循環(huán)和并發(fā)服務的比較及應用

陳春嬌

摘要：該文比較詳細地介紹了循環(huán)和并發(fā)服務器的概念、工作原理及循環(huán)和并發(fā)服務器的算法，從工作原理、工作流程等方面進行闡述兩者的區(qū)別，并分別用一個循環(huán)服務器程序和并發(fā)服務器程序?qū)嵗a加以說明。

關鍵詞：循環(huán)服務器；并發(fā)服務器；算法；應用

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2012）32-7706-04

1循環(huán)和并發(fā)服務器的概念

網(wǎng)絡服務器有循環(huán)服務器和并發(fā)服務器兩種。循環(huán)服務器：循環(huán)服務器在同一個時刻只可以響應一個客戶端的請求；并發(fā)服務器：并發(fā)服務器在同一個時刻可以響應多個客戶端的請求。

網(wǎng)絡服務器有循環(huán)服務器和并發(fā)服務器兩種。連接性問題是傳輸協(xié)議的中心，而客戶使用這個傳輸協(xié)議訪問某個服務器。TCP/IP協(xié)議族給用提供了兩種傳輸協(xié)議，可以使用面向連接的傳輸（TCP）或無連接的傳輸（UDP）。因此，可以將服務器劃分為四種一般的類型：循環(huán)無連接、循環(huán)面向連接、并發(fā)無連接、并發(fā)面向連接。

2循環(huán)和并發(fā)服務的工作原理

2.1循環(huán)服務器的工作原理及及流程

1）循環(huán)無連接（UDP）的服務器的工作原理及應用范圍

循環(huán)無連接的服務器的算法

①創(chuàng)建套接字并將其綁定到所提供服務的熟知端口上。

②重復地讀取來自客戶的請求，構(gòu)造響應，按照應用協(xié)議向客戶發(fā)回響應。

UDP循環(huán)服務器的實現(xiàn)非常簡單：UDP服務器每次從套接字上讀取一個客戶端的請求，處理，然后將結(jié)果返回給客戶機.

可以用下面的算法來實現(xiàn).

socket（...）；

bind（...）；

while（1）

{

recvfrom（...）；

process（...）；

sendto（...）；

}

因為UDP是非面向連接的，沒有一個客戶端可以老是占住服務端.只要處理過程不是死循環(huán)，服務器對于每一個客戶機的請求總是能夠滿足.

2）循環(huán)面向連接（TCP）的服務器的工作原理及應用范圍

循環(huán)面向連接的服務器的算法

①創(chuàng)建套接字并將其綁定到它所提供服務的熟知端口上。

②將該端口設置為被動模式，使其準備為服務器所用。

③從該套接字上接受下一個連接請求，獲得該連接的新的套接字。

④重復地讀取來自客戶的請求，構(gòu)造響應，按照應用協(xié)議向客戶發(fā)回響應。

⑤當與某個特定客戶完成交互時，關閉連接，并返回步驟3以接受新的連接。

TCP循環(huán)服務器的實現(xiàn)也不難：TCP服務器接受一個客戶端的連接，然后處理，完成了這個客戶的所有請求后，斷開連接。

算法如下：

socket（...）；

bind（...）；

listen（...）；

while（1）

{

accept（...）；

while（1）

{

read（...）；

process（...）；

write（...）；

}

close（...）；

}

TCP循環(huán)服務器一次只能處理一個客戶端的請求.只有在這個客戶的所有請求都滿足后，服務器才可以繼續(xù)后面的請求.這樣如果有一個客戶端占住服務器不放時，其它的客戶機都不能工作了.因此，TCP服務器一般很少用循環(huán)服務器模型的.

2.2并發(fā)服務器的工作原理及應用范圍

1）并發(fā)面向連接（TCP）的服務器的工作原理及應用范圍

并發(fā)服務器：TCP服務器

為了彌補循環(huán)TCP服務器的缺陷，人們又想出了并發(fā)服務器的模型.并發(fā)服務器的思想是每一個客戶機的請求并不由服務器直接處理，而是服務器創(chuàng)建一個子進程來處理.

