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自己动手开发一个 Web 服务器(三)

2016-1-3 10:00    收藏: 7 分享: 1    

第二部分中,你开发了一个能够处理HTTPGET请求的简易WSGI服务器。在上一篇的最后,我问了你一个问题:“怎样让服务器一次处理多个请求?”读完本文,你就能够完美地回答这个问题。接下来,请你做好准备,因为本文的内容非常多,节奏也很快。文中的所有代码都可以在Github仓库下载。

首先,我们简单回忆一下简易网络服务器是如何实现的,服务器要处理客户端的请求需要哪些条件。你在前面两部分文章中开发的服务器,是一个迭代式服务器iterative server,还只能一次处理一个客户端请求。只有在处理完当前客户端请求之后,它才能接收新的客户端连接。这样,有些客户端就必须要等待自己的请求被处理了,而对于流量大的服务器来说,等待的时间就会特别长。

客户端逐个等待服务器响应

下面是迭代式服务器webserver3a.py的代码:

#####################################################################
# Iterative server - webserver3a.py                                 #
#                                                                   #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X  #
#####################################################################
import socket

SERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 8888
REQUEST_QUEUE_SIZE = 5


def handle_request(client_connection):
    request = client_connection.recv(1024)
    print(request.decode())
    http_response = b"""\
HTTP/1.1 200 OK

Hello, World!
"""
    client_connection.sendall(http_response)


def serve_forever():
    listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
    listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)
    listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)
    print('Serving HTTP on port {port} ...'.format(port=PORT))

    while True:
        client_connection, client_address = listen_socket.accept()
        handle_request(client_connection)
        client_connection.close()

if __name__ == '__main__':
    serve_forever()

如果想确认这个服务器每次只能处理一个客户端的请求,我们对上述代码作简单修改,在向客户端返回响应之后,增加60秒的延迟处理时间。这个修改只有一行代码,即告诉服务器在返回响应之后睡眠60秒。

让服务器睡眠60秒

下面就是修改之后的服务器代码:

#########################################################################
# Iterative server - webserver3b.py                                     #
#                                                                       #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X      #
#                                                                       #
# - Server sleeps for 60 seconds after sending a response to a client   #
#########################################################################
import socket
import time

SERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 8888
REQUEST_QUEUE_SIZE = 5


def handle_request(client_connection):
    request = client_connection.recv(1024)
    print(request.decode())
    http_response = b"""\
HTTP/1.1 200 OK

Hello, World!
"""
    client_connection.sendall(http_response)
    time.sleep(60)  # sleep and block the process for 60 seconds


def serve_forever():
    listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
    listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)
    listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)
    print('Serving HTTP on port {port} ...'.format(port=PORT))

    while True:
        client_connection, client_address = listen_socket.accept()
        handle_request(client_connection)
        client_connection.close()

if __name__ == '__main__':
    serve_forever()

接下来,我们启动服务器:

$ python webserver3b.py

现在,我们打开一个新的终端窗口,并运行curl命令。你会立刻看到屏幕上打印出了“Hello, World!”这句话:

$ curl http://localhost:8888/hello
Hello, World!

接着我们立刻再打开一个终端窗口,并运行curl命令:

$ curl http://localhost:8888/hello

如果你在60秒了完成了上面的操作,那么第二个curl命令应该不会立刻产生任何输出结果,而是处于挂死(hang)状态。服务器也不会在标准输出中打印这个新请求的正文。下面这张图就是我在自己的Mac上操作时的结果(右下角那个边缘高亮为黄色的窗口,显示的就是第二个curl命令挂死):

Mac上操作时的结果

当然,你等了足够长时间之后(超过60秒),你会看到第一个curl命令结束,然后第二个curl命令会在屏幕上打印出“Hello, World!”,之后再挂死60秒,最后才结束:

curl命令演示

这背后的实现方式是,服务器处理完第一个curl客户端请求后睡眠60秒,才开始处理第二个请求。这些步骤是线性执行的,或者说迭代式一步一步执行的。在我们这个实例中,则是一次一个请求这样处理。

接下来,我们简单谈谈客户端与服务器之间的通信。为了让两个程序通过网络进行通信,二者均必须使用套接字。你在前两章中也看到过套接字,但到底什么是套接字?

