一起写一个Web服务器(3)

“发明创造时,我们学得最多” —— Piaget

本系列第二部分,你已经创造了一个可以处理基本的 HTTP GET 请求的 WSGI 服务器。我还问了你一个问题,“怎么让服务器在同一时间处理多个请求?”在本文中你将找到答案。那么,系好安全带加大马力。你马上就乘上快车啦。准备好Linux、Mac OS X(或任何类unix系统)和 Python。本文的所有源码都能在GitHub上找到。

首先咱们回忆下一个基本的Web服务器长什么样,要处理客户端请求它得做什么。你在第一部分第二部分创建的是一个迭代的服务器,每次处理一个客户端请求。除非已经处理了当前的客户端请求,否则它不能接受新的连接。有些客户端对此就不开心了,因为它们必须要排队等待,而且如果服务器繁忙的话,这个队伍会很长。

以下是迭代服务器webserver3a.py的代码:

要观察服务器同一时间只处理一个客户端请求,稍微修改一下服务器,在每次发送给客户端响应后添加一个60秒的延迟。添加这行代码就是告诉服务器睡眠60秒。

以下是睡眠版的服务器webserver3b.py代码:

启动服务器:

现在打开一个新的控制台窗口,运行以下curl命令。你应该立即就会看到屏幕上打印出了“Hello, World!”字符串:

立刻再打开一个控制台窗口,然后运行相同的curl命令:

如果你是在60秒内做的,那么第二个curl应该不会立刻产生任何输出,而是挂起。而且服务器也不会在标准输出打印出新请求体。在我的Mac上看起来像这样(在右下角的黄色高亮窗口表示第二个curl命令正挂起,等待服务器接受这个连接):

当你等待足够长时间(大于60秒)后,你会看到第一个curl终止了,第二个curl在屏幕上打印出“Hello, World!”,然后挂起60秒,然后再终止:

它是这么工作的,服务器完成处理第一个curl客户端请求,然后睡眠60秒后开始处理第二个请求。这些都是顺序地,或者迭代地,一步一步地,或者,在我们例子中是一次一个客户端请求地,发生。

咱们讨论点客户端和服务器的通信吧。为了让两个程序能够网络通信,它们必须使用socket。你在第一部分第二部分已经见过socket了,但是,socket是什么呢?

socket就是通信终端的一种抽象,它允许你的程序使用文件描述符和别的程序通信。本文我将详细谈谈在Linux/Mac OS X上的TCP/IP socket。理解socket的一个重要的概念是TCP socket对。

TCP的socket对是一个4元组,标识着TCP连接的两个终端:本地IP地址、本地端口、远程IP地址、远程端口。一个socket对唯一地标识着网络上的TCP连接。标识着每个终端的两个值,IP地址和端口号,通常被称为socket。

所以,元组{10.10.10.2:49152, 12.12.12.3:8888}是客户端TCP连接的唯一标识着两个终端的socket对。元组{12.12.12.3:8888, 10.10.10.2:49152}是服务器TCP连接的唯一标识着两个终端的socket对。标识TCP连接中服务器终端的两个值,IP地址12.12.12.3和端口8888,在这里就是指socket(同样适用于客户端终端)。

服务器创建一个socket并开始接受客户端连接的标准流程经历通常如下:

  1. 服务器创建一个TCP/IP socket。在Python里使用下面的语句即可:
  2. 服务器可能会设置一些socket选项(这是可选的,上面的代码就设置了,为了在杀死或重启服务器后,立马就能再次重用相同的地址)。
  3. 然后,服务器绑定指定地址,bind函数分配一个本地地址给socket。在TCP中,调用bind可以指定一个端口号,一个IP地址,两者都,或者两者都不指定。
  4. 然后,服务器让这个socket成为监听socket。

listen方法只会被服务器调用。它告诉内核它要接受这个socket上的到来的连接请求了。

做完这些后,服务器开始循环地一次接受一个客户端连接。当有连接到达时,aceept调用返回已连接的客户端socket。然后,服务器从这个socket读取请求数据,在标准输出上把数据打印出来,并回发一个消息给客户端。然后,服务器关闭客户端连接,准备好再次接受新的客户端连接。

下面是客户端使用TCP/IP和服务器通信要做的:

以下是客户端连接服务器,发送请求并打印响应的示例代码:

创建socket后,客户端需要连接服务器。这是通过connect调用做到的:

客户端仅需提供要连接的远程IP地址或主机名和远程端口号即可。

可能你注意到了,客户端不用调用bind和accept。客户端没必要调用bind,是因为客户端不关心本地IP地址和本地端口号。当客户端调用connect时内核的TCP/IP栈自动分配一个本地IP址地和本地端口。本地端口被称为暂时端口( ephemeral port),也就是,short-lived 端口。

服务器上标识着一个客户端连接的众所周知的服务的端口被称为well-known端口(举例来说,80就是HTTP,22就是SSH)。操起Python shell,创建个连接到本地服务器的客户端连接,看看内核分配给你创建的socket的暂时的端口是多少(在这之前启动webserver3a.py或webserver3b.py):

上面这个例子中,内核分配了60589这个暂时端口。

在我开始回答第二部分提出的问题前,我需要快速讲一下几个重要的概念。你很快就知道为什么重要了。两个概念是进程和文件描述符。

什么是进程?进程就是一个正在运行的程序的实例。比如,当服务器代码执行时,它被加载进内存,运行起来的程序实例被称为进程。内核记录了进程的一堆信息用于跟踪,进程ID就是一个例子。当你运行服务器 webserver3a.py 或 webserver3b.py 时,你就在运行一个进程了。

在控制台窗口运行webserver3b.py:

在别的控制台窗口使用ps命令获取这个进程的信息:

ps命令表示你确实运行了一个Python进程webserver3b。进程创建时,内核分配给它一个进程ID,也就是 PID。在UNIX里,每个用户进程都有个父进程,父进程也有它自己的进程ID,叫做父进程ID,或者简称PPID。假设默认你是在BASH shell里运行的服务器,那新进程的父进程ID就是BASH shell的进程ID。

自己试试,看看它是怎么工作的。再启动Python shell,这将创建一个新进程,使用 os.getpid() 和 os.getppid() 系统调用获取Python shell进程的ID和父进程ID(BASH shell的PID)。然后,在另一个控制台窗口运行ps命令,使用grep查找PPID(父进程ID,我的是3148)。在下面的截图你可以看到在我的Mac OS X上,子Python shell进程和父BASH shell进程的关系:

另一个要了解的重要概念是文件描述符。那么什么是文件描述符呢?文件描述符是当打开一个存在的文件,创建一个文件,或者创建一个socket时,内核返回的非负整数。你可能已经听过啦,在UNIX里一切皆文件。内核使用文件描述符来追踪进程打开的文件。当你需要读或写文件时,你就用文件描述符标识它好啦。Python给你包装成更高级别的对象来处理文件(和socket),你不必直接使用文件描述符来标识一个文件,但是,在底层,UNIX中是这样标识文件和socket的:通过它们的整数文件描述符。

默认情况下,UNIX shell分配文件描述符0给进程的标准输入,文件描述符1给进程的标准输出,文件描述符2给标准错误。

就像我前面说的,虽然Python给了你更高级别的文件或者类文件的对象,你仍然可以使用对象的fileno()方法来获取对应的文件描述符。回到Python shell来看看怎么做:

虽然在Python中处理文件和socket,通常使用高级的文件/socket对象,但有时候你需要直接使用文件描述符。下面这个例子告诉你如何使用write系统调用写一个字符串到标准输出,write使用整数文件描述符做为参数:

有趣的是——应该不会惊讶到你啦,因为你已经知道在UNIX里一切皆文件——socket也有一个分配给它的文件描述符。再说一遍,当你创建一个socket时,你得到的是一个对象而不是非负整数,但你也可以使用我前面提到的fileno()方法直接访问socket的文件描述符。

还有一件事我想说下:你注意到了吗?在第二个例子webserver3b.py中,当服务器进程在60秒的睡眠时你仍然可以用curl命令来连接。当然啦,curl没有立刻输出什么,它只是在那挂起。但为什么服务器不接受连接,客户端也不立刻被拒绝,而是能连接服务器呢?答案就是socket对象的listen方法和它的BACKLOG参数,我称它为 REQUEST_QUEUE_SIZE(请求队列长度)。BACKLOG参数决定了内核为进入的连接请求准备的队列长度。当服务器webser3b.py睡眠时,第二个curl命令可以连接到服务器,因为内核在服务器socket的进入连接请求队列上有足够的可用空间。

然而增加BACKLOG参数不会神奇地让服务器同时处理多个客户端请求,设置一个合理大点的backlog参数挺重要的,这样accept调用就不用等新连接建立起来,立刻就能从队列里获取新的连接,然后开始处理客户端请求啦。

吼吼!你已经了解了非常多的背景知识啦。咱们快速简要重述到目前为止你都学了什么(如果你都知道啦就温习一下吧)。

  • 迭代服务器
  • 服务器socket创建流程(socket, bind, listen, accept)
  • 客户端连接创建流程(socket, connect)
  • socket对
  • socket
  • 临时端口和众所周知端口
  • 进程
  • 进程ID(PID),父进程ID(PPID),父子关系。
  • 文件描述符
  • listen方法的BACKLOG参数的意义

现在我准备回答第二部分问题的答案了:“怎样才能让服务器同时处理多个请求?”或者换句话说,“怎样写一个并发服务器?”

