多进程并发服务器
辽宁科技大学课程教学大纲
辽宁科技大学课程教学大纲课程名称：Linux网络编程英文名称：Linux Network programming课程编号：x学时数：64其中实验学时数：20 课外学时数：学分数：4.0适用专业：网络工程一、课程的性质和任务《Linux网络编程》是网络工程专业开设的一门专业必修课。
本课程主要讲授Linux 系统下基于TCP/IP网络套接口的基本变成方法，包括迭代服务器与并发服务器编写方法、进程与线程编程技术、名字与地址解析编程、广播与组播编程及原始套接口编程等。
目的在于通过这门课的学习，使学生进一步深化进程与线程的理解，并在此基础上实现并发服务器，掌握通信双方协议制定与实现。
二、课程教学内容的基本要求、重点和难点（一）网络编程入门要求熟悉TCP/IP协议、TCP/IP通信特点，掌握Linux环境下C编程的基本过程；掌握套接字类型、套接字地址类型、套接字基本函数。
重点：套接字类型、套接字地址类型、套接字基本函数。
（二）基于TCP套接字编程要求熟悉TCP通信特点，掌握TCP通信网络编程的基本流程、TCP套接字编程函数，应用TCP协议编写基本TCP套接字编程实例。
重点：TCP服务器与客户端连接。
难点：TCP服务器与客户端连接。
（三）基于UDP套接字编程要求熟悉UDP通信特点，掌握UDP通信网络编程的基本流程、UDP套接字编程函数，应用UDP协议编写基本UDP套接字编程实例。
重点：数据收发。
（四）并发服务器要求了解并发服务器常见类型，熟练掌握多进程并发服务器、多线程并发服务器设计方法，编写简单的TCP多进程、多线程并发服务器。
重点：多进程并发服务器、多线程并发服务器设计方法难点：多进程、多线程编程（五）名字与地址转换编程要求掌握名字解析与地址解析常见函数。
（六）广播与多播要求掌握广播与多播编程。
重点：多播编程。
难点：多播编程。
（七）原始套接字编程与数据链路层编程应用原始套接字处理ICMP报文，了解Libpcap函数库使用基本方法。
服务器工作原理
服务器工作原理一、概述服务器是一种专门用于提供服务的计算机设备，它能够接收、处理和响应来自客户端的请求。
服务器工作原理是指服务器在接收到请求后，如何处理和响应这些请求的过程。
本文将详细介绍服务器工作原理的各个环节和关键技术。
二、服务器工作原理的主要环节1. 接收请求服务器通过网络接口卡（NIC）接收来自客户端的请求。
NIC负责将请求数据包从物理层转换为数字信号，并将其传递给服务器的操作系统。
2. 请求分发服务器的操作系统接收到请求后，需要进行请求分发。
请求分发的目的是将请求分配给合适的处理单元，以提高服务器的处理效率。
常见的请求分发方式有负载均衡、分片和分区等。
3. 请求处理服务器接收到请求后，需要对请求进行处理。
处理过程包括解析请求、验证身份、读取数据、执行相应的操作等。
服务器通常采用多线程或多进程的方式来处理请求，以提高并发处理能力。
4. 数据存储服务器在处理请求过程中，可能需要读取或写入数据。
数据存储是服务器工作原理中的重要环节。
服务器可以使用数据库、文件系统或内存等方式来存储数据，以满足不同的需求。
5. 响应请求服务器在处理完请求后，需要将处理结果返回给客户端。
服务器通过网络接口卡将响应数据包发送给客户端，并在网络层和物理层之间进行转换。
三、服务器工作原理的关键技术1. 网络协议服务器工作依赖于网络协议，常见的网络协议有TCP/IP、HTTP、FTP等。
服务器需要根据不同的协议来解析请求和生成响应。
2. 多线程/多进程为了提高服务器的并发处理能力，常见的做法是使用多线程或多进程。
多线程/多进程可以使服务器同时处理多个请求，提高系统的吞吐量。
3. 缓存技术服务器可以使用缓存技术来提高数据访问速度。
通过将常用的数据缓存在内存中，可以减少对磁盘或数据库的访问，从而加快响应速度。
4. 负载均衡负载均衡是一种将请求分发到多个服务器的技术。
通过负载均衡，可以使多台服务器共同处理请求，提高系统的可用性和性能。
ip和端口相同时tcp传输中的并发机制
ip和端口相同时tcp传输中的并发机制在网络通信中，IP和端口是用于标识和定位网络服务和应用程序的重要参数。
IP（Internet Protocol）地址用于标识网络中不同的主机和设备，而端口号用于标识特定主机上的不同网络应用程序或服务。
当IP和端口相同时，TCP（Transmission Control Protocol）传输中实现并发机制可以通过以下几种方式进行：1. 多线程并发：在服务器端，可以使用多线程来处理多个客户端的请求。
每个客户端连接会创建一个新的线程，在不同的线程中处理各自的请求和响应。
