自己動手開發一個 Web 伺服器（三）
在第二部分中，你開發了一個能夠處理HTTPGET請求的簡易WSGI伺服器。在上一篇的最後，我問了你一個問題：“怎樣讓伺服器一次處理多個請求？”讀完本文，你就能夠完美地回答這個問題。接下來，請你做好準備，因為本文的內容非常多，節奏也很快。文中的所有程式碼都可以在Github倉庫下載。
首先，我們簡單回憶一下簡易網路伺服器是如何實現的，伺服器要處理客戶端的請求需要哪些條件。你在前面兩部分文章中開發的伺服器，是一個迭代式伺服器（iterative server），還只能一次處理一個客戶端請求。只有在處理完當前客戶端請求之後，它才能接收新的客戶端連線。這樣，有些客戶端就必須要等待自己的請求被處理了，而對於流量大的伺服器來說，等待的時間就會特別長。
下面是迭代式伺服器webserver3a.py的程式碼：
#####################################################################
# 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()
如果想確認這個伺服器每次只能處理一個客戶端的請求，我們對上述程式碼作簡單修改，在向客戶端返回響應之後，增加60秒的延遲處理時間。這個修改只有一行程式碼，即告訴伺服器在返回響應之後睡眠60秒。
下面就是修改之後的伺服器程式碼：
#########################################################################
# 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()
接下來，我們啟動伺服器：
$ python webserver3b.py
現在，我們開啟一個新的終端視窗，並執行curl命令。你會立刻看到螢幕上列印出了“Hello, World!”這句話：
$ curl http://localhost:8888/hello Hello, World!
接著我們立刻再開啟一個終端視窗，並執行curl命令：
$ curl http://localhost:8888/hello
如果你在60秒了完成了上面的操作，那麼第二個curl命令應該不會立刻產生任何輸出結果，而是處於掛死（hang）狀態。伺服器也不會在標準輸出中列印這個新請求的正文。下面這張圖就是我在自己的Mac上操作時的結果（右下角那個邊緣高亮為黃色的視窗，顯示的就是第二個curl命令掛死）：
當然，你等了足夠長時間之後（超過60秒），你會看到第一個curl命令結束，然後第二個curl命令會在螢幕上列印出“Hello, World!”，之後再掛死60秒，最後才結束：
這背後的實現方式是，伺服器處理完第一個curl客戶端請求後睡眠60秒，才開始處理第二個請求。這些步驟是線性執行的，或者說迭代式一步一步執行的。在我們這個例項中，則是一次一個請求這樣處理。
接下來，我們簡單談談客戶端與伺服器之間的通訊。為了讓兩個程式通過網路進行通訊，二者均必須使用套接字。你在前兩章中也看到過套接字，但到底什麼是套接字？
套接字是通訊端點（communication endpoint）的抽象形式，可以讓一個程式通過檔案描述符（file descriptor）與另一個程式進行通訊。在本文中，我只討論Linux/Mac OS X平臺上的TCP/IP套接字。其中，尤為重要的一個概念就是TCP套接字對（socket pair）。
TCP連線所使用的套接字對是一個4元組（4-tuple），包括本地IP地址、本地埠、外部IP地址和外部埠。一個網路中的每一個TCP連線，都擁有獨特的套接字對。IP地址和埠號通常被稱為一個套接字，二者一起標識了一個網路端點。
因此，{10.10.10.2:49152, 12.12.12.3:8888}元組組成了一個套接字對，代表客戶端側TCP連線的兩個唯一端點，{12.12.12.3:8888, 10.10.10.2:49152}元組組成另一個套接字對，代表伺服器側TCP連線的兩個同樣端點。構成TCP連線中伺服器端點的兩個值分別是IP地址12.12.12.3和埠號8888，它們在這裡被稱為一個套接字（同理，客戶端端點的兩個值也是一個套接字）。
伺服器建立套接字並開始接受客戶端連線的標準流程如下：
- 伺服器建立一個TCP/IP套接字。通過下面的Python語句實現：
listen_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