在Unix上写一个并发服务器最简单的方法是使用fork()系统调用。

下面就是新的牛逼闪闪的并发服务器webserver3c.py的代码,它能同时处理多个客户端请求(和咱们迭代服务器例子webserver3b.py一样,每个子进程睡眠60秒):

在深入讨论for如何工作之前,先自己试试,看看服务器确实可以同时处理多个请求,不像webserver3a.py和webserver3b.py。用下面命令启动服务器:

像你以前那样试试用两个curl命令,自己看看,现在虽然服务器子进程在处理客户端请求时睡眠60秒,但不影响别的客户端,因为它们是被不同的完全独立的进程处理的。你应该能看到curl命令立刻就输出了“Hello, World!”,然后挂起60秒。你可以接着想运行多少curl命令就运行多少(嗯,几乎是任意多),它们都会立刻输出服务器的响应“Hello, Wrold”,而且不会有明显的延迟。试试看。

理解fork()的最重要的点是,你fork了一次,但它返回了两次:一个是在父进程里,一个是在子进程里。当你fork了一个新进程,子进程返回的进程ID是0。父进程里fork返回的是子进程的PID。

我仍然记得当我第一次知道它使用它时我对fork是有多着迷。它就像魔法一样。我正读着一段连续的代码,然后“duang”的一声:代码克隆了自己,然后就有两个相同代码的实例同时运行。我想除了魔法无法做到,我是认真哒。

当父进程fork了一个新的子进程,子进程就获取了父进程文件描述符的拷贝:

你可能已经注意到啦,上面代码里的父进程关闭了客户端连接:

那么,如果它的父进程关闭了同一个socket,子进程为什么还能从客户端socket读取数据呢?答案就在上图。内核使用描述符引用计数来决定是否关闭socket。只有当描述符引用计数为0时才关闭socket。当服务器创建一个子进程,子进程获取了父进程的文件描述符拷贝,内核增加了这些描述符的引用计数。在一个父进程和一个子进程的场景中,客户端socket的描述符引用计数就成了2,当父进程关闭了客户端连接socket,它仅仅把引用计数减为1,不会引发内核关闭这个socket。子进程也把父进程的listen_socket拷贝给关闭了,因为子进程不用管接受新连接,它只关心处理已经连接的客户端的请求:

本文后面我会讲下如果不关闭复制的描述符会发生什么。

你从并发服务器源码看到啦,现在服务器父进程唯一的角色就是接受一个新的客户端连接,fork一个新的子进程来处理客户端请求,然后重复接受另一个客户端连接,就没有别的事做啦。服务器父进程不处理客户端请求——它的小弟(子进程)干这事。

跑个题,我们说两个事件并发到底是什么意思呢?

当我们说两个事件并发时,我们通常表达的是它们同时发生。简单来说,这也不错,但你要知道严格定义是这样的:

又到了简要重述目前为止已经学习的知识点和概念的时间啦.

  • 在Unix下写一个并发服务器最简单的方法是使用fork()系统调用
  • 当一个进程fork了一个新进程时,它就变成了那个新fork产生的子进程的父进程。
  • 在调用fork后,父进程和子进程共享相同的文件描述符。
  • 内核使用描述符引用计数来决定是否关闭文件/socket。
  • 服务器父进程的角色是:现在它干的所有活就是接受一个新连接,fork一个子进来来处理这个请求,然后循环接受新连接。

咱们来看看,如果在父进程和子进程中你不关闭复制的socket描述符会发生什么吧。以下是个修改后的版本,服务器不关闭复制的描述符,webserver3d.py:

启动服务器:

使用curl去连接服务器:

好的,curl打印出来并发服务器的响应,但是它不终止,一直挂起。发生了什么?服务器不再睡眠60秒了:它的子进程开心地处理了客户端请求,关闭了客户端连接然后退出啦,但是客户端curl仍然不终止。