通过多线程，服务器能够同时处理多个客户端的请求，从而实现了并发机制。
在每个线程中，可以使用套接字进行通信，通过TCP传输数据。
2. 多进程并发：与多线程类似，服务器端也可以使用多进程的方式来处理多个客户端的请求。
每个客户端连接会创建一个新的进程，在不同的进程中处理各自的请求和响应。
通过多进程，服务器能够同时处理多个客户端的请求，实现了并发机制。
在每个进程中，同样可以使用套接字进行通信，通过TCP传输数据。
3. 线程池和进程池：为了避免频繁创建和销毁线程或进程的开销，可以使用线程池或进程池来管理可重用的线程或进程。
服务器端预先创建一定数量的线程或进程，并将它们添加到线程池或进程池中。
当客户端连接请求到达时，从线程池或进程池中获取一个可用的线程或进程来处理请求，并返回处理结果给客户端。
使用线程池或进程池可以有效地管理并发请求，提高服务器的性能和资源利用率。
4. 异步非阻塞IO：在服务器端，可以使用异步非阻塞IO方式来处理多个客户端的请求。
通过异步IO，服务器可以同时处理多个IO操作，而不需要等待每个操作的完成。
服务器在接收到客户端连接请求后，会立即返回，不阻塞等待数据的传输，而是继续处理其他请求。
服务器会通过回调函数或事件通知的方式，处理数据的读取和写入。
这种方式能够高效地处理大量并发请求，提高服务器的吞吐量。
C语言并发编程多线程和多进程的应用
C语言并发编程多线程和多进程的应用C语言是一门广泛应用于系统级开发的编程语言，它具备高性能和低级别的特点，常用于操作系统、设备驱动和嵌入式系统的开发。
在实际应用中，多线程和多进程是C语言并发编程的两个重要概念和技术，它们可以提高程序的性能和响应能力。
本文将介绍C语言中多线程和多进程的应用，并探讨它们在不同场景中的优劣和适用性。
一、多线程的应用1. 线程概念及优势多线程是指在一个进程内创建多个并行执行的线程，每个线程可以独立执行不同的任务。
相比单线程程序，多线程程序具有以下优势：- 提高程序的性能：多线程能够将任务拆分为多个子任务，并在多个线程上同时执行，从而减少程序的执行时间。
- 增加程序的响应能力：通过将阻塞操作放在单独的线程中执行，可以避免主线程的阻塞，提高程序的响应速度。
- 使程序结构更清晰：多线程可以提升程序的模块化和可维护性，将不同的功能模块独立封装在不同的线程中，易于理解和扩展。
2. 多线程的创建和同步在C语言中，可以使用标准的线程库如pthread来创建和管理线程。
创建线程的步骤包括线程的初始化、启动和等待线程的结束。
多线程之间的同步可以通过互斥锁、条件变量和信号量等机制来实现。
互斥锁用于保护共享资源的访问，条件变量用于线程之间的通信，信号量则可以用于限制并发访问的数量。
3. 多线程的应用场景多线程适用于以下场景：- 超过单个核心能力的计算任务：通过将任务分解为多个子任务，可以在多个核心上并行执行，提高计算任务的执行效率。
- 服务器应用：通过多线程可以提高服务器的并发处理能力，同时处理多个客户端请求。
- 图形界面程序：通过将耗时操作放在后台线程执行，可以提高界面的流畅性和响应速度。
二、多进程的应用1. 进程概念及优势进程是指一个程序的执行实例，它拥有独立的地址空间和资源。
多进程是指在操作系统中同时运行多个独立的进程，每个进程可以执行不同的任务。
多进程编程的优势包括：- 提高系统的稳定性：通过将不同的任务独立在多个进程中执行，可以避免一个进程的崩溃导致整个系统的崩溃。
并发程序设计1：多进程并发
并发程序设计1：多进程并发在并发程序设计中，主要有三种并发⽅式：多进程并发，基于IO复⽤并发，多线程并发。
本节主要介绍多进程并发。
以多客户端ehco程序为例。
1. 进程进程是具有独⽴功能的程序关于某个数据集合的⼀次运⾏活动，是OS为正在运⾏的程序建⽴的管理实体，是系统资源管理与分配的基本单位。
⼀个进程有五部分：操作系统管理该进程的数据结构(PCB)，内存代码，内存数据，程序状态字PSW，通⽤寄存器信息。
⼀个进程在OS中有四个基本状态。
如图1.1所⽰。
图1.1 进程四态挂起：挂起是OS收回进程的所有资源，将其移出内存。
创建进程时，实际上OS为其建⽴⼀个进程控制块，⽤于保存该进程的信息。
多个进程同时运⾏时，其在内存中的状态如图1.2所⽰。
图1.2 多进程的内核状态2. 多进程并发进程是程序运⾏的基本单位，对于多内核的计算机，多个进程可以在多内核上同时运⾏，提⾼程序的并发性。
如对于C/S类型的模型，客户端每发起⼀次通信，服务器开辟⼀个进程于其连接。
这样实现服务器同时服务多个客户端。
以经典的回声服务器，客户端为例，讲解多进程并发(注：Windows系统不⽀持，相关代码均以Linux系统为例)。
