网络编程-----服务器（多路复用IO 和 TCP并发模型）

一、单循环服务器模型

1. 核心特征
while(1){newfd = accept();recv();close(newfd);}
2. 典型应用场景
  • HTTP短连接服务（早期Apache）
  • CGI快速处理
  • 简单测试服务器
3. 综合代码
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main(int argc, const char *argv[])
{if (argc != 3){printf("Usage: %s <port> <ip>\n",argv[0]);return -1;}//1.socket 创建通信一端 int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (fd < 0){perror("socket fail\n");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[2]);printf("fd = %d\n",fd);//2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("connect fail");return -1;}printf("connect success!\n");//3.listen -- 设置监听 if (listen(fd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}while (1){//4.acceptint connfd = accept(fd,NULL,NULL);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}printf("----client --- connectted\n");char buf[1024];char sbuf[1024];while (1){recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);printf("c: %s\n",buf);if (strncmp(buf,"quit",4) == 0){close(connfd);break;}sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);}}close(fd);return 0;
}
4. 优缺点分析
优点缺点
实现简单无法处理并发请求
无资源竞争问题长连接会阻塞后续请求
适合低负载场景吞吐量低（QPS < 100）

二、多进程并发模型

1. 核心实现
while(1) {int newfd = accept(listen_fd, ...);pid_t pid = fork();if (pid == 0) {  // 子进程close(listen_fd);handle_connection(newfd);close(newfd);exit(0);} else if (pid > 0) {  // 父进程close(newfd);waitpid(-1, NULL, WNOHANG);  // 非阻塞回收}
}
2. 进程管理优化
// 使用信号处理避免僵尸进程
signal(SIGCHLD, SIG_IGN);  // 忽略子进程结束信号// 或使用waitpid循环
while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
3. 典型应用
  • 传统Apache的prefork模式
  • FTP服务器
  • 数据库连接池
4. 资源消耗对比
资源类型进程创建开销示例系统调用
内存需要复制整个PCBfork()
CPU上下文切换成本高schedule()
文件描述符需要显式关闭继承的fdclose()
5. 优缺点分析
优点缺点
可以完成多个进程的实时交互回收资源不方便
信息的完整性可以保证。每次fork 占用系统资源多
适合低负载场景可能出现僵尸进程

6. 综合代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>void handler(int signo)
{wait(NULL);
}int init_server(const char *ip,unsigned short port)
{//1.socket 创建通信一端 int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (fd < 0){perror("socket fail\n");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(port);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);//2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("connect fail");return -1;}//3.listen -- 设置监听 if (listen(fd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}return fd;
}int client_handler(int connfd)
{char buf[1024];char sbuf[1024];int ret = 0;while (1){ret = recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);if (ret < 0){perror("client_handler recv fail");ret = -1;}printf("c: %s\n",buf);if (strncmp(buf,"quit",4) == 0){close(connfd);ret = 1;break;}sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);ret = send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);if (ret < 0){perror("client_handler send fail");ret = -1;}}return ret;}int main(int argc, const char *argv[])
{if (argc != 3){printf("Usage: %s <ip> <port>\n",argv[0]);return -1;}signal(SIGCHLD,handler);int fd = init_server(argv[1],atoi(argv[2]));if (fd < 0){printf("init_server fail\n");return -1;}while (1){//4.acceptint connfd = accept(fd,NULL,NULL);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}pid_t pid = fork();if (pid < 0){perror("fork fail");return -1;}if (pid == 0){int ret = 0;if ((ret = client_handler(connfd)) < 0){printf("client_handler fail");return -1;}if (ret == 1){printf("child exit...\n");exit(EXIT_SUCCESS);}}}close(fd);return 0;
}