什么是套接字

套接字是通信端点communication endpoint的抽象形式,可以让一个程序通过文件描述符file descriptor与另一个程序进行通信。在本文中,我只讨论Linux/Mac OS X平台上的TCP/IP套接字。其中,尤为重要的一个概念就是TCP套接字对socket pair

TCP连接所使用的套接字对是一个4元组4-tuple,包括本地IP地址、本地端口、外部IP地址和外部端口。一个网络中的每一个TCP连接,都拥有独特的套接字对。IP地址和端口号通常被称为一个套接字,二者一起标识了一个网络端点。

套接字对合套接字

因此,{10.10.10.2:49152, 12.12.12.3:8888}元组组成了一个套接字对,代表客户端侧TCP连接的两个唯一端点,{12.12.12.3:8888, 10.10.10.2:49152}元组组成另一个套接字对,代表服务器侧TCP连接的两个同样端点。构成TCP连接中服务器端点的两个值分别是IP地址12.12.12.3和端口号8888,它们在这里被称为一个套接字(同理,客户端端点的两个值也是一个套接字)。

服务器创建套接字并开始接受客户端连接的标准流程如下:

服务器创建套接字并开始接受客户端连接的标准流程

  1. 服务器创建一个TCP/IP套接字。通过下面的Python语句实现:

    listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

  2. 服务器可以设置部分套接字选项(这是可选项,但你会发现上面那行服务器代码就可以确保你重启服务器之后,服务器会继续使用相同的地址)。

    listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)

  3. 然后,服务器绑定地址。绑定函数为套接字指定一个本地协议地址。调用绑定函数时,你可以单独指定端口号或IP地址,也可以同时指定两个参数,甚至不提供任何参数也没问题。

    listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)

  4. 接着,服务器将该套接字变成一个侦听套接字:

    listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)

listen方法只能由服务器调用,执行后会告知服务器应该接收针对该套接字的连接请求。

完成上面四步之后,服务器会开启一个循环,开始接收客户端连接,不过一次只接收一个连接。当有连接请求时,accept方法会返回已连接的客户端套接字。然后,服务器从客户端套接字读取请求数据,在标准输出中打印数据,并向客户端返回消息。最后,服务器会关闭当前的客户端连接,这时服务器又可以接收新的客户端连接了。

要通过TCP/IP协议与服务器进行通信,客户端需要作如下操作:

客户端与服务器进行通信所需要的操作

下面这段示例代码,实现了客户端连接至服务器,发送请求,并打印响应内容的过程:

import socket

# create a socket and connect to a server
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
sock.connect(('localhost', 8888))

# send and receive some data
sock.sendall(b'test')
data = sock.recv(1024)
print(data.decode())

在创建套接字之后,客户端需要与服务器进行连接,这可以通过调用connect方法实现:

sock.connect(('localhost', 8888))

客户端只需要提供远程IP地址或主机名,以及服务器的远程连接端口号即可。

你可能已经注意到,客户端不会调用bindaccept方法。不需要调用bind方法,是因为客户端不关心本地IP地址和本地端口号。客户端调用connect方法时,系统内核中的TCP/IP栈会自动指定本地IP地址和本地端口。本地端口也被称为临时端口ephemeral port

本地端口——临时端口号

服务器端有部分端口用于连接熟知的服务,这种端口被叫做“熟知端口”well-known port,例如,80用于HTTP传输服务,22用于SSH协议传输。接下来,我们打开Python shell,向在本地运行的服务器发起一个客户端连接,然后查看系统内核为你创建的客户端套接字指定了哪个临时端口(在进行下面的操作之前,请先运行webserver3a.pywebserver3b.py文件,启动服务器):

>>> import socket
>>> sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
>>> sock.connect(('localhost', 8888))
>>> host, port = sock.getsockname()[:2]
>>> host, port
('127.0.0.1', 60589)

在上面的示例中,我们看到内核为套接字指定的临时端口是60589。

在开始回答第二部分最后提的问题之前,我需要快速介绍一些其他的重要概念。稍后你就会明白我为什么要这样做。我要介绍的重要概念就是进程process文件描述符file descriptor

什么是进程?进程就是正在执行的程序的一个实例。举个例子,当服务器代码执行的时候,这些代码就被加载至内存中,而这个正在被执行的服务器的实例就叫做进程。系统内核会记录下有关进程的信息——包括进程ID,以便进行管理。所以,当你运行迭代式服务器webserver3a.pywebserver3b.py时,你也就开启了一个进程。

服务器进程

我们在终端启动webserver3a.py服务器:

$ python webserver3b.py

然后,我们在另一个终端窗口中,使用ps命令来获取上面那个服务器进程的信息:

$ ps | grep webserver3b | grep -v grep 
7182 ttys003    0:00.04 python webserver3b.py

ps命令的结果,我们可以看出你的确只运行了一个Python进程webserver3b。进程创建的时候,内核会给它指定一个进程ID——PID。在UNIX系统下,每个用户进程都会有一个父进程parent process,而这个父进程也有自己的进程ID,叫做父进程ID,简称PPID。在本文中,我默认大家使用的是BASH,因此当你启动服务器的时候,系统会创建服务器进程,指定一个PID,而服务器进程的父进程PID则是BASH shell进程的PID。

进程ID与父进程ID

接下来请自己尝试操作一下。再次打开你的Python shell程序,这会创建一个新进程,然后我们通过os.gepid()os.getppid()这两个方法,分别获得Python shell进程的PID及它的父进程PID(即BASH shell程序的PID)。接着,我们打开另一个终端窗口,运行ps命令,grep检索刚才所得到的PPID(父进程ID,本操作时的结果是3148)。在下面的截图中,你可以看到我在Mac OS X上的操作结果:

Mac OS X系统下进程ID与父进程ID演示

另一个需要掌握的重要概念就是文件描述符file descriptor。那么,到底什么是文件描述符?文件描述符指的就是当系统打开一个现有文件、创建一个新文件或是创建一个新的套接字之后,返回给进程的那个正整型数。系统内核通过文件描述符来追踪一个进程所打开的文件。当你需要读写文件时,你也通过文件描述符说明。Python语言中提供了用于处理文件(和套接字)的高层级对象,所以你不必直接使用文件描述符来指定文件,但是从底层实现来看,UNIX系统中就是通过它们的文件描述符来确定文件和套接字的。

文件描述符

一般来说,UNIX shell会将文件描述符0指定给进程的标准输出,文件描述富1指定给进程的标准输出,文件描述符2指定给标准错误。

标准输入的文件描述符

正如我前面提到的那样,即使Python语言提供了高层及的文件或类文件对象,你仍然可以对文件对象使用fileno()方法,来获取该文件相应的文件描述符。我们回到Python shell中来试验一下。

>>> import sys
>>> sys.stdin
<open file '<stdin>', mode 'r' at 0x102beb0c0>
>>> sys.stdin.fileno()
0
>>> sys.stdout.fileno()
1
>>> sys.stderr.fileno()
2

在Python语言中处理文件和套接字时,你通常只需要使用高层及的文件/套接字对象即可,但是有些时候你也可能需要直接使用文件描述符。下面这个示例演示了你如何通过write()方法向标准输出中写入一个字符串,而这个write方法就接受文件描述符作为自己的参数:

>>> import sys
>>> import os
>>> res = os.write(sys.stdout.fileno(), 'hello\n')
hello

还有一点挺有意思——如果你知道Unix系统下一切都是文件,那么你就不会觉得奇怪了。当你在Python中创建一个套接字后,你获得的是一个套接字对象,而不是一个正整型数,但是你还是可以和上面演示的一样,通过fileno()方法直接访问这个套接字的文件描述符。

>>> import socket
>>> sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
>>> sock.fileno()
3

我还想再说一点:不知道大家有没有注意到,在迭代式服务器webserver3b.py的第二个示例中,我们的服务器在处理完请求后睡眠60秒,但是在睡眠期间,我们仍然可以通过curl命令与服务器建立连接?当然,curl命令并没有立刻输出结果,只是出于挂死状态,但是为什么服务器既然没有接受新的连接,客户端也没有立刻被拒绝,而是仍然继续连接至服务器呢?这个问题的答案在于套接字对象的listen方法,以及它使用的BACKLOG参数。在示例代码中,这个参数的值被我设置为REQUEST_QUEQUE_SIZEBACKLOG参数决定了内核中外部连接请求的队列大小。当webserver3b.py服务器睡眠时,你运行的第二个curl命令之所以能够连接服务器,是因为连接请求队列仍有足够的位置。

虽然提高BACKLOG参数的值并不会让你的服务器一次处理多个客户端请求,但是业务繁忙的服务器也应该设置一个较大的BACKLOG参数值,这样accept函数就可以直接从队列中获取新连接,立刻开始处理客户端请求,而不是还要花时间等待连接建立。

呜呼!到目前为止,已经给大家介绍了很多知识。我们现在快速回顾一下之前的内容。

  • 迭代式服务器
  • 服务器套接字创建流程(socket, bind, listen, accept)
  • 客户端套接字创建流程(socket, connect)
  • 套接字对Socket pair
  • 套接字
  • 临时端口Ephemeral port熟知端口well-known port
  • 进程
  • 进程ID(PID),父进程ID(PPID)以及父子关系
  • 文件描述符File descriptors
  • 套接字对象的listen方法中BACKLOG参数的意义

现在,我可以开始回答第二部分留下的问题了:如何让服务器一次处理多个请求?换句话说,如何开发一个并发服务器?

