pid_t pid;　　int stat;　　while(pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG) > 0)　　　　printf("child %d terminated\n",pid);}　　看到如上代码，可能会有人会说将上面的 waitpid 换成 wait 不也行。可我们不要忘了当有尚未终止的子进程时会阻塞，而 waitpid 函数可以通过设置第三个参数为 WNOHANG 来告知 waitpid ，当有尚未终止的子进程的时候不要阻塞，所以就可以通过循环处理所有终止的子进程，故不会有僵尸进程残留！　　以上我们通过该简单 TCP 服务器代码简单的讲解了信号有关的知识点，让我们初窥信号，当然更具体的知识点应该去拜读 UNP 这本书，这里只是起个抛砖引玉的作用！接下来我们再依此介绍 I/O 复用模型。UNP 第六章介绍了五种 I/O 模型，具体如下：　　　　1.阻塞 I/O 模型。　　　　2.非阻塞 I/O 模型。　　　　3.I/O 复用模型。　　　　　4.信号驱动模型。　　　　5.异步 I/O 模型。　　我们主要介绍 1 和 3，其他 3 中类型不在本文范围内。还是以上面那个 TCP 服务器代码作切入点：再次运行该代码，并运行客户端，发送 Hello,world!测试连接正常：　　　　现在客户端停留在等待输入的界面,我们在另一个终端杀死服务器端的子进程：　　　　发现客户端没有任何反映。现在，我们尝试在客户端再次输入: another line，结果返回 server terminated prematurely!：　　　　为什么会这样子？这里我们先贴出客户端代码，借用 UNP 5.4 节提供的客户端代码的：

 1 #include <sys/socket.h>
 2 #include <netinet/in.h>
 3 #include <stdio.h>
 4 #include <error.h>
 5 #include <unistd.h>
 6 #include <string.h>
 7 #include <stdlib.h>
 8 #include <sys/wait.h>
 9 #include <signal.h>
10 #define MAXLINE 5
11 #define SA struct sockaddr
12
13 void str_cli(FILE *fp, int sockfd)
14 {
15     char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];
16     while(fgets(sendline,MAXLINE,fp) != NULL)
17     {
18         writen(sockfd, sendline, strlen(sendline));
19         if(readline(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0)
20         {
21             printf("str_cli:server terminated prematurely!\n");
22             exit(0);
23         }
24         fputs(recvline, stdout);
25     }
26 }
27 int main(int argc, char **argv)
28 {
29     int sockfd;
30     struct sockaddr_in servaddr;
31     if(argc != 2)
32     {
33         printf("useage: tcpcli <IPaddress>");
34         exit(0);
35     }
36     if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
37     {
38         printf("socket() error!");
39         exit(0);
40     }
41     bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
42     servaddr.sin_family = AF_INET;
43     servaddr.sin_port = htons(9806);
44
45     if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) < 0)
46     {
47         printf("inet_pton() error!");
48         exit(0);
49     }
50     if(connect(sockfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
51     {
52         printf("inet_pton() error!");
53         exit(0);
54     }
55     str_cli(stdin, sockfd);
56     exit(0);
57 }

　　　　1. 当我们杀死子进程，服务器子进程会向客户端发送一个 FIN,而客户端则响应一个 ACK。这是 TCP 连接终止的前一半工作。　　　　2. SIGCHLD 信号发送给服务器进程，并得到正确处理。　　　　3. 客户端上没有发生任何特殊的事情。虽然客户端响应了一个 ACK，然而客户端进程阻塞在 fgets 调用上 (见以上客户端代码)，等待从终端接受一行文本。所以没有任何反应。　　　　4. 此时，我们用 netstat 查看套接口状态：　　　　（一个netstat 是在杀死子进程之前运行一个是在杀死子进程之后运行的）　　　　上图很完全符合 TCP 连接终止过程的状态变化。因为只完成了 TCP 连接终止的前一半，所以主动关闭的一方(这里是服务器端)处于 FIN_WAIT2 状态，被动关闭一方(这里是客户端)处于 CLOSE_WAIT 状态。　　　　5.我们在客户端上键入 another line ,返回： str_cli: server terminated prematurely 。当我们键入 another line 的时候，客户端调用 writen，客户 TCP 接着把数据发送给服务器。TCP 允许这么做，因为 TCP 收到 FIN 只是表示服务器进程已经关闭了连接端的服务器端，从而不再往其中发送任何数据而已。不代表连接的客户端不能往连接中发送数据。FIN 的接收并没有告知客户端 TCP 服务器端进程已经终止（本例中确实已经终止）。当服务器 TCP 接收到来自客户端的数据时，既然先前打开那个套接口的进程已经终止，于是响应一个 RST。　　　　6.然而客户端进程看不到这个 RST ，因为它在调用 writen 后立即调用 readline，并且由于第 1 步接受的 FIN，所调用的 readline 立即返回 0（表示 EOF），所以执行 if 中代码，输出错误信息：server terminated prematurely(服务器进程过早终止)。然后退出！　　　　7.客户端终止时，它所有打开着的描述字都被关闭。

　　从上个例子可以看出，服务器端终止的时候，客户端并没有及时的感觉到。问题在于：当 FIN 到达套接口的时候，客户正阻塞在 fgets 调用上。客户实际上在应对两个描述字---套接口描述字和用户数如，它不能单纯的阻塞在两个源中的某个特定源上。这时候，我们希望服务器进程需要一种预先告知内核内核的能力，使得进程指定的一个或多个 I/O 条件就绪(也就是说输入已经准备好读取，或者描述字已经能承接更多的输出)，它就通知进程。这个能力称为 I/O 复用，是由 select 和 poll 和更高级的 epoll 支持的。到这里，我们终于搞清楚什么是 I/O 复用了。。。 I/O 复用典型使用下列网络应用场合：　　　　1.当客户处理多个描述字（通常是交互式输入和网络套机口），必须使用 I/O 复用。　　　　2.一个客户同时处理多个套接口是可能的，不过比较少见。　　　　3.如果一个 TCP 服务器端既要处理监听套接字又要处理已连接套接口，一般要用 I/O 复用。　　　　4.如果一个服务器既要处理 TCP，又要处理 UDP,一般使用 I/O 复用。　　　　5.如果一个服务器要处理多个服务或者协议，一般就要用 I/O 复用。　　限于篇幅，我们将会单独用一篇博客来写 select、poll 和 epoll 有关的内容。