Linux系统的每个进程都有⼀个标志号，称为进程ID，其值⼤于2(1要分配给系统启动后的⾸个进程，⽤于协助操作系统)。
在Linux系统中，创建⼀个进程采⽤fork函数#include <unistd.h>pid_t fork(void); //pid_t为返回的ID号调⽤fork函数之后，⼦进程创建，⼦进程会复制⽗进程的所有信息，然后从fork调⽤之后开始执⾏。
那么怎么让⽗⼦进程执⾏不同的程序路径呢？这是通过主程序判断实现的，⽗进程调⽤fork函数，返回的是⼦进程的ID；⽽⼦进程的fork函数返回0，通过此返回值区别⽗⼦进程，从⽽控制fork函数之后的执⾏流。
2.1 僵⼫进程 ⽗进程fork⼦进程后，两个进程按各⾃的程序执⾏。
PHP实现高并发服务器的技术研究
PHP实现高并发服务器的技术研究随着互联网的快速发展和大众化，网站和应用程序要应对能够同时服务大量访问者的高并发情况，传统的应用服务器和Web服务器无法很好地解决这个问题。
为了解决高并发问题，新型的高并发服务器应运而生。
本篇文章介绍了在PHP中使用的一些方法来实现高并发服务器。
文章的主要分为以下几个部分：1. 前言PHP是一种世界上应用最广泛的服务器端脚本语言，它的执行效率和性能一直被质疑。
然而，在经过深入的研究后，人们发现使用PHP实现高并发服务器的方法正变得越来越成熟和可行。
在PHP中，通过使用一些相关的技术和解决方案，可以使高并发服务器实现成为可能。
2. 使用异步I/OPHP调用传统API时，通常会发现程序的运行速度较慢，而阻塞式I/O将导致服务器资源的浪费，影响高并发性能。
由此，开发人员可以使用异步I/O来解决这个问题。
PHP提供了一些扩展来实现异步I/O，例如：event、libevent、ratchet等等。
3. 多进程/多线程PHP是单进程单线程的解释型语言，所以在高并发服务器中，PHP的单线程性能是低效的，很容易造成服务器崩溃。
因此，多进程/多线程成为了解决高并发的常用方案。
在PHP中，可以通过pthreads、Swoole、Workerman等扩展来实现多进程/多线程。
4. 使用共享内存在高并发服务器中，很多数据的访问是相对独立的，数据的访问和操作往往会成为瓶颈。
为了解决这个问题，使用共享内存是一种非常有效的方法。
PHP中提供一个特殊的扩展，shmop，可以帮助开发人员实现共享内存来优化数据访问。
5. 存储结构调整使用PHP实现高并发服务器还需要注意存储结构的调整。
在高并发的情况下，需要频繁地访问数据。
因此，存储结构应该是优化的，例如：使用PHP的键值对存储，可以提高对数据的访问速度。
6. 定时器机制在高并发服务器中，使用定时器机制是一种常见的优化方法。
在PHP中，Swoole可以轻松地实现定时器任务。
并发执行的名词解释
并发执行的名词解释在计算机科学中，随着计算机的发展和进步，为了提高计算机系统的性能和效率，同时处理多个任务的需求也越来越强烈。
并发执行就是指在同一时间段内同时执行多个独立的任务或子任务，通过分时片段，使得这些任务在感觉上同时执行，从而提高系统的吞吐量和响应速度。
一、并发执行的原理并发执行的原理基于计算机系统中的一个重要概念，即进程。
进程是指在计算机中运行的一个程序实例，每个进程都具有各自的地址空间、执行状态和调度优先级。
并发执行通过同时运行多个进程，使得它们像同时执行一样，并在时间上互相切换。
这样的切换往往在短时间内完成，给用户一种同时执行多个任务的错觉。
二、并发执行的特点1. 提高系统资源利用率：通过并发执行，可以充分利用计算机的CPU、内存等资源，使系统的资源利用率提高，从而提高整个系统的效能。
2. 响应时间更短：通过并发执行，可以同时处理多个任务，使得系统的响应时间大幅度缩短。
无论是在操作系统还是在应用程序中，通过并发执行都能够提高用户的体验。
3. 提高系统的稳定性：通过并发执行，即使某个任务出现错误或异常，也不会影响其他任务的正常执行。
每个任务都具有一定的独立性，因此可以有效地隔离错误，提高系统的稳定性。
4. 支持多用户环境：并发执行是支持多用户环境的基础。
通过并发执行，可以同时为多个用户提供服务，满足用户的多样化需求。
5. 提高系统的扩展性：在现代计算机系统中，通过并发执行可以实现系统的扩展性。
无论是增加CPU核心数还是增加服务器节点，都可以通过并发执行来充分发挥系统的潜力。
三、并发执行的应用并发执行在各个领域都有广泛的应用。
以下是一些典型的应用场景：1. 操作系统：操作系统是最典型的并发执行应用之一。
操作系统能够同时管理多个进程，为用户提供良好的交互体验，并保证系统的稳定性和效率。
