C多进程服务器，如何实现高效并发处理？

C 多进程服务器的详细解析

一、基本概念

多进程服务器是一种利用操作系统提供的多进程机制来同时处理多个客户端请求的服务器模型，在这种模型中，每当有新的客户端连接时，服务器就会创建一个新的子进程来专门处理该客户端的请求，父进程则继续监听端口，等待其他客户端的连接请求，这种模型的优势在于每个客户端都在一个独立的进程中处理，互不干扰，提高了服务器的稳定性和可靠性。

二、实现步骤

1、创建套接字：使用socket() 函数创建一个套接字，用于监听客户端的连接请求。

2、绑定地址：使用bind() 函数将套接字与服务器的 IP 地址和端口号绑定起来。

3、监听连接：使用listen() 函数使套接字进入监听状态，准备接受客户端的连接请求。

4、接受连接并创建子进程：使用accept() 函数接受客户端的连接请求，并为每个连接创建一个子进程来处理该客户端的请求。

5、子进程处理客户端请求：在子进程中，通过读写套接字与客户端进行通信，处理客户端的请求并发送响应。

6、清理资源：子进程处理完客户端请求后，关闭套接字并退出，父进程则继续等待其他客户端的连接请求。

三、示例代码

以下是一个简单的 C 语言实现的多进程服务器示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
void error(const char msg) {
    perror(msg);
    exit(1);
}
int main(int argc, char argv[]) {
    int sockfd, newsockfd;
    socklen_t clilen;
    char buffer[256];
    struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
    int portno = 9999;
    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) 
        error("ERROR opening socket");
    // 设置服务器地址结构
    bzero((char ) &serv_addr, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    serv_addr.sin_port = htons(portno);
    // 绑定套接字
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr ) &serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) 
              error("ERROR on binding");
    // 监听连接
    listen(sockfd, 5);
    clilen = sizeof(cli_addr);
    while (1) {
        // 接受连接并创建子进程
        newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr ) &cli_addr, &clilen);
        if (newsockfd < 0) 
            error("ERROR on accept");
        pid_t pid = fork();
        if (pid < 0)
            error("ERROR on fork");
        else if (pid == 0) {  // 子进程
            close(sockfd);
            bzero(buffer, 256);
            int n = read(newsockfd, buffer, 255);
            if (n < 0) error("ERROR reading from socket");
            printf("Here is the message: %s
", buffer);
            n = write(newsockfd, "I got your message", 18);
            if (n < 0) error("ERROR writing to socket");
            close(newsockfd);
            exit(0);
        } else {  // 父进程
            close(newsockfd);
        }
    }
    close(sockfd);
    return 0; 
}

四、优缺点分析

1、优点：

稳定性高：每个客户端都在独立的进程中处理，即使某个客户端出现问题，也不会影响其他客户端。

编程相对简单：不需要处理复杂的并发编程逻辑，如互斥锁、条件变量等。

资源隔离：每个子进程都有自己的地址空间，避免了资源共享带来的问题。

2、缺点：

资源开销大：每个子进程都需要占用一定的系统资源，如内存、CPU 时间片等，当客户端数量较多时，资源消耗会比较大。

上下文切换开销：频繁地创建和销毁子进程会导致大量的上下文切换，影响系统性能。

通信效率低：父子进程之间通信需要通过管道、信号量等 IPC 机制进行，通信效率相对较低。

五、适用场景

多进程服务器适用于对稳定性要求较高的服务器，如 Web 服务器、文件服务器等，这些服务器需要长时间运行，并且能够处理大量并发客户端的请求，由于多进程服务器具有良好的隔离性和稳定性，因此可以有效地保证服务器的正常运行，多进程服务器还适用于需要处理大量独立且较短连接的应用场景，如即时通讯服务器、游戏服务器等，在这些场景中，每个客户端的连接时间相对较短，但连接数量可能非常多，多进程服务器可以通过创建多个子进程来并行处理这些客户端的请求，从而提高系统的并发处理能力。

六、FAQs

1、问：多进程服务器中，如何避免僵尸进程？

答：可以使用waitpid 函数在父进程中回收已结束的子进程的资源，或者使用信号处理函数来自动回收僵尸进程，在示例代码中，我们使用了signal(SIGCHLD, SIG_IGN) 来忽略SIGCHLD 信号，这样当子进程结束时，其资源会自动被系统回收，避免了僵尸进程的产生，但是需要注意的是，这种方法虽然简单，但并不是最优雅的解决方案，更好的做法是在父进程中显式地调用waitpid 来等待子进程结束，并获取其退出状态码。

2、问：多进程服务器的性能瓶颈在哪里？

答：多进程服务器的性能瓶颈主要体现在以下几个方面：

资源限制：每个子进程都需要占用一定的系统资源，如内存、CPU 时间片等，当客户端数量较多时，资源消耗会比较大，可能导致系统性能下降。

上下文切换开销：频繁地创建和销毁子进程会导致大量的上下文切换，影响系统性能，上下文切换是指 CPU 从一个进程切换到另一个进程的过程，这个过程需要保存当前进程的状态并加载新进程的状态，开销较大。

通信效率低：父子进程之间通信需要通过管道、信号量等 IPC 机制进行，通信效率相对较低，相比于线程之间的共享内存通信，进程间通信需要更多的系统调用和数据拷贝操作。