【转载】一起写一个 Web 服务器（3）

作者: 绩重KF | 来源:发表于2017-12-07 13:14 被阅读0次

“发明创造时，我们学得最多” —— Piaget

在本系列第二部分，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。你在第一部分和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。

image

以下是迭代服务器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()

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。

image

以下是睡眠版的服务器webserver3b.py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()

启动服务器：

$ python webserver3b.py

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：

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

And without delay open up a second terminal window and run the same curl command:

立刻再打开一个控制台窗口，然后运行相同的curl命令：

$ curl http://localhost:8888/hello

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）：

image

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：

image

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。你在第一部分和第二部分已经见过socket了，但是，socket是什么呢？

image

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。

image

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：

image

服务器创建一个TCP/IP socket。在Python里使用下面的语句即可：

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

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）。

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

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。

listen_socket.bind(SERVER_ADDRESS)

然后，服务器让这个socket成为监听socket。

listen_socket.listen(REQUEST_QUEUE_SIZE)

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：

[图片上传中...(image-639f17-1512621703341-0)]

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：

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())

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

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

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。

image

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）：

>>> 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)

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。

image

在控制台窗口运行webserver3b.py：

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

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。

image

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：

image

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。

image

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。

image

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：

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

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：

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

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）。

image

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？”

image

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。

image

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）：

image

###########################################################################
# 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：

$ python webserver3c.py

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。

image

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：

image

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：

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

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：

listen_socket.close()  # close child copy

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？

image

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：

如果你不能通过观察程序来知道哪个先发生的，那么这两个事件就是并发的。

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.

image

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：

###########################################################################
# 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

使用curl去连接服务器：

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

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。

image

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。

image

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：

$ 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

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:

$ ulimit -n 256

在同一个控制台上启动webserver3d.py：

python webserver3d.py

使用下面的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)

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。

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

很快服务器就崩了。下面是我电脑上抛异常的截图：

image

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！

[图片上传失败...(image-d0f503-1512622136033)]

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：

$ python webserver3d.py

在另一个控制台窗口运行下面的curl命令：

$ curl http://localhost:8888/hello

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：

$ 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] &lt;defunct&gt;

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。

image

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）：

$ ulimit -u 400
$ ulimit -n 500

在同一个控制台窗口运行webserver3d.py：

$ python 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：

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

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：

image

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：

image

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。

image

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。

image

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：

###########################################################################
# 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

使用老朋友curl给修改后的并发服务器发送请求：

$ curl http://localhost:8888/hello

观察服务器：

image

刚才发生了什么？accept调用失败了，错误是EINTR。

image

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：

image

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：

###########################################################################
# 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webserver3f.py：

$ python webserver3f.py

使用curl给修改后的服务器发送请求：

$ curl http://localhost:8888/hello

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！

image

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：

$ python client3.py --max-clients 128

现在再运行ps命令

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

看到了吧，少年，僵尸又回来了！

image

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：

image

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：

###########################################################################
# 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

使用测试客户端client3.py：

$ python client3.py --max-clients 128

现在验证一下没有僵尸了吧。哈！没有僵尸的日子真好！

image

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。

image

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：

Unix网络编程，卷1：socket网络API（第三版）
UNIX环境高级编程，第三版
Linux编程接口：Linux和UNIX系统编辑手册
TCP/IP详解，卷1：协议（第二版）
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.

本文转载地址 http://python.jobbole.com/81820

【转载】一起写一个 Web 服务器（3）

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