如何设计一个高效的fork服务器？

Fork 服务器设计

一、fork 函数简介

fork()函数是UNIX或类UNIX系统中用于创建新进程的系统调用，它通过复制当前进程来创建一个子进程，子进程几乎与父进程完全相同，包括代码段、数据段、BSS段、堆和栈等所有用户空间信息，在内核中，操作系统会重新为子进程申请一个任务队列项（task_struct结构），并将其放入双向循环链表中进行调度和管理。

当fork()函数被调用时，它会返回两次：一次是在父进程中返回子进程的PID；另一次是在子进程中返回0，通过检查fork()的返回值，可以判断当前是运行在父进程中还是子进程中。

二、多进程服务器实现

多进程服务器通常使用fork()函数来处理并发客户端连接，以下是一个基本的多进程TCP服务器的设计步骤和代码示例：

1、创建监听套接字：使用socket()函数创建一个套接字，并绑定到服务器的IP地址和端口号上，然后使用listen()函数开始监听客户端连接请求。

2、等待客户端连接：使用accept()函数阻塞等待客户端的连接请求，accept()函数会返回一个新的套接字描述符（conn_fd），用于与客户端通信。

3、创建子进程：每当有新的客户端连接时，父进程会调用fork()函数创建一个子进程来处理该连接，父进程关闭连接套接字（conn_fd），继续等待新的客户端连接；子进程关闭监听套接字（listen_fd），专注于处理与客户端的数据交互。

4、处理客户端请求：子进程使用read()和write()函数与客户端进行数据传输，传输完成后，关闭连接套接字并退出子进程。

5、清理工作：父进程在接收到信号（如SIGCHLD）时，需要调用wait()或waitpid()函数来回收已终止子进程的资源，避免产生僵尸进程。

以下是一个简单的多进程TCP服务器的代码示例（C语言）：

#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 <signal.h>
void handle_client(int client_sock) {
    char buffer[1024];
    int n;
    while ((n = read(client_sock, buffer, sizeof(buffer))) > 0) {
        write(client_sock, buffer, n); // Echo back to client
    }
    close(client_sock);
    exit(0); // Child process exits
}
int main() {
    int listen_fd, conn_fd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    pid_t pid;
    // Create listening socket
    listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listen_fd < 0) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    // Bind to port
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(8080);
    if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    // Listen for connections
    if (listen(listen_fd, 10) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    // Set up signal handler to clean up zombie processes
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    printf("Server is running on port 8080...
");
    while (1) {
        // Accept a new connection
        conn_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
        if (conn_fd < 0) {
            perror("accept");
            continue;
        }
        // Fork a new process to handle the connection
        pid = fork();
        if (pid < 0) {
            perror("fork");
            close(conn_fd);
            continue;
        } else if (pid == 0) {
            // This is the child process
            close(listen_fd); // Child doesn't need the listener
            handle_client(conn_fd);
        } else {
            // This is the parent process
            close(conn_fd); // Parent doesn't need the connection descriptor
        }
    }
    close(listen_fd);
    return 0;
}

三、相关问题与解答栏目

问题1：为什么在fork()之后需要关闭文件描述符？

答：在fork()之后，父子进程共享相同的文件描述符表，为了确保资源的正确释放和避免混乱，父子进程需要根据各自的角色关闭不需要的文件描述符，父进程关闭连接套接字（conn_fd），因为它只需要监听套接字（listen_fd）；而子进程关闭监听套接字（listen_fd），因为它只需要处理与客户端的通信。

问题2：如何避免僵尸进程的产生？

答：僵尸进程是指已经终止但其父进程尚未回收其资源的进程，为了避免僵尸进程的产生，父进程可以使用wait()或waitpid()函数来回收已终止子进程的资源，还可以使用信号处理机制（如设置SIGCHLD信号的处理函数为SIG_IGN）来自动忽略子进程的终止状态，从而避免产生僵尸进程。

小伙伴们，上文介绍了“fork 服务器设计”的内容，你了解清楚吗？希望对你有所帮助，任何问题可以给我留言，让我们下期再见吧。