Linux 網路程式設計：進程模型伺服器端演進（從 Fork 到靜態進程池）

Linux 網路程式設計：進程模型伺服器端演進（從 Fork 到靜態進程池）

本文展示四種進程模型伺服器的演進路徑，並完整實作前兩種：每連接一進程 與 預先 Fork 靜態進程池，附帶驚群效應解決方案（檔案鎖）與訊號處理。

模型演進四境界

1. 每連接一進程：accept 後 fork 子進程處理，處理完退出。
2. 靜態進程池：啟動時預先 fork 固定數量子進程，共享 listen socket，競爭 accept。
3. 動態進程池：根據負載動態增減子進程數量。
4. 混合模型：結合執行緒池、I/O 多工等技術。

模型一：每連接一進程

優點

• 程式邏輯極簡單，適合教學與低併發場景。

缺點

• 頻繁 fork/exit 開銷大，無法應對高併發。

關鍵程式碼片段

void process_mode(int sock_fd, int connect_fd) {
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) { perror("fork"); exit(errno); }
    if (pid == 0) { // 子進程
        close(sock_fd); // 關閉監聽 socket
        // 處理連接...
        close(connect_fd);
        exit(0);
    }
    // 父進程
    close(connect_fd); // 關閉連接 socket
}

注意：fork 後父子進程必須分別關閉不需要的 socket 描述符，否則會導致檔案描述符洩漏或連接無法正確關閉。

模型二：靜態進程池（預先 Fork）

核心難點：驚群效應

多個子進程同時阻塞在 accept，當新連接到來時，所有進程被喚醒但只有一個成功，其餘白白消耗 CPU。解決方案：檔案鎖序列化 accept。

鎖操作封裝

struct flock lock_it = {F_WRLCK, SEEK_SET, 0, 0};
struct flock unlock_it = {F_UNLCK, SEEK_SET, 0, 0};
int lock_fd = -1;

void my_lock_init(char *pathname) {
    char lock_file[1024];
    strncpy(lock_file, pathname, sizeof(lock_file));
    lock_fd = mkstemp(lock_file);
    unlink(lock_file); // 建立匿名臨時檔案
}

void my_lock_wait() {
    while (fcntl(lock_fd, F_SETLKW, &lock_it) < 0) {
        if (errno == EINTR) continue;
        perror("fcntl"); exit(errno);
    }
}

void my_lock_release() {
    if (fcntl(lock_fd, F_SETLKW, &unlock_it) < 0) {
        perror("fcntl"); exit(errno);
    }
}

子進程迴圈

void child_loop(int sock_fd) {
    int connect_fd;
    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_len;

    while (1) {
        my_lock_wait();
        client_len = sizeof(client);
        connect_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr*)&client, &client_len);
        printf("process %d deal with connector\n", getpid());
        process(connect_fd); // 業務邏輯
        close(connect_fd);
        my_lock_release();
    }
}

主程式建立進程池

void preprocess(int sock_fd, int n) {
    pool.nchild = n;
    pool.pids = malloc(n * sizeof(pid_t));
    my_lock_init("/tmp/lock.XXXXXX");
    for (int i = 0; i < n; i++)
        pool.pids[i] = make_child(sock_fd); // fork 並進入 child_loop
    signal(SIGINT, sig_call_back); // 捕捉 Ctrl+C 清理子進程
    for (;;) pause(); // 父進程等待訊號
}

客戶端測試程式

// 連線指定次數發送 "Hello World"
for (i = 0; i < atoi(argv[3]); i++)
    connect_server(argv[1], atoi(argv[2]));

總結與展望

• 靜態進程池消除了頻繁 fork 開銷，但進程數固定，無法適應負載波動。
• 父進程必須處理 SIGINT 並 kill 所有子進程，避免孤兒進程。
• 下一步演進：動態進程池（依負載增減）、執行緒池（更輕量）、I/O 多工（epoll/kqueue，單進程高併發）。