- 伺服器可以設定部分套接字選項（這是可選項，但你會發現上面那行伺服器程式碼就可以確保你重啟伺服器之後，伺服器會繼續使用相同的地址）。
listen_socket.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
- 然後，伺服器繫結地址。繫結函式為套接字指定一個本地協議地址。呼叫繫結函式時，你可以單獨指定埠號或IP地址，也可以同時指定兩個引數，甚至不提供任何引數也沒問題。
listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)
- 接著，伺服器將該套接字變成一個偵聽套接字：
listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)
listen方法只能由伺服器呼叫，執行後會告知伺服器應該接收針對該套接字的連線請求。
完成上面四步之後，伺服器會開啟一個迴圈，開始接收客戶端連線，不過一次只接收一個連線。當有連線請求時，accept方法會返回已連線的客戶端套接字。然後，伺服器從客戶端套接字讀取請求資料，在標準輸出中列印資料，並向客戶端返回訊息。最後，伺服器會關閉當前的客戶端連線，這時伺服器又可以接收新的客戶端連線了。
要通過TCP/IP協議與伺服器進行通訊，客戶端需要作如下操作：
下面這段示例程式碼，實現了客戶端連線至伺服器，傳送請求，並列印響應內容的過程：
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())
在建立套接字之後，客戶端需要與伺服器進行連線，這可以通過呼叫connect方法實現：
sock.connect(('localhost', 8888))
客戶端只需要提供遠端IP地址或主機名，以及伺服器的遠端連線埠號即可。
你可能已經注意到，客戶端不會呼叫bind和accept方法。不需要呼叫bind方法，是因為客戶端不關心本地IP地址和本地埠號。客戶端呼叫connect方法時，系統核心中的TCP/IP棧會自動指定本地IP地址和本地埠。本地埠也被稱為臨時埠（ephemeral port）。
伺服器端有部分埠用於連線熟知的服務，這種埠被叫做“熟知埠”（well-known port），例如，80用於HTTP傳輸服務，22用於SSH協議傳輸。接下來，我們開啟Python shell，向在本地執行的伺服器發起一個客戶端連線，然後檢視系統核心為你建立的客戶端套接字指定了哪個臨時埠（在進行下面的操作之前，請先執行webserver3a.py或webserver3b.py檔案，啟動伺服器）：
>>> 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，我們看到核心為套接字指定的臨時埠是60589。
在開始回答第二部分最後提的問題之前，我需要快速介紹一些其他的重要概念。稍後你就會明白我為什麼要這樣做。我要介紹的重要概念就是程式（process）和檔案描述符（file descriptor）。
什麼是程式？程式就是正在執行的程式的一個例項。舉個例子，當伺服器程式碼執行的時候，這些程式碼就被載入至記憶體中，而這個正在被執行的伺服器的例項就叫做程式。系統核心會記錄下有關程式的資訊——包括程式ID，以便進行管理。所以，當你執行迭代式伺服器webserver3a.py或webserver3b.py時，你也就開啟了一個程式。
我們在終端啟動webserver3a.py伺服器：
$ python webserver3b.py
然後，我們在另一個終端視窗中，使用ps命令來獲取上面那個伺服器程式的資訊：
$ ps | grep webserver3b | grep -v grep 7182 ttys003 0:00.04 python webserver3b.py
從ps命令的結果，我們可以看出你的確只執行了一個Python程式webserver3b。程式建立的時候，核心會給它指定一個程式ID——PID。在UNIX系統下，每個使用者程式都會有一個父程式（parent process），而這個父程式也有自己的程式ID，叫做父程式ID，簡稱PPID。在本文中，我預設大家使用的是BASH，因此當你啟動伺服器的時候，系統會建立伺服器程式，指定一個PID，而伺服器程式的父程式PID則是BASH shell程式的PID。