并发服务器手绘演示

在Unix系统中开发一个并发服务器的最简单方法,就是调用系统函数fork()

fork()系统函数调用

下面就是崭新的webserver3c.py并发服务器,能够同时处理多个客户端请求:

###########################################################################
# Concurrent server - webserver3c.py                                      #
#                                                                         #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X        #
#                                                                         #
# - Child process sleeps for 60 seconds after handling a client's request #
# - Parent and child processes close duplicate descriptors                #
#                                                                         #
###########################################################################
import os
import socket
import time

SERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 8888
REQUEST_QUEUE_SIZE = 5


def handle_request(client_connection):
    request = client_connection.recv(1024)
    print(
        'Child PID: {pid}. Parent PID {ppid}'.format(
            pid=os.getpid(),
            ppid=os.getppid(),
        )
    )
    print(request.decode())
    http_response = b"""\
HTTP/1.1 200 OK

Hello, World!
"""
    client_connection.sendall(http_response)
    time.sleep(60)


def serve_forever():
    listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
    listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)
    listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)
    print('Serving HTTP on port {port} ...'.format(port=PORT))
    print('Parent PID (PPID): {pid}\n'.format(pid=os.getpid()))

    while True:
        client_connection, client_address = listen_socket.accept()
        pid = os.fork()
        if pid == 0:  # child
            listen_socket.close()  # close child copy
            handle_request(client_connection)
            client_connection.close()
            os._exit(0)  # child exits here
        else:  # parent
            client_connection.close()  # close parent copy and loop over

if __name__ == '__main__':
    serve_forever()

在讨论fork的工作原理之前,请测试一下上面的代码,亲自确认一下服务器是否能够同时处理多个客户端请求。我们通过命令行启动上面这个服务器:

$ python webserver3c.py

然后输入之前迭代式服务器示例中的两个curl命令。现在,即使服务器子进程在处理完一个客户端请求之后会睡眠60秒,但是并不会影响其他客户端,因为它们由不同的、完全独立的进程处理。你应该可以立刻看见curl命令输出“Hello, World”,然后挂死60秒。你可以继续运行更多的curl命令,所有的命令都会输出服务器的响应结果——“Hello, World”,不会有任何延迟。你可以试试。

关于fork()函数有一点最为重要,就是你调用fork一次,但是函数却会返回两次:一次是在父进程里返回,另一次是在子进程中返回。当你fork一个进程时,返回给子进程的PID是0,而fork返回给父进程的则是子进程的PID。

fork函数

我还记得,第一次接触并使用fork函数时,自己感到非常不可思议。我觉得这就好像一个魔法。之前还是一个线性的代码,突然一下子克隆了自己,出现了并行运行的相同代码的两个实例。我当时真的觉得这和魔法也差不多了。

当父进程fork一个新的子进程时,子进程会得到父进程文件描述符的副本:

当父进程fork一个新的子进程时,子进程会得到父进程文件描述符的副本

你可能也注意到了,上面代码中的父进程关闭了客户端连接:

else:  # parent
    client_connection.close()  # close parent copy and loop over

那为什么父进程关闭了套接字之后,子进程却仍然能够从客户端套接字中读取数据呢?答案就在上面的图片里。系统内核根据文件描述符计数descriptor reference counts来决定是否关闭套接字。系统只有在描述符计数变为0时,才会关闭套接字。当你的服务器创建一个子进程时,子进程就会获得父进程文件描述符的副本,系统内核则会增加这些文件描述符的计数。在一个父进程和一个子进程的情况下,客户端套接字的文件描述符计数为2。当上面代码中的父进程关闭客户端连接套接字时,只是让套接字的计数减为1,还不够让系统关闭套接字。子进程同样关闭了父进程侦听套接字的副本,因为子进程不关心要不要接收新的客户端连接,只关心如何处理连接成功的客户端所发出的请求。

listen_socket.close()  # close child copy

稍后,我会给大家介绍如果不关闭重复的描述符的后果。

从上面并行服务器的源代码可以看出,服务器父进程现在唯一的作用,就是接受客户端连接,fork一个新的子进程来处理该客户端连接,然后回到循环的起点,准备接受其他的客户端连接,仅此而已。服务器父进程并不会处理客户端请求,而是由它的子进程来处理。

谈得稍远一点。我们说两个事件是并行时,到底是什么意思?

