• Python Web服务器


    有天一个女士出门散步,路过一个建筑工地,看到三个男人在干活。她问第一个男人,“你在干什么呢?”,第一个男人被问得很烦,咆哮道,“你没看到我在码砖吗?”。她对回答不满意,然后问第二个男人他在干什么。第二个男人回答,“我正在砌墙”,然后转移注意力到第一个男人,他说,“嘿,你码过头了,你要把最后一块砖拿掉。”。她还是对回答不满意,然后问第三个男人在干什么。第三个男人仰望着天空对她说,“我正在建造世界上最大的教堂。”。当他站在那里仰望天空的时候,另外两个男人开始争论砖位置不对的问题。第三个男人转向前两个男人说,“嘿,伙计们,别担心那块砖了,那是里面的墙,它会被灰泥堵塞起来,然后没人会看到那块砖。去另一层干活吧。“

    故事的寓意是说,当你了解整个系统,理解不同的部分如何组织到一起的(砖、墙、教堂),你就能找出问题并快速解决之(砖位置不对)。

    这跟从零开始搭建你的WEB服务器有什么关系呢?

    我相信,要成为优秀的开发者,你必须对你每天都用的底层的软件系统有进一步的理解,包括编程语言、编译器和解释器、数据库和操作系统、WEB服务器和WEB框架。为了更好更深入的理解这些系统,你可以从零开始一块砖地,一面墙地,重建它们。

    子曰:闻之我也野,视之我也饶,行之我也明

    “我看过的,我还记得。”

    “我做过的,我都理解了。”

    (子曰:闻之我也野,视之我也饶,行之我也明)

    此时我希望你能够相信,从重建不同的软件系统来开始来学习它们是如何工作的,是一个好主意。

    在这个由3部分组成的系列文章中,我会向你展示怎样搭建一个基本的WEB服务器。咱们开始吧。

    重中之重,什么是WEB服务器?

    简而言之,它是一个位于一个物理服务器上的网络服务器(呀,服务器上的服务器),它等待客户端发送请求。当它接收到一个请求,就会生成一个响应并回发给客户端。客户端和服务器使用HTTP协议通信。客户端可以是浏览器或者别的使用HTTP协议的软件。

    一个非常简单的WEB服务器实现长什么样呢?以下是我写的一个。例子是用Python语言写的,但是即使你不会Python(它是一个非常易学的语言,试试!),你仍然可以通过代码和下面的解释理解相关概念:

    现在在你的WEB浏览器地址栏里输入以下URL http://localhost:8888/hello,敲回车,见证奇迹的时刻。你会看到浏览器显示”Hello, World!“,像这样:

    认真做一下吧,我会等你的。

    做完了?很好。现在我们讨论一下它到底怎么工作的。

    首先我们从你刚才键入的WEB地址开始。它叫URL,这是它的基本结构:

    这个就表示怎样告诉浏览器要查找和连接的WEB服务器地址,和你要获取的服务器上的页面(路径)。但是在浏览器发送HTTP请求前,浏览器需要先和WEB服务器建立TCP连接。然后浏览器在TCP连接上发送HTTP请求,然后等待服务器回发HTTP响应。当浏览器接收到响应后,显示响应,在本次例子中,浏览器显示“Hello, World!”。

    我们再详细探索一下客户端和服务器在发送HTTP请求和响应前如何建立TCP连接的。在建立连接,它们必须使用所谓的sockets。用你命令行下的telnet手动模拟浏览器吧,而不是直接使用浏览器。

    在运行WEB服务器的同一台电脑上,在命令行启动一个telnet会话,指定连接到localhost主机,连接端口为8888,然后按回车:

    此时,你已经和运行在你本地主机的服务器建立了TCP连接,已经准备好发送并接收HTTP消息了。下图中你可以看到一个服务器要经过的标准步骤,然后才能接受新的TCP连接。

    在同一个telnet会话中,输入 GET /hello HTTP/1.1然后敲回车:

    你完成了手动模拟浏览器!你发送了一个HTTP请求并得到了一个HTTP响应。这是HTTP请求的基本结构:

    HTTP请求由行组成。行指示了HTTP方法(GET,因为我们请求我们的服务器返回给我们一些东西)、代表我们想要的服务器上的“页面”的路径 /hello和协议版本。

    为了简单起见,此时我们的WEB服务器完全忽略了上面的请求行。你也可以输入任何垃圾字符取代“GET /hello HTTP/1.1”,你仍然会得到“Hello, World!”响应。

    一旦你输入了请求行,敲了回车,客户端就发送请求给服务器,服务器读取请求行,打印出来然后返回相应的HTTP响应。

    以下是服务器回发给客户端(这个例子中是telnet)的HTTP响应:

    咱们分析一下它,响应包含了状态行HTTP/1.1 200 OK,随后一个必须的空行,和HTTP响应body。

    响应状态行TTP/1.1 200 OK包含了HTTP版本,HTTP状态码和HTTP状态码理由短语OK。浏览器得到响应时,它就显示响应的body,所以你就看到了“Hello, World!”