算法如下：

socket（...）；

bind（...）；

listen（...）；

while（1）

{

accept（...）；

if（fork（..）==0）

{

while（1）

{

read（...）；

process（...）；

write（...）；

}

close（...）；

exit（...）；

}

close（...）；

}

TCP并發(fā)服務器可以解決TCP循環(huán)服務器客戶機獨占服務器的情況.不過也同時帶來了一個不小的問題.為了響應客戶機的請求，服務器要創(chuàng)建子進程來處理.而創(chuàng)建子進程是一種非常消耗資源的操作.

2）并發(fā)無連接的服務器的工作原理及應用范圍

不同于順序服務器，并發(fā)服務器就要能在一個時間為多個客戶端提供服務。例如，一個聊天服務器可能服務一個特定的客戶端數(shù)小時──在停止為這個客戶端服務之前服務器不能等待，除非是在等待一下個客戶端到來之前的間隙才能等待。

我們將提供服務從守護進程移至它自己的服務進程。然而，因為每個子進程都繼承所有打開的文件（套接字被像文件一樣處理），新進程不僅繼承“accept（）返回的句柄，”那是指調(diào)用accept返回的套接字；新進程也繼承頂級套接字，這是頂級進程一開始打開的套接字。

然而，服務進程不需要這個套接字，應該立即關閉（close）它。同樣的，守護進程不再需要accept（）返回的套接字，不僅應該，還必須關閉（close）它──否則，那遲早會耗盡可用的文件描述符。

在服務進程完成服務之后，它將關閉accept（）返回的套接字。它不會返回到accept，而是退出進程。

在UNIX?上，一個進程并不真正的退出，而是返回至父進程。典型情況中，父進程等待（wait）子進程，并取得一個返回值。但是，我們的守護進程不能簡單的停止或等待，那有違建立其它進程的整個目的。但是如果從不使用wait，它的子進程可能會成為僵尸──不再有功用可仍然徘徊著。

出于那樣的原因，守護進程需要在初始化守護進程階段設置信號處理程序。至少要處理信號SIGCHLD，這樣守護進程可以從系統(tǒng)清除僵尸返回值并釋放僵尸占用的系統(tǒng)資源。

這是現(xiàn)在我們的流程圖包含一個進程信號框的原因，它不與任何其它框相連接。順便說一句，許多服務器程序也處理SIGHUP，作為超級用戶發(fā)出的要求重讀配置文件的信號。這允許我們不必終止或重啟服務器程序就改變設置。

3循環(huán)服務器和并發(fā)服務器的比較及應用場景

3.1并發(fā)服務器和循環(huán)服務器比較

一般來說，并發(fā)服務器更難設計和構(gòu)建，其最終的代碼也更復雜并且難于修改。然而，大多數(shù)程序員還是選擇了并發(fā)實現(xiàn)的方法，因為循環(huán)服務器會在分布式應用中引起不必要的時延，而且可能會成為影響許多客戶應用程序的性能瓶頸。我們概括如下：使用循環(huán)方法實現(xiàn)的服務器易于構(gòu)建和理解，但這樣的結(jié)果會使其性能很差，因為這樣的服務器要使客戶等待服務。相反，以并發(fā)方法實現(xiàn)的服務器難于設計和構(gòu)建，但卻有較好的性能。

3.2循環(huán)服務器和并發(fā)服務器的應用場景

1）循環(huán)的和并發(fā)的：如果循環(huán)方案產(chǎn)生的響應時間對應用來說足夠充分，就可以使用循環(huán)；否則需要并發(fā)；2）真正的和表面上的并發(fā)性：如果線程或切換環(huán)境的開銷大，服務器需要在多個連接之間共享或者交換數(shù)據(jù)，用單線程；使用線程開銷不大或者要得到最大并發(fā)性，使用多進程；3）面向連接的和無連接的：如果應用協(xié)議處理了可靠性問題，或者應用在局域網(wǎng)環(huán)境內(nèi)，使用無連接的傳輸。