三、多线程并发模型

1. 核心实现（POSIX线程）
while(1) {int newfd = accept(listen_fd, ...);pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, thread_handler, (void*)newfd);pthread_detach(tid);  // 分离线程自动回收
}void* thread_handler(void* arg) {int fd = (int)arg;// 处理请求close(fd);return NULL;
}
2. 线程安全控制
// 使用互斥锁保护共享资源
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void safe_write(int fd, const char* data) {pthread_mutex_lock(&lock);write(fd, data, strlen(data));pthread_mutex_unlock(&lock);
}
3. 典型应用
  • Java Tomcat
  • IIS应用池
  • 实时通信服务器
4. 性能指标对比
指标进程模型线程模型
创建速度慢（10-100ms）快（0.1-1ms）
上下文切换成本高（切换页表等）低（共享地址空间）
内存占用高（独立资源）低（共享资源）
5. 优缺点分析
优点缺点
可以完成多个进程的实时交互线程共享进程资源
创建速度快，调度快稳定性 较差
适合低负载场景安全性 较差 

6. 综合代码

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>int init_server(const char *ip,unsigned short port)
{//1.socket 创建通信一端 int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (fd < 0){perror("socket fail\n");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(port);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);//2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("connect fail");return -1;}//3.listen -- 设置监听 if (listen(fd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}return fd;
}void* client_handler(void *arg)
{int connfd = *(int *)arg;char buf[1024];char sbuf[1024];long int ret = 0;while (1){ret = recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);if (ret < 0){perror("client_handler recv fail");ret = -1;}printf("c: %s\n",buf);if (strncmp(buf,"quit",4) == 0){close(connfd);ret = 1;break;}sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);ret = send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);if (ret < 0){perror("client_handler send fail");ret = -1;}}return (void*)ret;}int main(int argc, const char *argv[])
{if (argc != 3){printf("Usage: %s <ip> <port>\n",argv[0]);return -1;}int fd = init_server(argv[1],atoi(argv[2]));if (fd < 0){printf("init_server fail\n");return -1;}while (1){//4.acceptint connfd = accept(fd,NULL,NULL);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid,NULL,client_handler,&connfd);if(ret != 0){errno = ret;perror("pthread_create fail");return -1;}pthread_detach(tid);//设置分离属性,由系统回收资源}close(fd);return 0;
}

四、并发的服务器模型 ---更高程度上的并发 

（一）fcntl 函数与 I/O 模型详解

1. 函数原型
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
2. 主要操作类型
命令功能描述参数要求
F_DUPFD复制文件描述符指定最小可用fd值
F_GETFD/F_SETFD获取/设置文件描述符标志标志值
F_GETFL/F_SETFL获取/设置文件状态标志新标志值
F_GETOWN/F_SETOWN获取/设置异步I/O所有权进程ID或组ID

（二）非阻塞I/O设置示例

1. 设置流程
int flag = fcntl(connfd,F_GETFL,0);flag = flag | O_NONBLOCK;fcntl(connfd,F_SETFL,flag);
2. 行为变化对比
操作阻塞模式非阻塞模式
read()阻塞直到数据到达立即返回，无数据时返回EAGAIN
write()阻塞直到缓冲区空间可用立即返回，空间不足返回EAGAIN
accept()阻塞直到有新连接立即返回，无连接时返回EAGAIN

（三）I/O 模型对比

1. 阻塞I/O模型
2. 非阻塞I/O模型

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>	       /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>
#include <strings.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#include <fcntl.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{if (argc != 3){printf("Usage: %s <port> <ip>\n",argv[0]);return -1;}//1.socket 创建通信一端 int fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if (fd < 0){perror("socket fail\n");return -1;}struct sockaddr_in seraddr;bzero(&seraddr,sizeof(seraddr));seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[2]);printf("fd = %d\n",fd);//2.bind -- 绑定服务器端的地址信息 if (bind(fd,(const struct sockaddr*)&seraddr,sizeof(seraddr)) < 0){perror("connect fail");return -1;}printf("connect success!\n");//3.listen -- 设置监听 if (listen(fd,5) < 0){perror("listen fail");return -1;}while (1){//4.acceptint connfd = accept(fd,NULL,NULL);if (connfd < 0){perror("accept fail");return -1;}printf("----client --- connectted\n");char buf[1024];char sbuf[1024];int flag = fcntl(connfd,F_GETFL,0);flag = flag | O_NONBLOCK;fcntl(connfd,F_SETFL,flag);while (1){recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);printf("c: %s\n",buf);if (strncmp(buf,"quit",4) == 0){close(connfd);break;}sprintf(sbuf,"server + %s\n",buf);send(connfd,sbuf,strlen(sbuf)+1,0);}}close(fd);return 0;
}