接下來請自己嘗試操作一下。再次開啟你的Python shell程式，這會建立一個新程式，然後我們通過os.gepid()和os.getppid()這兩個方法，分別獲得Python shell程式的PID及它的父程式PID（即BASH shell程式的PID）。接著，我們開啟另一個終端視窗，執行ps命令，grep檢索剛才所得到的PPID（父程式ID，本操作時的結果是3148）。在下面的截圖中，你可以看到我在Mac OS X上的操作結果：
另一個需要掌握的重要概念就是檔案描述符（file descriptor）。那麼，到底什麼是檔案描述符？檔案描述符指的就是當系統開啟一個現有檔案、建立一個新檔案或是建立一個新的套接字之後，返回給程式的那個正整型數。系統核心通過檔案描述符來追蹤一個程式所開啟的檔案。當你需要讀寫檔案時，你也通過檔案描述符說明。Python語言中提供了用於處理檔案（和套接字）的高層級物件，所以你不必直接使用檔案描述符來指定檔案，但是從底層實現來看，UNIX系統中就是通過它們的檔案描述符來確定檔案和套接字的。
一般來說，UNIX shell會將檔案描述符0指定給程式的標準輸出，檔案描述富1指定給程式的標準輸出，檔案描述符2指定給標準錯誤。
正如我前面提到的那樣，即使Python語言提供了高層及的檔案或類檔案物件，你仍然可以對檔案物件使用fileno()方法，來獲取該檔案相應的檔案描述符。我們回到Python shell中來試驗一下。
>>> 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語言中處理檔案和套接字時，你通常只需要使用高層及的檔案/套接字物件即可，但是有些時候你也可能需要直接使用檔案描述符。下面這個示例演示了你如何通過write()方法向標準輸出中寫入一個字串，而這個write方法就接受檔案描述符作為自己的引數：
>>> import sys >>> import os >>> res = os.write(sys.stdout.fileno(), 'hello/n') hello
還有一點挺有意思——如果你知道Unix系統下一切都是檔案，那麼你就不會覺得奇怪了。當你在Python中建立一個套接字後，你獲得的是一個套接字物件，而不是一個正整型數，但是你還是可以和上面演示的一樣，通過fileno()方法直接訪問這個套接字的檔案描述符。
>>> import socket >>> sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) >>> sock.fileno() 3
我還想再說一點：不知道大家有沒有注意到，在迭代式伺服器webserver3b.py的第二個示例中，我們的伺服器在處理完請求後睡眠60秒，但是在睡眠期間，我們仍然可以通過curl命令與伺服器建立連線？當然，curl命令並沒有立刻輸出結果，只是出於掛死狀態，但是為什麼伺服器既然沒有接受新的連線，客戶端也沒有立刻被拒絕，而是仍然繼續連線至伺服器呢？這個問題的答案在於套接字物件的listen方法，以及它使用的BACKLOG引數。在示例程式碼中，這個引數的值被我設定為REQUEST_QUEQUE_SIZE。BACKLOG引數決定了核心中外部連線請求的佇列大小。當webserver3b.py伺服器睡眠時，你執行的第二個curl命令之所以能夠連線伺服器，是因為連線請求佇列仍有足夠的位置。
雖然提高BACKLOG引數的值並不會讓你的伺服器一次處理多個客戶端請求，但是業務繁忙的伺服器也應該設定一個較大的BACKLOG引數值，這樣accept函式就可以直接從佇列中獲取新連線，立刻開始處理客戶端請求，而不是還要花時間等待連線建立。
嗚呼！到目前為止，已經給大家介紹了很多知識。我們現在快速回顧一下之前的內容。
- 迭代式伺服器
- 伺服器套接字建立流程（socket, bind, listen, accept）
- 客戶端套接字建立流程（socket, connect）
- 套接字對（Socket pair）
- 套接字
- 臨時埠（Ephemeral port）與熟知埠（well-known port）
- 程式
- 程式ID（PID），父程式ID（PPID）以及父子關係
- 檔案描述符（File descriptors）
- 套接字物件的listen方法中BACKLOG引數的意義
現在，我可以開始回答第二部分留下的問題了：如何讓伺服器一次處理多個請求？換句話說，如何開發一個併發伺服器？
在Unix系統中開發一個併發伺服器的最簡單方法，就是呼叫系統函式fork()。
下面就是嶄新的webserver3c.py併發伺服器，能夠同時處理多個客戶端請求：