2. 数据库系统：数据库系统中的并发执行可以允许多个用户同时对数据库进行操作，实现数据并发访问和事务处理，提高数据库的访问效率和并发性。
循环和并发服务器比较
[4]C程序设计/谭浩强著.—3版.—北京：清华大学出版社，2005（2007重印）
[5] edsionte's Linuxworld|新手区/techblog/
3.2、并发服务器的应用场景及程序实例
一个典型的并发服务器程序框架:
pid_t pid;
int listenfd, connfd;
listenfd = Socket(……);
Bind(listenfd,…);
Listen(listenfd, LISTENQ);
for(;;)
{
connfd = Accept(listenfd,…);
2、循环和并发服务器的工作流程
2.1循环服务器的工作流程
面向连接的循环服务器算法
1)、创建套接字并将其绑定到它所提供服务的熟知端口上；
2)、将该端口设置为被动模式，使其准备为服务器所用；
3)、从该套接字上接收下一个连接请求，获得该连接的新的套接字；
4)、重复地读取来自客户的请求，构造响应，按照应用协议向客户发回响应；
参考文献：
[1] FreeBSD开发手册/doc/zh_CN.GB2312/books/developers-handbook/sockets-concurrent-servers.html
[2]计算机与网络/高殿武.—北京：机械工业出版社，2010.6
3.1、循环服务器的应用场景及程序实例
用于DAYTIME服务的服务器:
Int main(int argc, char *argv[])
{
Struct sockaddr_in fsin;
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一、实验目的理解进程的创建和终止方法；熟悉父进程与子进程对描述符的操作过程；学会编写基本的多进程并发服务器程序和客户程序。
二、实验平台ubuntu-8.04 操作系统三、实验内容编写多进程并发服务器程序和客户程序，具体功能如下：1、服务器等待接收客户的连接请求，一旦连接成功则显示客户地址，接着接收客户端的名称并显示；然后接收来自该客户的字符串，每当收到一个字符串时，显示该字符串，并将字符串按照恺撒密码的加密方式（K=3）进行加密，再将加密后的字符发回客户端；之后，继续等待接收该客户的信息，直到客户关闭连接。
要求服务器具有同时处理多个客户请求的能力。
2、客户首先与相应的服务器建立连接；接着接收用户输入的客户端名称，并将其发送给服务器；然后继续接收用户输入的字符串，再将字符串发送给服务器，同时接收服务器发回的加密后的字符串并显示。
之后，继续等待用户输入字符串，直到用户输入Ctrl+D，客户关闭连接并退出。
四、实验原理前面所实现的服务器/客户程序中，服务器每次只能处理一个客户的请求，他虽然很简单但效率低下。
在实际应用中，这样的服务器不能满足实际需求，并发技术可以极大地提高服务器的处理能力和响应速度。
TCP 并发服务器的工作流程见图6.1 所示：每个进程在初始化的时候，系统都分配了一个id号，用于标识此进程。
在Linux中进程号是唯一的，系统可以用这个值来表示一个进程，描述进程的id号通常叫做PID，即进程id（process id）。
PID的变量类型为pid_t，pid_t其实是一个typedef类型，定义为unsigned int。
1．函数getpid()：返回当前进程的ID号。
2．函数getppid()：返回当前进程的父进程的ID号。
进程的终止存在两个可能：父进程先于子进程终止（init进程领养）子进程先于主进程终止五、实验步骤1、登陆进入ubuntu 操作系统，新建一个文件，命名为mproc_server.c，新建另一个文件，命名为mproc_client.c。
2、在mproc_server.c 和mproc_client.c 中编写相应代码并保存。
3、打开一个“终端”，执行命令进入mproc_server.c 和mproc_client.c 所在目录。
4、执行命令gcc –o mproc_server mproc_server.c 生成可执行文件mproc_server。
5、执行命令gcc –o mproc_client mproc_client.c 生成可执行文件mproc_client。
6、执行命令./ mproc_server，运行服务器端。
7、打开第2 个“终端”，执行命令进入mproc_server.c 和mproc_client.c 所在目录。
8、执行命令./ mproc_client 127.0.0.2，模拟客户1。