4循環(huán)和并發(fā)服務器程序?qū)嵗?/p>

循環(huán)服務器容易設計、實現(xiàn)和維護，但是性能差；并發(fā)服務器難以構(gòu)建和設計，但是性能好，響應快。

4.1循環(huán)服務器的應用程序?qū)嵗?/p>

循環(huán)式服務器模型：（以時間服務程序time為例）

1）服務器端主函數(shù)部分代碼分析

①前期準備部分

int

main（intargc，char*argv[]）

{

structsockaddr_infsin； /*用于存儲客戶端地址信息 */

char *service="time"； /*用于存儲服務名或者端口號*/

char buf[1]；

int sock；

time_t now； /*當前時間*/

un小ignedint alen； /*客戶端地址長度*/

switch（argc）

{

case 1：

break；

case 2：

service=argv[1]；

break；

default：

errexit（"usage：UDPtimed[port]＼n"）；

}

/*argc=1時，表示只有一程序名稱。argv[0]指向輸入的程序路徑及名稱；argc=2，表示除了程序名外還有一個參數(shù)。argv[0]指向輸入的程序路徑及名稱。argv[1]指向參數(shù)的字符串；Default報錯。*/

sock=passiveUDP（service）；

/*調(diào)用已定義的passiveUDP函數(shù)創(chuàng)建套接字*/

②實際處理連接通信服務部分

while（1）{

alen=sizeof（fsin）；

if（recvfrom（sock，buf，sizeof（buf），0，（structsockaddr*）&fsin，&alen）<0）

errexit（"recvfrom：%s＼n"，strerror（errno））；

/*讀取來自客戶端發(fā)起的請求，若返回值小于0就讀取失敗調(diào)用errexit函數(shù)報錯*/

（void）time（&now）； /*獲取時間*/

now=htonl（（unsignedlong）（now+UNIXEPOCH））；

/*將本地字節(jié)順序轉(zhuǎn)換成客戶端能識別的統(tǒng)一的網(wǎng)絡字節(jié)順序*/

（void）sendto（sock，（char*）&now，sizeof（now），0，（structsockaddr*）&fsin，sizeof（fsin））；

/*調(diào)用sendto函數(shù)將時間信息發(fā)送給客戶端*/

}

③ passivesock函數(shù)模塊關鍵代碼分析：（含sock、bind、listen）

memset（&sin，0，sizeof（sin））； /*將sin初始化置零*/

sin.sin_family=AF_INET；

sin.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY； /*將服務器接入點置為任意inaddr_any*/

if（pse=getservbyname（service，transport））/*嘗試通過service獲取地址*/

sin.sin_port=htons（ntohs（（unsignedshort）pse→s_port）+portbase）；

/*htons/ntohs本地字節(jié)順序與網(wǎng)絡字節(jié)順序的相互轉(zhuǎn)換；設置全局的portbase可以重新分配端口值，映射到更高的端口，這樣測試就不會與原來的重復，還能運行原來的服務的，便于測試*/

s=socket（PF_INET，type，ppe→p_proto）；

if（s<0）

errexit（"can'tcreatesocket：%s＼n"，strerror（errno））；

/*創(chuàng)建套接字，成功則返回描述符S，失敗則報錯*/

bind（s，（structsockaddr*）&sin，sizeof（sin）） /*綁定端口地址*/

listen（s，qlen） /*調(diào)用listen函數(shù)設為監(jiān)聽狀態(tài)*/

5結(jié)束語

該文共分為四個部分，第一部分比較詳細地介紹了循環(huán)和并發(fā)服務器的概念；第二部分詳細介紹循環(huán)和并發(fā)服務器的工作原理及算法，第三部分主要講循環(huán)和并發(fā)服務器比較及應用場合，第四部分是舉出循環(huán)服務器和并發(fā)服器的程序?qū)嵗a并進行分析。在撰寫這篇論文過程中，明顯感覺該學科的的難度，但正是在這個摸索的過程中，通過實踐對該課程的知識有了更深層的理解。

參考文獻：

[1]ComerDE，StevensDL.用TCP/IP進行網(wǎng)際互連[M].趙剛，林瑤，蔣慧，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]杜煜.計算機網(wǎng)絡基礎[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[3]RameshS，PerrorsHG.Amultilayerclient-serverqueueingnetworkmodelwithsynchronousandasynchronousmessages[J].IEEETransactiononSoftwareEngineering，2000，26（11）：1086-1100.

[4]洪英.Linux中帳號的安全管理方法[J].科技創(chuàng)新導報，2008（4）：12.

[5]關于main函數(shù)的（int_argc，char_argv[]）.51CTOLinux編程學習[Z].

[6]武奇生.網(wǎng)絡與TCP/IP協(xié)議[M].西安：西安電子科大出版社，2010.