###########################################################################
# 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()
在討論fork的工作原理之前，請測試一下上面的程式碼，親自確認一下伺服器是否能夠同時處理多個客戶端請求。我們通過命令列啟動上面這個伺服器：
$ python webserver3c.py
然後輸入之前迭代式伺服器示例中的兩個curl命令。現在，即使伺服器子程式在處理完一個客戶端請求之後會睡眠60秒，但是並不會影響其他客戶端，因為它們由不同的、完全獨立的程式處理。你應該可以立刻看見curl命令輸出“Hello, World”，然後掛死60秒。你可以繼續執行更多的curl命令，所有的命令都會輸出伺服器的響應結果——“Hello, World”，不會有任何延遲。你可以試試。
關於fork()函式有一點最為重要，就是你呼叫fork一次，但是函式卻會返回兩次：一次是在父程式裡返回，另一次是在子程式中返回。當你fork一個程式時，返回給子程式的PID是0，而fork返回給父程式的則是子程式的PID。
我還記得，第一次接觸並使用fork函式時，自己感到非常不可思議。我覺得這就好像一個魔法。之前還是一個線性的程式碼，突然一下子克隆了自己，出現了並行執行的相同程式碼的兩個例項。我當時真的覺得這和魔法也差不多了。
當父程式fork一個新的子程式時，子程式會得到父程式檔案描述符的副本：
你可能也注意到了，上面程式碼中的父程式關閉了客戶端連線：
else: # parent
client_connection.close() # close parent copy and loop over
那為什麼父程式關閉了套接字之後，子程式卻仍然能夠從客戶端套接字中讀取資料呢？答案就在上面的圖片裡。系統核心根據檔案描述符計數（descriptor reference counts）來決定是否關閉套接字。系統只有在描述符計數變為0時，才會關閉套接字。當你的伺服器建立一個子程式時，子程式就會獲得父程式檔案描述符的副本，系統核心則會增加這些檔案描述符的計數。在一個父程式和一個子程式的情況下，客戶端套接字的檔案描述符計數為2。當上面程式碼中的父程式關閉客戶端連線套接字時，只是讓套接字的計數減為1，還不夠讓系統關閉套接字。子程式同樣關閉了父程式偵聽套接字的副本，因為子程式不關心要不要接收新的客戶端連線，只關心如何處理連線成功的客戶端所發出的請求。
listen_socket.close() # close child copy
稍後，我會給大家介紹如果不關閉重複的描述符的後果。
從上面並行伺服器的原始碼可以看出，伺服器父程式現在唯一的作用，就是接受客戶端連線，fork一個新的子程式來處理該客戶端連線，然後回到迴圈的起點，準備接受其他的客戶端連線，僅此而已。伺服器父程式並不會處理客戶端請求，而是由它的子程式來處理。
談得稍遠一點。我們說兩個事件是並行時，到底是什麼意思？
我們說兩個事件是並行的，通常指的是二者同時發生。這是簡單的定義，但是你應該牢記它的嚴格定義：
如果你不能分辨出哪個程式會先執行，那麼二者就是並行的。
現在又到了回顧目前已經介紹的主要觀點和概念。
- Unix系統中開發並行伺服器最簡單的方法，就是呼叫fork()函式
- 當一個程式fork新程式時，它就成了新建立程式的父程式
- 在呼叫fork之後，父程式和子程式共用相同的檔案描述符
- 系統核心通過描述符計數來決定是否關閉檔案/套接字
- 伺服器父程式的角色：它現在所做的只是接收來自客戶端的新連線，fork一個子程式來處理該客戶端的請求，然後回到迴圈的起點，準備接受新的客戶端連線
接下來，我們看看如果不關閉父程式和子程式中的重複套接字描述符，會發生什麼情況。下面的並行伺服器（webserver3d.py）作了一些修改，確保伺服器不關閉重複的：
###########################################################################
# 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()
啟動伺服器：
$ python webserver3d.py
然後通過curl命令連線至伺服器：
$ curl http://localhost:8888/hello Hello, World!