并行事件

我们说两个事件是并行的,通常指的是二者同时发生。这是简单的定义,但是你应该牢记它的严格定义:

如果你不能分辨出哪个程序会先执行,那么二者就是并行的。

现在又到了回顾目前已经介绍的主要观点和概念。

checkpoint

  • Unix系统中开发并行服务器最简单的方法,就是调用fork()函数
  • 当一个进程fork新进程时,它就成了新创建进程的父进程
  • 在调用fork之后,父进程和子进程共用相同的文件描述符
  • 系统内核通过描述符计数来决定是否关闭文件/套接字
  • 服务器父进程的角色:它现在所做的只是接收来自客户端的新连接,fork一个子进程来处理该客户端的请求,然后回到循环的起点,准备接受新的客户端连接

接下来,我们看看如果不关闭父进程和子进程中的重复套接字描述符,会发生什么情况。下面的并行服务器(webserver3d.py)作了一些修改,确保服务器不关闭重复的:

###########################################################################
# Concurrent server - webserver3d.py                                      #
#                                                                         #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X        #
###########################################################################
import os
import socket

SERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 8888
REQUEST_QUEUE_SIZE = 5


def handle_request(client_connection):
    request = client_connection.recv(1024)
    http_response = b"""\
HTTP/1.1 200 OK

Hello, World!
"""
    client_connection.sendall(http_response)


def serve_forever():
    listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
    listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)
    listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)
    print('Serving HTTP on port {port} ...'.format(port=PORT))

    clients = []
    while True:
        client_connection, client_address = listen_socket.accept()
        # store the reference otherwise it's garbage collected
        # on the next loop run
        clients.append(client_connection)
        pid = os.fork()
        if pid == 0:  # child
            listen_socket.close()  # close child copy
            handle_request(client_connection)
            client_connection.close()
            os._exit(0)  # child exits here
        else:  # parent
            # client_connection.close()
            print(len(clients))

if __name__ == '__main__':
    serve_forever()

启动服务器:

$ python webserver3d.py

然后通过curl命令连接至服务器:

$ curl http://localhost:8888/hello
Hello, World!

我们看到,curl命令打印了并行服务器的响应内容,但是并没有结束,而是继续挂死。服务器出现了什么不同情况吗?服务器不再继续睡眠60秒:它的子进程会积极处理客户端请求,处理完成后就关闭客户端连接,然后结束运行,但是客户端的curl命令却不会终止。

服务器不再睡眠,其子进程积极处理客户端请求

那么为什么curl命令会没有结束运行呢?原因在于重复的文件描述符duplicate file descriptor。当子进程关闭客户端连接时,系统内核会减少客户端套接字的计数,变成了1。服务器子进程结束了,但是客户端套接字并没有关闭,因为那个套接字的描述符计数并没有变成0,导致系统没有向客户端发送终止包termination packet(用TCP/IP的术语来说叫做FIN),也就是说客户端仍然在线。但是还有另一个问题。如果你一直运行的服务器不去关闭重复的文件描述符,服务器最终就会耗光可用的文件服务器:

文件描述符

按下Control-C,关闭webserver3d.py服务器,然后通过shell自带的ulimit命令查看服务器进程可以使用的默认资源:

$ ulimit -a
core file size          (blocks, -c) 0
data seg size           (kbytes, -d) unlimited
scheduling priority             (-e) 0
file size               (blocks, -f) unlimited
pending signals                 (-i) 3842
max locked memory       (kbytes, -l) 64
max memory size         (kbytes, -m) unlimited
open files                      (-n) 1024
pipe size            (512 bytes, -p) 8
POSIX message queues     (bytes, -q) 819200
real-time priority              (-r) 0
stack size              (kbytes, -s) 8192
cpu time               (seconds, -t) unlimited
max user processes              (-u) 3842
virtual memory          (kbytes, -v) unlimited
file locks                      (-x) unlimited