那么,为什么curl不终止呢?原因就在于复制的文件描述符。当子进程关闭了客户端连接,内核减少引用计数,值变成了1。服务器子进程退出,但是客户端socket没有被内核关闭掉,因为引用计数不是0啊,所以,结果就是,终止数据包(在TCP/IP说法中叫做FIN)没有发送给客户端,所以客户端就保持在线啦。这里还有个问题,如果服务器不关闭复制的文件描述符然后长时间运行,最终会耗尽可用文件描述符。

使用Control-C停止webserver3d.py,使用shell内建的命令ulimit检查一下shell默认设置的进程可用资源:

看到上面的了咩,我的Ubuntu上,进程的最大可打开文件描述符是1024。

现在咱们看看怎么让服务器耗尽可用文件描述符。在已存在或新的控制台窗口,调用服务器最大可打开文件描述符为256:

在同一个控制台上启动webserver3d.py:

使用下面的client3.py客户端来测试服务器。

在新的控制台窗口里,启动client3.py,让它创建300个连接同时连接服务器。

很快服务器就崩了。下面是我电脑上抛异常的截图:

教训非常明显啦——服务器应该关闭复制的描述符。但即使关闭了复制的描述符,你还没有接触到底层,因为你的服务器还有个问题,僵尸!

是哒,服务器代码就是产生了僵尸。咱们看下是怎么产生的。再次运行服务器:

在另一个控制台窗口运行下面的curl命令:

现在运行ps命令,显示运行着的Python进程。以下是我的Ubuntu电脑上的ps输出:

你看到上面第二行了咩?它说PId为9102的进程的状态是Z+,进程的名称是。这个就是僵尸啦。僵尸的问题在于,你杀死不了他们啊。

即使你试着用 $ kill -9 来杀死僵尸,它们还是会幸存下来哒,自己试试看看。

僵尸到底是什么呢?为什么咱们的服务器会产生它们呢?僵尸就是一个进程终止了,但是它的父进程没有等它,还没有接收到它的终止状态。当一个子进程比父进程先终止,内核把子进程转成僵尸,存储进程的一些信息,等着它的父进程以后获取。存储的信息通常就是进程ID,进程终止状态,进程使用的资源。嗯,僵尸还是有用的,但如果服务器不好好处理这些僵尸,系统就会越来越堵塞。咱们看看怎么做到的。首先停止服务器,然后新开一个控制台窗口,使用ulimit命令设置最大用户进程为400(确保设置打开文件更高,比如500吧):

在同一个控制台窗口运行webserver3d.py:

新开一个控制台窗口,启动client3.py,让它创建500个连接同时连接到服务器:

然后,服务器又一次崩了,是OSError的错误:抛了资源临时不可用的异常,当试图创建新的子进程时但创建不了时,因为达到了最大子进程数限制。以下是我的电脑的截图:

看到了吧,如果你不处理好僵尸,服务器长时间运行就会出问题。我会简短讨论下服务器应该怎样处理僵尸问题。

咱们简要重述下目前为止你已经学习到主要知识点:

  • 如果不关闭复制描述符,客户端不会终止,因为客户端连接不会关闭。
  • 如果不关闭复制描述符,长时间运行的服务器最终会耗尽可用文件描述符(最大打开文件)。
  • 当fork了一个子进程,然后子进程退出了,父进程没有等它,而且没有收集它的终止状态,它就变成僵尸了。
  • 僵尸要吃东西,我们的场景中,就是内存。服务器最终会耗尽可用进程(最大用户进程),如果不处理好僵尸的话。
  • 僵尸杀不死的,你需要等它们。

那么,处理好僵尸的话,要做什么呢?要修改服务器代码去等僵尸,获取它们的终止状态。通过调用wait系统调用就好啦。不幸的是,这不完美,因为如果调用wait,然而没有终止的子进程,wait就会阻塞服务器,实际上就是阻止了服务器处理新的客户端连接请求。有其他办法吗?当然有啦,其中之一就是使用信息处理器和wait系统调用组合。

以下是如何工作的。当一个子进程终止了,内核发送SIGCHLD信号。父进程可以设置一个信号处理器来异步地被通知,然后就能wait子进程获取它的终止状态,因此阻止了僵尸进程出现。

顺便说下,异步事件意味着父进程不会提前知道事件发生的时间。

修改服务器代码,设置一个SIGCHLD事件处理器,然后在事件处理器里wait终止的子进程。webserver3e.py代码如下:

启动服务器:

使用老朋友curl给修改后的并发服务器发送请求:

观察服务器:

刚才发生了什么?accept调用失败了,错误是EINTR。

当子进程退出,引发SIGCHLD事件时,父进程阻塞在accept调用,这激活了事件处理器,然后当事件处理器完成时,accept系统调用就中断了:

别着急,这个问题很好解决。你要做的就是重新调用accept。以下是修改后的代码:

启动修改后的webserver3f.py:

使用curl给修改后的服务器发送请求:

看到了吗?没有EINTR异常啦。现在,验证一下吧,没有僵尸了,带wait的SIGCHLD事件处理器也能处理好子进程了。怎么验证呢?只要运行ps命令,看看没有Z+状态的进程(没有进程)。太棒啦!没有僵尸在四周跳的感觉真安全呢!

  • 如果fork了子进程并不wait它,它就成僵尸了。
  • 使用SIGCHLD事件处理器来异步的wait终止了的子进程来获取它的终止状态
  • 使用事件处理器时,你要明白,系统调用会被中断的,你要做好准备对付这种情况

嗯,目前为止,一次都好。没有问题,对吧?好吧,几乎滑。再次跑下webserver3f.py,这次不用curl请求一次了,改用client3.py来创建128个并发连接:

现在再运行ps命令

看到了吧,少年,僵尸又回来了!

这次又出什么错了呢?当你运行128个并发客户端时,建立了128个连接,子进程处理了请求然后几乎同时终止了,这就引发了SIGCHLD信号洪水般的发给父进程。问题在于,信号没有排队,父进程错过了一些信号,导致了一些僵尸到处跑没人管:

解决方案就是设置一个SIGCHLD事件处理器,但不用wait了,改用waitpid系统调用,带上WNOHANG参数,循环处理,确保所有的终止的子进程都被处理掉。以下是修改后的webserver3g.py:

启动服务器:

使用测试客户端client3.py:

现在验证一下没有僵尸了吧。哈!没有僵尸的日子真好!

 

恭喜!这真是段很长的旅程啊,希望你喜欢。现在你已经拥有了自己的简单并发服务器,而且这个代码有助于你在将来的工作中开发一个产品级的Web服务器。

我要把它留作练习,你来修改第二部分的WSGI服务器,让它达到并发。你在这里可以找到修改后的版本。但是你要自己实现后再看我的代码哟。你已经拥有了所有必要的信息,所以,去实现它吧!

接下来做什么呢?就像Josh Billings说的那样,

像邮票那样——用心做一件事,直到完成。

去打好基础吧。质疑你已经知道的,保持深入研究。

如果你只学方法,你就依赖方法。但如果你学会原理,你可以发明自己的方法。—— 爱默生

以下是我挑出来对本文最重要的几本书。它们会帮你拓宽加深我提到的知识。我强烈建议你想言设法弄到这些书:从朋友那借也好,从本地图书馆借,或者从亚马逊买也行。它们是守护者:

  1. Unix网络编程,卷1:socket网络API(第三版)
  2. UNIX环境高级编程,第三版
  3. Linux编程接口:Linux和UNIX系统编辑手册
  4. TCP/IP详解,卷1:协议(第二版)
  5. The Little Book of SEMAPHORES (2nd Edition): The Ins and Outs of Concurrency Control and Common Mistakes. Also available for free on the author’s site here.
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关于作者:高世界

我翻译得越多,发现知道的越少,我就要更多地翻译。论得的地的正确用法。我是php开发者,对python,c/c++,linux感兴趣。 个人主页 · 我的文章 · 17 ·   

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最新评论
  • decli   2015/08/03

    非常不错的连载翻译,作者是个有心人,感谢翻译这么好的作品!

  • leoliu   2015/08/03

    不错的翻译, 加油!

  • 英哲   2015/08/07

    好东西!

  • JackPy   2015/08/09

    翻译的好不好,就看它读起来流不流畅,很不错!

  • Nicholas   2016/01/03

    好文啊,我要去实践一下

  • mie_mie_mie_   2016/08/18

    [然后“duang”的一声:代码克隆了自己,然后就有两个相同代码的实例同时运行。我想除了魔法无法做到,我是认真哒。]~~~译者太有爱啦,赞赞赞!!!

  • Ben_en_n_   2016/10/25

    好文  让我回顾了之前学的东西,涉及的还挺多的

  • 剑痕   10/05

    client代码里:

    ...
            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)
    ...
    最后一句的os._exit(0)应该在上一层吧。

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