（四）信号驱动 I/O 详解

1. 设置异步标志
// 获取当前文件状态标志
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
if (flags == -1) {perror("fcntl F_GETFL");exit(EXIT_FAILURE);
}// 添加异步I/O标志
if (fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_ASYNC) == -1) {perror("fcntl F_SETFL");exit(EXIT_FAILURE);
}
2. 指定信号接收者
// 设置当前进程为信号接收者
if (fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()) == -1) {perror("fcntl F_SETOWN");exit(EXIT_FAILURE);
}
3. 注册信号处理函数
// 更安全的sigaction替代signal
struct sigaction sa;
sa.sa_flags = SA_RESTART;
sa.sa_handler = sigio_handler;
sigemptyset(&sa.sa_mask);if (sigaction(SIGIO, &sa, NULL) == -1) {perror("sigaction");exit(EXIT_FAILURE);
}
4. 基本处理逻辑
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>int g_fd;void handler(int signo)
{char buf[1024];read(g_fd,buf,sizeof(buf));if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)return;printf("buf = %s\n",buf);}int main(int argc, const char *argv[])
{if (mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST){perror("mkfifo fail");return -1;}printf("mkfifo success\n");int fd = open(argv[1], O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open fail");return -1;}g_fd = fd;int flag = fcntl(fd,F_GETFL,0);flag = flag | O_ASYNC;//设置为异步通信fcntl(fd,F_SETFL,flag);fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());//所有者signal(SIGIO,handler);int i = 0;while (1){printf("i = %d\n",i);sleep(1);++i;}close(fd);return 0;
}
5.核心局限性分析
问题类型具体表现解决思路
信号合并快速连续信号可能被合并使用实时信号（SIGRTMIN+）
多fd区分困难无法直接判断哪个fd触发信号每个fd绑定不同信号（不现实）
异步安全限制信号处理函数中操作受限仅设置标志，主循环处理
性能瓶颈高频率信号导致CPU占用高配合epoll使用

（五）select 函数详解

一、函数原型与参数解析

#include <sys/select.h>int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
参数说明
参数类型说明
nfdsint监控的文件描述符最大值 +1（优化内核检查范围）
readfdsfd_set*监控可读事件的描述符集合（可NULL）
writefdsfd_set*监控可写事件的描述符集合（可NULL）
exceptfdsfd_set*监控异常事件的描述符集合（可NULL）
timeouttimeval*超时时间：<br>• NULL：阻塞等待<br>• 0：立即返回<br>• 正数：定时等待
返回值
  • 成功：返回就绪的文件描述符总数（可能为0）
  • 失败：返回-1并设置errno
  • 超时：返回0

二、核心操作宏

宏功能示例
FD_ZERO清空描述符集合FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET添加描述符到集合FD_SET(sockfd, &read_fds);
FD_CLR从集合中移除描述符FD_CLR(sockfd, &read_fds);
FD_ISSET检测描述符是否在集合中if(FD_ISSET(sockfd, &read_fds))