    这就是WEB浏览器怎么工作的基本模型。总结来说:WEB服务器创建一个监听socket然后开始循环接受新连接。客户端初始化一个TCP连接,在连接成功后,客户端发送HTTP请求到服务器,服务器响应一个显示给用户的HTTP响应。客户端和服务器都使用socket建立TCP连接。

    你现在你拥有了一个非常基础的WEB服务器,你可以用浏览器或其他的HTTP客户端测试它。正如你看到的,使用telnet手动输入HTTP请求,你也就成了一个人肉 HTTP 客户端。

    对你来说有一个问题:“怎样在你的刚完成的WEB服务器下运行 Django 应用、Flask 应用和 Pyramid  应用?在不单独修改服务器来适应这些不同的 WEB 框架的情况下。”

    还记得吗?在本系列第一部分我问过你:“怎样在你的刚完成的WEB服务器下运行 Django 应用、Flask 应用和 Pyramid 应用?在不单独修改服务器来适应这些不同的WEB框架的情况下。”往下看,来找出答案。

    过去,你所选择的一个Python Web框架会限制你选择可用的Web服务器,反之亦然。如果框架和服务器设计的是可以一起工作的,那就很好:

    但是,当你试着结合没有设计成可以一起工作的服务器和框架时,你可能要面对(可能你已经面对了)下面这种问题:

    基本上,你只能用可以在一起工作的部分,而不是你想用的部分。

    那么,怎样确保在不修改Web服务器和Web框架下,用你的Web服务器运行不同的Web框架?答案就是Python Web服务器网关接口(或者缩写为WSGI,读作“wizgy”)。

    WSGI允许开发者把框架的选择和服务器的选择分开。现在你可以真正地混合、匹配Web服务器和Web框架了。例如,你可以在Gunicorn或者Nginx/uWSGI或者Waitress上面运行Django,Flask,或Pyramid。真正的混合和匹配哟,感谢WSGI服务器和框架两者都支持:

    就这样,WSGI成了我在本系列第一部分和本文开头重复问的问题的答案。你的Web服务器必须实现WSGI接口的服务器端,所有的现代Python Web框架已经实现 了WSGI接口的框架端了,这就让你可以不用修改服务器代码,适应某个框架。

    现在你了解了Web服务器和WEb框架支持的WSGI允许你选择一对儿合适的(服务器和框架),它对服务器和框架的开发者也有益,因为他们可以专注于他们特定的领域,而不是越俎代庖。其他语言也有相似的接口:例如,Java有Servlet API,Ruby有Rack。

    一切都还不错,但我打赌你会说:“秀代码给我看!” 好吧,看看这个漂亮且简约的WSGI服务器实现:

    它明显比本系列第一部分中的服务器代码大,但为了方便你理解,而不陷入具体细节,它也足够小了(只有150行不到)。上面的服务器还做了别的事 – 它可以运行你喜欢的Web框架写的基本的Web应用,可以是Pyramid,Flask,Django,或者其他的Python WSGI框架。

    不信?自己试试看。把上面的代码保存成webserver2.py或者直接从Github上下载。如果你不带参数地直接运行它,它就会报怨然后退出。

    它真的想给Web框架提供服务,从这开始有趣起来。要运行服务器你唯一需要做的是安装Python。但是要运行使用Pyramid,Flask,和Django写的应用,你得先安装这些框架。一起安装这三个吧。我比较喜欢使用virtualenv。跟着以下步骤来创建和激活一个虚拟环境,然后安装这三个Web框架。

    此时你需要创建一个Web应用。我们先拿Pyramid开始吧。保存以下代码到保存webserver2.py时相同的目录。命名为pyramidapp.py。或者直接从Github上下载:

    现在你已经准备好用完全属于自己的Web服务器来运行Pyramid应用了:

    刚才你告诉你的服务器从python模块‘pyramidapp’中加载可调用的‘app’,现在你的服务器准备好了接受请求然后转发它们给你的Pyramid应用。目前应用只处理一个路由:/hello 路由。在浏览器里输入http://localhost:8888/hello地址,按回车键,观察结果:

    你也可以在命令行下使用‘curl’工具来测试服务器:

    检查服务器和curl输出了什么到标准输出。

    现在弄Flask。按照相同的步骤。

    保存以上代码为flaskapp.py或者从Github上下载它。然后像这样运行服务器:

    现在在浏览器里输入http://localhost:8888/hello然后按回车:

    再一次,试试‘curl’,看看服务器返回了一条Flask应用产生的消息:

    服务器也能处理Django应用吗?试试吧!尽管这有点复杂,但我还是推荐克隆整个仓库,然后使用djangoapp.py,它是GitHub仓库的一部分。以下的源码,简单地把Django ‘helloworld’ 工程(使用Django的django-admin.py启动项目预创建的)添加到当前Python路径,然后导入了工程的WSGI应用。

    把以上代码保存为djangoapp.py,然后用你的Web服务器运行Django应用:

    输入下面的地址,然后按回车键:

    虽然你已经做过两次啦,你还是可以再在命令行测试一下,确认一下,这次是Django应用处理了请求。

    你试了吧?你确定服务器可以和这三个框架一起工作吧?如果没试,请试一下。阅读挺重要,但这个系列是关于重建的,也就是说,你要自己动手。去动手试试吧。别担心,我等你哟。你必须试下,最好呢,你亲自输入所有的东西,确保它工作起来像你期望的那样。

    很好,你已经体验到了WSGI的强大:它可以让你把Web服务器和Web框架结合起来。WSGI提供了Python Web服务器和Python Web框架之间的一个最小接口。它非常简单,在服务器和框架端都可以轻易实现。下面的代码片段展示了(WSGI)接口的服务器和框架端:

    以下是它如何工作的:

    • 1.框架提供一个可调用的’应用’(WSGI规格并没有要求如何实现)
    • 2.服务器每次接收到HTTP客户端请求后,执行可调用的’应用’。服务器把一个包含了WSGI/CGI变量的字典和一个可调用的’start_response’做为参数给可调用的’application’。
    • 3.框架/应用生成HTTP状态和HTTP响应头,然后把它们传给可调用的’start_response’,让服务器保存它们。框架/应用也返回一个响应体。
    • 4.服务器把状态,响应头,响应体合并到HTTP响应里,然后传给(HTTP)客户端(这步不是(WSGI)规格里的一部分,但它是后面流程中的一步,为了解释清楚我加上了这步)

    以下是接口的视觉描述: 

    目前为止,你已经了解了Pyramid,Flask,和Django Web应用,你还了解了实现了WSGI规范服务器端的服务器代码。你甚至已经知道了不使用任何框架的基本的WSGI应用代码片段。

    问题就在于,当你使用这些框架中的一个来写Web应用时,你站在一个比较高的层次,并不直接和WSGI打交道,但我知道你对WSGI接口的框架端好奇,因为你在读本文。所以,咱们一起写个极简的WSGI Web应用/Web框架吧,不用Pyramid,Flask,或者Django,然后用你的服务器运行它:

    再次,保存以上代码到wsgiapp.py文件,或者直接从GitHub上下载,然后像下面这样使用你的Web服务器运行应用:

    输入下面地址,敲回车。你应该就看到下面结果了:

    在你学习怎样写一个Web服务器时,你刚刚写了一个你自己的极简的WSGI Web框架!棒极啦。

    现在,让我们回头看看服务器传输了什么给客户端。以下就是使用HTTP客户端调用Pyramid应用时生成的HTTP响应: 

    这个响应跟你在本系列第一部分看到的有一些相近的部分,但也有一些新东西。例如,你以前没见过的4个HTTP头:Content-Type, Content-Length, Date, 和Servedr。这些头是Web服务器生成的响应应该有的。虽然他们并不是必须的。头的目的传输HTTP请求/响应的额外信息。

    现在你对WSGI接口了解的更多啦,同样,以下是带有更多信息的HTTP响应,这些信息表示了哪些部件产生的它(响应): 

    我还没有介绍’environ’字典呢,但它基本上就是一个Python字典,必须包含WSGI规范规定的必要的WSGI和CGI变量。服务器在解析请求后,从HTTP请求拿到了字典的值,字典的内容看起来像下面这样: 

    Web框架使用字典里的信息来决定使用哪个视图,基于指定的路由,请求方法等,从哪里读请求体,错误写到哪里去,如果有的话。

    现在你已经创建了你自己的WSGI Web服务器,使用不同的Web框架写Web应用。还有,你还顺手写了个简单的Web应用/Web框架。真是段难忘的旅程。咱们简要重述下WSGI Web服务器必须做哪些工作才能处理发给WSGI应用的请求吧:

    • 首先,服务器启动并加载一个由Web框架/应用提供的可调用的’application’
    • 然后,服务器读取请求
    • 然后,服务器解析它
    • 然后,服务器使用请求的数据创建了一个’environ’字典
    • 然后,服务器使用’environ’字典和’start_response’做为参数调用’application’,并拿到返回的响应体。
    • 然后,服务器使用调用’application’返回的数据,由’start_response’设置的状态和响应头,来构造HTTP响应。
    • 最终,服务器把HTTP响应传回给户端。 

    这就是全部啦。现在你有了一个可工作的WSGI服务器,它可以处理使用像Django,Flask,Pyramid或者 你自己的WSGI框架这样的兼容WSGI的Web框架写的基本的Web应用。最优秀的地方是,服务器可以在不修改代码的情况下,使用不同的Web框架。

    在你离开之前,还有个问题请你想一下,“该怎么做才能让服务器同一时间处理多个请求呢?”

    “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.
  • 相关阅读:
    APP移动端开发html模板
    javascript使用百度地图api和html5特性获取浏览器位置
    javascript与jQuery的each,map回调函数参数顺序问题
    fiddler操作改到本地
    做54活动总结
    移动端文字垂直居中问题兼容
    ADO。Net(二)——防止SQL注入攻击
    ADO.Net(一)——增、删、改、查
    面向对象(六)——设计模式和委托
    面向对象(五)——类库和五大原则
  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/valorchang/p/11282257.html
Copyright © 2020-2023  润新知