我們看到，curl命令列印了並行伺服器的響應內容，但是並沒有結束，而是繼續掛死。伺服器出現了什麼不同情況嗎？伺服器不再繼續睡眠60秒：它的子程式會積極處理客戶端請求，處理完成後就關閉客戶端連線，然後結束執行，但是客戶端的curl命令卻不會終止。
那麼為什麼curl命令會沒有結束執行呢？原因在於重複的檔案描述符（duplicate file descriptor）。當子程式關閉客戶端連線時，系統核心會減少客戶端套接字的計數，變成了1。伺服器子程式結束了，但是客戶端套接字並沒有關閉，因為那個套接字的描述符計數並沒有變成0，導致系統沒有向客戶端傳送終止包（termination packet）（用TCP/IP的術語來說叫做FIN），也就是說客戶端仍然線上。但是還有另一個問題。如果你一直執行的伺服器不去關閉重複的檔案描述符，伺服器最終就會耗光可用的檔案伺服器：
按下Control-C，關閉webserver3d.py伺服器，然後通過shell自帶的ulimit命令檢視伺服器程式可以使用的預設資源：
$ 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
從上面的結果中，我們可以看到：在我這臺Ubuntu電腦上，伺服器程式可以使用的檔案描述符（開啟的檔案）最大數量為1024。
現在，我們來看看如果伺服器不關閉重複的檔案描述符，伺服器會不會耗盡可用的檔案描述符。我們在現有的或新開的終端視窗裡，將伺服器可以使用的最大檔案描述符數量設定為256：
$ ulimit -n 256
在剛剛執行了$ ulimit -n 256命令的終端裡，我們開啟webserver3d.py伺服器：
$ python webserver3d.py
然後通過下面的client3.py客戶端來測試伺服器。
#####################################################################
# 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)
開啟一個新終端視窗，執行client3.py，並讓客戶端建立300個與伺服器的並行連線：
$ python client3.py --max-clients=300
很快你的伺服器就會崩潰。下面是我的虛擬機器上丟擲的異常情況：
問題很明顯——伺服器應該關閉重複的描述符。但即使你關閉了這些重複的描述符，你還沒有徹底解決問題，因為你的伺服器還存在另一個問題，那就是殭屍程式！
沒錯，你的伺服器程式碼確實會產生殭屍程式。我們來看看這是怎麼回事。再次執行伺服器：
$ python webserver3d.py
在另一個終端視窗中執行下面的curl命令：
$ curl http://localhost:8888/hello
現在，我們執行ps命令，看看都有哪些正在執行的Python程式。下面是我的Ubuntu虛擬機器中的結果：
$ 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>
我們發現，第二行中顯示的這個程式的PID為9102，狀態是Z+，而程式的名稱叫做<defunct>。這就是我們要找的殭屍程式。殭屍程式的問題在於你無法殺死它們。
即使你試圖通過$ kill -9命令殺死殭屍程式，它們還是會存活下來。你可以試試看。
到底什麼是殭屍程式，伺服器又為什麼會建立這些程式？殭屍程式其實是已經結束了的程式，但是它的父程式並沒有等待程式結束，所以沒有接收到程式結束的狀態資訊。當子程式在父程式之前退出，系統就會將子程式變成一個殭屍程式，保留原子程式的部分資訊，方便父程式之後獲取。系統所保留的資訊通常包括程式ID、程式結束狀態和程式的資源使用情況。好吧，這樣說殭屍程式也有自己存在的理由，但是如果伺服器不處理好這些殭屍程式，系統就會堵塞。我們來看看是否如此。首先，停止正在執行的伺服器，然後在新終端視窗中，使用ulimit命令將最大使用者程式設定為400（還要確保將開啟檔案數量限制設定到一個較高的值，這裡我們設定為500）。
$ ulimit -u 400 $ ulimit -n 500
然後在同一個視窗中啟動webserver3d.py伺服器：
$ python webserver3d.py
在新終端視窗中，啟動客戶端client3.py，讓客戶端建立500個伺服器並行連線：
$ python client3.py --max-clients=500
結果，我們發現很快伺服器就因為OSError而崩潰：這個異常指的是暫時沒有足夠的資源。伺服器試圖建立新的子程式時，由於已經達到了系統所允許的最大可建立子程式數，所以丟擲這個異常。下面是我的虛擬機器上的報錯截圖。
你也看到了，如果長期執行的伺服器不處理好殭屍程式，將會出現重大問題。稍後我會介紹如何處理殭屍程式。
我們先回顧一下目前已經學習的知識點：
- 如果你不關閉重複的檔案描述符，由於客戶端連線沒有中斷，客戶端程式就不會結束。
- 如果你不關閉重複的檔案描述符，你的伺服器最終會消耗完可用的檔案描述符（最大開啟檔案數）
- 當你fork一個子程式後，如果子程式在父程式之前退出，而父程式又沒有等待程式，並獲取它的結束狀態，那麼子程式就會變成殭屍程式。