三、典型使用流程

1. 初始化描述符集合
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(listen_fd, &read_fds);
int max_fd = listen_fd;
2. 等待事件就绪
struct timeval tv = {5, 0}; // 5秒超时
fd_set tmp_fds = read_fds;int ready = select(max_fd + 1, &tmp_fds, NULL, NULL, &tv);
if (ready == -1) {if (errno == EINTR) continue; // 处理信号中断perror("select error");break;
} else if (ready == 0) {printf("Timeout\n");continue;
}
3. 处理就绪事件
for (int fd = 0; fd <= max_fd; fd++) {if (FD_ISSET(fd, &tmp_fds)) {if (fd == listen_fd) {// 处理新连接int new_fd = accept(listen_fd, ...);FD_SET(new_fd, &read_fds);max_fd = (new_fd > max_fd) ? new_fd : max_fd;} else {// 处理客户端数据ssize_t n = read(fd, ...);if (n <= 0) {close(fd);FD_CLR(fd, &read_fds);}}}
}

四、关键注意事项

  1. 集合重用问题
    select返回后，集合会被修改为就绪的fd集合，每次调用前必须重新初始化：

    fd_set tmp_fds = read_fds; // 使用临时集合

  2. 超时时间重置
    timeout参数会被修改为剩余时间，循环调用时需要重新设置：

    struct timeval tv = {5, 0};
while(1) {select(..., &tv);tv.tv_sec = 5; // 必须重置
}

  3. 最大fd限制
    受FD_SETSIZE限制（通常1024），超出会导致未定义行为

  4. 性能问题
    每次调用需要从用户态复制整个fd_set到内核态，时间复杂度O(n)

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{if (mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST){perror("mkfifo fail");return -1;}printf("mkfifo success\n");int fd = open(argv[1], O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open fail");return -1;}char buf[1024] = {0};//1.建表fd_set readfds;FD_ZERO(&readfds);//2.添加要关心的fdFD_SET(0,&readfds);FD_SET(fd,&readfds);//3.select函数监控fd_set backfds;struct timeval tv = {5,0};while(1){backfds = readfds;//每次循环回来拿到的都是最原始数据int nfds = fd + 1;//因为另一个是0,所以最大也就是ｆｄint ret = select(nfds,&backfds,NULL,NULL,&tv);if(ret < 0){perror("select fail");return -1;}if(ret > 0){for(int i = 0;i < nfds;i++)//也可以是1024,但没必要 {if(FD_ISSET(i,&backfds)){if(i == 0){fgets(buf,sizeof(buf),stdin);if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)break;printf("buf = %s\n",buf);}else if(i == fd){read(fd,buf,sizeof(buf));if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)break;printf("buf = %s\n",buf);}}}}}close(fd);return 0;
}

可以从客户端读取数据，也可以自身从键盘输入

并发模型对比

模型实现方式优点缺点
多进程fork()隔离性好资源消耗大
多线程pthread_create()资源共享高效同步复杂度高
I/O多路复用select/poll/epoll高并发低开销编程复杂度较高
信号驱动SIGIO+fcntl实时性好信号处理复杂
异步I/Oaio_*系列函数真正的异步操作系统支持不统一

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几乎没有D触发器的spice模型&#xff0c;不过LTSPICE里面自带一个D触发器 搜索&#xff1a;DFLOP 如下图&#xff08;这里必须吐槽一下LTSPICE的搜索功能&#xff0c;超级难用&#xff09; 但是接入电路后发现并不工作&#xff01;原因是还需要进行参数的设置。参考该篇文章L…
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从零开始实现大语言模型（十四）：高阶训练技巧

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1. 前言 预训练大语言模型的流程与训练普通神经深度网络模型本质上并没有任何不同。可以使用深度学习实践中已经被证明非常有效的高阶训练技巧&#xff0c;优化大语言模型预训练流程&#xff0c;使大语言模型预训练效率更高&#xff0c;训练过程更稳定。 本文介绍深度学习领域…
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鸿蒙HarmonyOS-Navagation基本用法

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Navagation基本用法 Navigation组件是路由导航的根视图容器&#xff0c;一般作为Page页面的根容器使用&#xff0c;其内部默认包含了标题栏&#xff0c;内容栏和公工具栏&#xff0c;其中内容区默认首页显示导航内容&#xff08;Navigation的子组件&#xff09;或非首页显示&am…
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