从上面的结果中,我们可以看到:在我这台Ubuntu电脑上,服务器进程可以使用的文件描述符(打开的文件)最大数量为1024。

现在,我们来看看如果服务器不关闭重复的文件描述符,服务器会不会耗尽可用的文件描述符。我们在现有的或新开的终端窗口里,将服务器可以使用的最大文件描述符数量设置为256:

$ ulimit -n 256

在刚刚运行了$ ulimit -n 256命令的终端里,我们开启webserver3d.py服务器:

$ python webserver3d.py

然后通过下面的client3.py客户端来测试服务器。

#####################################################################
# Test client - client3.py                                          #
#                                                                   #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X  #
#####################################################################
import argparse
import errno
import os
import socket


SERVER_ADDRESS = 'localhost', 8888
REQUEST = b"""\
GET /hello HTTP/1.1
Host: localhost:8888

"""


def main(max_clients, max_conns):
    socks = []
    for client_num in range(max_clients):
        pid = os.fork()
        if pid == 0:
            for connection_num in range(max_conns):
                sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
                sock.connect(SERVER_ADDRESS)
                sock.sendall(REQUEST)
                socks.append(sock)
                print(connection_num)
                os._exit(0)


if __name__ == '__main__':
    parser = argparse.ArgumentParser(
        description='Test client for LSBAWS.',
        formatter_class=argparse.ArgumentDefaultsHelpFormatter,
    )
    parser.add_argument(
        '--max-conns',
        type=int,
        default=1024,
        help='Maximum number of connections per client.'
    )
    parser.add_argument(
        '--max-clients',
        type=int,
        default=1,
        help='Maximum number of clients.'
    )
    args = parser.parse_args()
    main(args.max_clients, args.max_conns)

打开一个新终端窗口,运行client3.py,并让客户端创建300个与服务器的并行连接:

$ python client3.py --max-clients=300

很快你的服务器就会崩溃。下面是我的虚拟机上抛出的异常情况:

服务器连接过多

问题很明显——服务器应该关闭重复的描述符。但即使你关闭了这些重复的描述符,你还没有彻底解决问题,因为你的服务器还存在另一个问题,那就是僵尸进程!

僵尸进程

没错,你的服务器代码确实会产生僵尸进程。我们来看看这是怎么回事。再次运行服务器:

$ python webserver3d.py

在另一个终端窗口中运行下面的curl命令:

$ curl http://localhost:8888/hello

现在,我们运行ps命令,看看都有哪些正在运行的Python进程。下面是我的Ubuntu虚拟机中的结果:

$ ps auxw | grep -i python | grep -v grep
vagrant   9099  0.0  1.2  31804  6256 pts/0    S+   16:33   0:00 python webserver3d.py
vagrant   9102  0.0  0.0      0     0 pts/0    Z+   16:33   0:00 [python] <defunct>

我们发现,第二行中显示的这个进程的PID为9102,状态是Z+,而进程的名称叫做<defunct>。这就是我们要找的僵尸进程。僵尸进程的问题在于你无法杀死它们。

僵尸进程无法被杀死

即使你试图通过$ kill -9命令杀死僵尸进程,它们还是会存活下来。你可以试试看。

到底什么是僵尸进程,服务器又为什么会创建这些进程?僵尸进程其实是已经结束了的进程,但是它的父进程并没有等待进程结束,所以没有接收到进程结束的状态信息。当子进程在父进程之前退出,系统就会将子进程变成一个僵尸进程,保留原子进程的部分信息,方便父进程之后获取。系统所保留的信息通常包括进程ID、进程结束状态和进程的资源使用情况。好吧,这样说僵尸进程也有自己存在的理由,但是如果服务器不处理好这些僵尸进程,系统就会堵塞。我们来看看是否如此。首先,停止正在运行的服务器,然后在新终端窗口中,使用ulimit命令将最大用户进程设置为400(还要确保将打开文件数量限制设置到一个较高的值,这里我们设置为500)。

$ ulimit -u 400
$ ulimit -n 500

然后在同一个窗口中启动webserver3d.py服务器:

$ python webserver3d.py

在新终端窗口中,启动客户端client3.py,让客户端创建500个服务器并行连接:

$ python client3.py --max-clients=500

结果,我们发现很快服务器就因为OSError而崩溃:这个异常指的是暂时没有足够的资源。服务器试图创建新的子进程时,由于已经达到了系统所允许的最大可创建子进程数,所以抛出这个异常。下面是我的虚拟机上的报错截图。

OSError异常

你也看到了,如果长期运行的服务器不处理好僵尸进程,将会出现重大问题。稍后我会介绍如何处理僵尸进程。

我们先回顾一下目前已经学习的知识点:

  • 如果你不关闭重复的文件描述符,由于客户端连接没有中断,客户端程序就不会结束。
  • 如果你不关闭重复的文件描述符,你的服务器最终会消耗完可用的文件描述符(最大打开文件数)
  • 当你fork一个子进程后,如果子进程在父进程之前退出,而父进程又没有等待进程,并获取它的结束状态,那么子进程就会变成僵尸进程。
  • 僵尸进程也需要消耗资源,也就是内存。如果不处理好僵尸进程,你的服务器最终会消耗完可用的进程数(最大用户进程数)。
  • 你无法杀死僵尸进程,你需要等待子进程结束。

那么,你要怎么做才能处理掉僵尸进程呢?你需要修改服务器代码,等待僵尸进程返回其结束状态termination status。要实现这点,你只需要在代码中调用wait系统函数即可。不过,这种方法并不是最理想的方案,因为如果你调用wait后,却没有结束了的子进程,那么wait调用将会阻塞服务器,相当于阻止了服务器处理新的客户端请求。那么还有其他的办法吗?答案是肯定的,其中一种办法就是将wait函数调用与信号处理函数signal handler结合使用。

信号处理函数

这种方法的具体原理如下。当子进程退出时,系统内核会发送一个SIGCHLD信号。父进程可以设置一个信号处理函数,用于异步监测SIGCHLD事件,然后再调用wait,等待子进程结束并获取其结束状态,这样就可以避免产生僵尸进程。

SIGCHLD信号与wait函数结合使用

顺便说明一下,异步事件意味着父进程实现并不知道该事件是否会发生。

接下来我们修改服务器代码,添加一个SIGCHLD事件处理函数,并在该函数中等待子进程结束。具体的代码见webserver3e.py文件:

###########################################################################
# Concurrent server - webserver3e.py                                      #
#                                                                         #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X        #
###########################################################################
import os
import signal
import socket
import time

SERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 8888
REQUEST_QUEUE_SIZE = 5


def grim_reaper(signum, frame):
    pid, status = os.wait()
    print(
        'Child {pid} terminated with status {status}'
        '\n'.format(pid=pid, status=status)
    )


def handle_request(client_connection):
    request = client_connection.recv(1024)
    print(request.decode())
    http_response = b"""\
HTTP/1.1 200 OK

Hello, World!
"""
    client_connection.sendall(http_response)
    # sleep to allow the parent to loop over to 'accept' and block there
    time.sleep(3)


def serve_forever():
    listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
    listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)
    listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)
    print('Serving HTTP on port {port} ...'.format(port=PORT))

    signal.signal(signal.SIGCHLD, grim_reaper)

    while True:
        client_connection, client_address = listen_socket.accept()
        pid = os.fork()
        if pid == 0:  # child
            listen_socket.close()  # close child copy
            handle_request(client_connection)
            client_connection.close()
            os._exit(0)
        else:  # parent
            client_connection.close()

if __name__ == '__main__':
    serve_forever()

启动服务器:

$ python webserver3e.py

再次使用curl命令,向修改后的并发服务器发送一个请求:

$ curl http://localhost:8888/hello

我们来看服务器的反应:

修改后的并发服务器处理请求

发生了什么事?accept函数调用报错了。

accept函数调用失败

子进程退出时,父进程被阻塞在accept函数调用的地方,但是子进程的退出导致了SIGCHLD事件,这也激活了信号处理函数。信号函数执行完毕之后,就导致了accept系统函数调用被中断:

accept调用被中断

别担心,这是个非常容易解决的问题。你只需要重新调用accept即可。下面我们再修改一下服务器代码(webserver3f.py),就可以解决这个问题:

###########################################################################
# Concurrent server - webserver3f.py                                      #
#                                                                         #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X        #
###########################################################################
import errno
import os
import signal
import socket

SERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 8888
REQUEST_QUEUE_SIZE = 1024


def grim_reaper(signum, frame):
    pid, status = os.wait()


def handle_request(client_connection):
    request = client_connection.recv(1024)
    print(request.decode())
    http_response = b"""\
HTTP/1.1 200 OK