9、打开第3 个“终端”，执行命令进入mproc_server.c 和mproc_client.c 所在目录。
10、执行命令./ mproc_client 127.0.0.3，模拟客户2。
11、打开第4 个“终端”，执行命令进入mproc_server.c 和mproc_client.c 所在目录。
12、执行命令./ mproc_client 127.0.0.4，模拟客户3。
六、参考程序1、mproc_server.c 内容如下：#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>#define PORT 1234 //定义端口号#define BACKLOG 5#define MAXDATASIZE 1000 //定义最大数据单元void process_cli(int connfd, struct sockaddr_in client);main(){int listenfd, connfd; //标识套接口的描述字pid_t pid;struct sockaddr_in server; //服务器端struct sockaddr_in client; //客户端int len; //地址长度if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) //创建套接字perror("Creating socket failed.");exit(1);}int opt = SO_REUSEADDR;setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));bzero(&server,sizeof(server)); //套接字的设置server.sin_family=AF_INET; //地址族server.sin_port=htons(PORT); //端口号server.sin_addr.s_addr = htonl (INADDR_ANY);if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) == -1){perror("Bind() error."); //绑定套接字exit(1);}if(listen(listenfd,BACKLOG) == -1) //服务器端启动监听{perror("listen() error\n");exit(1);}len=sizeof(client);while(1){if ((connfd = accept(listenfd,(struct sockaddr *)&client,&len))==-1){ //服务器端接收连接perror("accept() error\n");exit(1);}if ((pid=fork())>0) //父进程复制{close(connfd);continue;}else if (pid==0){close(listenfd); //关闭监听process_cli(connfd, client);exit(0);}else{printf("fork() error\n");exit(0);}close(listenfd);}void process_cli(int connfd, struct sockaddr_in client) //子进程复制{int num;char recvbuf[MAXDATASIZE], sendbuf[MAXDATASIZE], cli_name[MAXDATASIZE];printf("You got a connection from %s. ",inet_ntoa(client.sin_addr) );//响应来自客户端的连接num = recv(connfd, cli_name, MAXDATASIZE,0);if (num == 0){close(connfd);printf("Client disconnected.\n"); //客户端失去连接return;}cli_name[num - 1] = '\0';printf("Client's name is %s.