- 殭屍程式也需要消耗資源，也就是記憶體。如果不處理好殭屍程式，你的伺服器最終會消耗完可用的程式數（最大使用者程式數）。
- 你無法殺死殭屍程式，你需要等待子程式結束。
那麼，你要怎麼做才能處理掉殭屍程式呢？你需要修改伺服器程式碼，等待殭屍程式返回其結束狀態（termination status）。要實現這點，你只需要在程式碼中呼叫wait系統函式即可。不過，這種方法並不是最理想的方案，因為如果你呼叫wait後，卻沒有結束了的子程式，那麼wait呼叫將會阻塞伺服器，相當於阻止了伺服器處理新的客戶端請求。那麼還有其他的辦法嗎？答案是肯定的，其中一種辦法就是將wait函式呼叫與訊號處理函式（signal handler）結合使用。
這種方法的具體原理如下。當子程式退出時，系統核心會傳送一個SIGCHLD訊號。父程式可以設定一個訊號處理函式，用於非同步監測SIGCHLD事件，然後再呼叫wait，等待子程式結束並獲取其結束狀態，這樣就可以避免產生殭屍程式。
順便說明一下，非同步事件意味著父程式實現並不知道該事件是否會發生。
接下來我們修改伺服器程式碼，新增一個SIGCHLD事件處理函式，並在該函式中等待子程式結束。具體的程式碼見webserver3e.py檔案：
###########################################################################
# 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()
啟動伺服器：
$ python webserver3e.py
再次使用curl命令，向修改後的併發伺服器傳送一個請求：
$ curl http://localhost:8888/hello
我們來看伺服器的反應：
發生了什麼事？accept函式呼叫報錯了。
子程式退出時，父程式被阻塞在accept函式呼叫的地方，但是子程式的退出導致了SIGCHLD事件，這也啟用了訊號處理函式。訊號函式執行完畢之後，就導致了accept系統函式呼叫被中斷：
別擔心，這是個非常容易解決的問題。你只需要重新呼叫accept即可。下面我們再修改一下伺服器程式碼（webserver3f.py），就可以解決這個問題：
###########################################################################
# 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()
啟動修改後的伺服器：
$ python webserver3f.py
通過curl命令向伺服器傳送一個請求：
$ curl http://localhost:8888/hello
看到了嗎？沒有再報錯了。現在，我們來確認下伺服器沒有再產生殭屍程式。只需要執行ps命令，你就會發現沒有Python程式的狀態是Z+了。太棒了！沒有殭屍程式搗亂真是太好了。
- 如果你fork一個子程式，卻不等待程式結束，該程式就會變成殭屍程式。
- 使用SIGCHLD時間處理函式來非同步等待程式結束，獲取其結束狀態。
- 使用事件處理函式時，你需要牢記系統函式呼叫可能會被中斷，要做好這類情況發生得準備。
好了，目前一切正常。沒有其他問題了，對嗎？呃，基本上是了。再次執行webserver3f.py，然後通過client3.py建立128個並行連線：
$ python client3.py --max-clients 128
現在再次執行ps命令：
$ ps auxw | grep -i python | grep -v grep
噢，糟糕！殭屍程式又出現了！
這次又是哪裡出了問題？當你執行128個並行客戶端，建立128個連線時，伺服器的子程式處理完請求，幾乎是同一時間退出的，這就觸發了一大波的SIGCHLD訊號傳送至父程式。但問題是這些訊號並沒有進入佇列，所以有幾個訊號漏網，沒有被伺服器處理，這就導致出現了幾個殭屍程式。
這個問題的解決方法，就是在SIGCHLD事件處理函式使用waitpid，而不是wait，再呼叫waitpid時增加WNOHANG選項，確保所有退出的子程式都會被處理。下面就是修改後的程式碼，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()
啟動伺服器：
$ python webserver3g.py
使用客戶端client3.py進行測試：
$ python client3.py --max-clients 128
現在請確認不會再出現殭屍程式了。
恭喜大家！現在已經自己開發了一個簡易的併發伺服器，這個程式碼可以作為你以後開發生產級別的網路伺服器的基礎。
最後給大家留一個練習題，把第二部分中的WSGI修改為併發伺服器。最終的程式碼可以在這裡檢視。不過請你在自己實現了之後再檢視。
接下來該怎麼辦？借用喬希·比林斯（19世紀著名幽默大師）的一句話：
要像一張郵票，堅持一件事情直到你到達目的地。
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