Hello, World!
"""
    client_connection.sendall(http_response)


def serve_forever():
    listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
    listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)
    listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)
    print('Serving HTTP on port {port} ...'.format(port=PORT))

    signal.signal(signal.SIGCHLD, grim_reaper)

    while True:
        try:
            client_connection, client_address = listen_socket.accept()
        except IOError as e:
            code, msg = e.args
            # restart 'accept' if it was interrupted
            if code == errno.EINTR:
                continue
            else:
                raise

        pid = os.fork()
        if pid == 0:  # child
            listen_socket.close()  # close child copy
            handle_request(client_connection)
            client_connection.close()
            os._exit(0)
        else:  # parent
            client_connection.close()  # close parent copy and loop over


if __name__ == '__main__':
    serve_forever()

启动修改后的服务器:

$ python webserver3f.py

通过curl命令向服务器发送一个请求:

$ curl http://localhost:8888/hello

看到了吗?没有再报错了。现在,我们来确认下服务器没有再产生僵尸进程。只需要运行ps命令,你就会发现没有Python进程的状态是Z+了。太棒了!没有僵尸进程捣乱真是太好了。

checkpoint

  • 如果你fork一个子进程,却不等待进程结束,该进程就会变成僵尸进程。
  • 使用SIGCHLD时间处理函数来异步等待进程结束,获取其结束状态。
  • 使用事件处理函数时,你需要牢记系统函数调用可能会被中断,要做好这类情况发生得准备。

好了,目前一切正常。没有其他问题了,对吗?呃,基本上是了。再次运行webserver3f.py,然后通过client3.py创建128个并行连接:

$ python client3.py --max-clients 128

现在再次运行ps命令:

$ ps auxw | grep -i python | grep -v grep

噢,糟糕!僵尸进程又出现了!

僵尸进程又出现了

这次又是哪里出了问题?当你运行128个并行客户端,建立128个连接时,服务器的子进程处理完请求,几乎是同一时间退出的,这就触发了一大波的SIGCHLD信号发送至父进程。但问题是这些信号并没有进入队列,所以有几个信号漏网,没有被服务器处理,这就导致出现了几个僵尸进程。

部分信号没有被处理,导致出现僵尸进程

这个问题的解决方法,就是在SIGCHLD事件处理函数使用waitpid,而不是wait,再调用waitpid时增加WNOHANG选项,确保所有退出的子进程都会被处理。下面就是修改后的代码,webserver3g.py:

###########################################################################
# Concurrent server - webserver3g.py                                      #
#                                                                         #
# Tested with Python 2.7.9 & Python 3.4 on Ubuntu 14.04 & Mac OS X        #
###########################################################################
import errno
import os
import signal
import socket

SERVER_ADDRESS = (HOST, PORT) = '', 8888
REQUEST_QUEUE_SIZE = 1024


def grim_reaper(signum, frame):
    while True:
        try:
            pid, status = os.waitpid(
                -1,          # Wait for any child process
                 os.WNOHANG  # Do not block and return EWOULDBLOCK error
            )
        except OSError:
            return

        if pid == 0:  # no more zombies
            return


def handle_request(client_connection):
    request = client_connection.recv(1024)
    print(request.decode())
    http_response = b"""\
HTTP/1.1 200 OK

Hello, World!
"""
    client_connection.sendall(http_response)


def serve_forever():
    listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
    listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)
    listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)
    print('Serving HTTP on port {port} ...'.format(port=PORT))

    signal.signal(signal.SIGCHLD, grim_reaper)

    while True:
        try:
            client_connection, client_address = listen_socket.accept()
        except IOError as e:
            code, msg = e.args
            # restart 'accept' if it was interrupted
            if code == errno.EINTR:
                continue
            else:
                raise

        pid = os.fork()
        if pid == 0:  # child
            listen_socket.close()  # close child copy
            handle_request(client_connection)
            client_connection.close()
            os._exit(0)
        else:  # parent
            client_connection.close()  # close parent copy and loop over

if __name__ == '__main__':
    serve_forever()

启动服务器:

$ python webserver3g.py

使用客户端client3.py进行测试:

$ python client3.py --max-clients 128

现在请确认不会再出现僵尸进程了。

不会再出现僵尸进程了

恭喜大家!现在已经自己开发了一个简易的并发服务器,这个代码可以作为你以后开发生产级别的网络服务器的基础。

最后给大家留一个练习题,把第二部分中的WSGI修改为并发服务器。最终的代码可以在这里查看。不过请你在自己实现了之后再查看。

接下来该怎么办?借用乔希·比林斯(19世纪著名幽默大师)的一句话:

要像一张邮票,坚持一件事情直到你到达目的地。

坚持就是胜利

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