\n",cli_name); //显示客户端的名称while (num = recv(connfd, recvbuf, MAXDATASIZE,0)){recvbuf[num] = '\0';printf("Received client( %s ) message: %s",cli_name, recvbuf); //显示客户端发送的信息int i = 0;for (i = 0; i < num - 1; i++){if((recvbuf[i]>='a'&&recvbuf[i]<='z')||(recvbuf[i]>='A'&&recvbuf[i]<='Z')) //接收数据缓冲{recvbuf[i]=recvbuf[i] + 3;if((recvbuf[i]>'Z'&&recvbuf[i]<='Z'+3)||(recvbuf[i]>'z'))recvbuf[i]=recvbuf[i] - 26;}sendbuf[i] = recvbuf[i];}sendbuf[num - 1] = '\0';send(connfd,sendbuf,strlen(sendbuf),0);}close(connfd); //终止主进程}2、mproc_client.c 内容如下：#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <netdb.h>#define PORT 1234#define MAXDATASIZE 100void process(FILE *fp, int sockfd);char* getMessage(char* sendline,int len, FILE* fp); //客户端发送的信息int main(int argc, char *argv[]){int fd;struct hostent *he;struct sockaddr_in server; /if (argc !=2) {printf("Usage: %s <IP Address>\n",argv[0]); // 输入一个IP地址exit(1);}if ((he=gethostbyname(argv[1]))==NULL) //未接收到任何字符{printf("gethostbyname() error\n");exit(1);}if ((fd=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))==-1) //IP地址是否符合要求{printf("socket() error\n"); //创建套接字exit(1);}bzero(&server,sizeof(server)); //初始化套接字server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(PORT);server.sin_addr = *((struct in_addr *)he->h_addr);if(connect(fd, (struct sockaddr *)&server,sizeof(server))==-1){printf("connect() error\n"); //连接错误exit(1);}process(stdin,fd); //父进程终止close(fd);}void process(FILE *fp, int sockfd){char sendline[MAXDATASIZE], recvline[MAXDATASIZE]; //连接到服务器int num;printf("Connected to server. \n");printf("Input client's name : "); //输入客户的名字if ( fgets(sendline, MAXDATASIZE, fp) == NULL){printf("\nExit.\n");return;}send(sockfd, sendline, strlen(sendline),0); //输入与客户相关的信息while (getMessage(sendline, MAXDATASIZE, fp) != NULL){send(sockfd, sendline, strlen(sendline),0);if ((num = recv(sockfd, recvline, MAXDATASIZE,0)) == 0) //接收数据缓冲区{printf("Server terminated.\n");return;}recvline[num]='\0';printf("Server Message: %s\n",recvline); //显示客户的相关信息}printf("\nExit.\n");}char* getMessage(char* sendline,int len, FILE* fp){printf("Input string to server:");return(fgets(sendline, MAXDATASIZE, fp)); //终止主进程}七、实验运行结果服务器终端的响应：客户端1：客户端2：客户端3：。