基于ARM-Linux嵌入式系統的多進程并發服務器設計

摘要：隨著物聯網、智能電網、智能移動設備的發展，我們將能在任何時候任何地方獲取我們所需的信息，本文設計一款基于ARM-Linux嵌入式系統的多進程并發服務器。它擁有傳統服務器的功能，可遠程訪問和操作，同時又具有體積小、噪聲低、低功耗、低成本的優勢，非常適合用于智能樓宇的家用服務器。

目前大家所用的大多是X86服務器，其功能完善、運行速度快、軟件支持性好等優點，已被人們普遍認同。但其由于價格昂貴、功耗高、噪聲大等原因，一般只應用于工廠、企事業單位，但隨著互連網的發展，我們需要更多的小型服務器終端，因此，低成本、低功耗的嵌入式服務器將有極大的應用空間。

面向連接的并發服務器是目前Linux網絡服務器的主流形式。它采用主、從服務器的工作方式，能較好地解決了網絡中客戶進程的并發請求問題。目前在嵌入式領域，基于ARM技術的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器80%以上的市場份額，同時，ARM處理器和嵌入式Linux的結合也正變得越來越緊密，在工業控制、消費類電子產品、通信系統、無線系統等各類產品市場都可以看到ARM與Linux相結合的身影。因此，本文介紹了一種基于ARM-Linux嵌入式系統的多進程并發服務器設計。

1 并發服務器原理及框架

1. 1 基本的C/S服務模型

相互通信的網絡程序通常可以分為客戶端和服務器端兩部分。簡單的C/S服務模式客戶端和服務器采用的是一對一的關系，而實際上一個客戶同時可以與多個服務器通信，一個服務器同時也能與多個客戶通信。

Linux下使用TCP套接字編程可以實現基于TCP/IP協議的面向連接的通信，它分為服務器端和客戶端兩部分，如圖1所示。

服務器端與客戶端連接的步驟如下：

1)使用socket0函數創建套接字;

2)將創那的套接字綁定到指定的地址結構

3)Listen0函數設置套接字為監聽模式，使服務器進入被動打開的狀態

4)接受客戶端的連接請求，建立連接

5)終止連接

客戶端實現步驟：

1)使用socket0函數創建套接字

2)調用connect0函數建立一個TCP服務器的連接

3)發送數據請求，接收服務器的數據應答

4)終止連接

這樣就建立了最簡單的C/S連接模式，而所有基于TCP套接字的網絡服務也都是建立在這個基礎上的。

1.2 多進程并發服務器模型

前面介紹了簡單的TCP客戶端/服務器概念和連接，其中服務器每次只能處理一個客戶的請求，它的實現雖然很簡單但效率卻很低，在實際應用中，這樣的服務器是不能滿足實際需求的。

在實際應用中為了讓一個服務器同時為多個客戶服務，處理多個客戶的請求，那么就需要用并發服務器。Linux下主要支持的并發服務器有進程、線程。創建線程要比進程快，但一個進程內的所有線程共享相同的內存空間、全局變量等信息，所以當一個線程崩潰時，它會影響同一進程中的其他線程。

Linux系統中可以同時存在多個進程，但相對線程來說，進程是獨立的。它擁有獨立的地址空間、執行堆棧、文件描述符等，在未經允許的情況下，一個進程不能訪問另一個進程的資源，因此一個進程崩潰不會造成其他進程的崩潰。由于考慮遠程監控系統要求的安全性和穩定性，本系統設計為多進程并發服務器。圖2為并發服務器的基本模型圖。

1.3 多進程服務器原理

在多進程并發服務器中是通過調用fork或vfork函數來創建新進程。當父進程產生新的子進程后，父、子進程共享父進程在調用fork之前的所有描述符。接下來父進程只負責接收客戶請求，而子進程只負責處理客戶請求。

圖3說明父進程調用fork生成子進程后，父、子進程對客戶請求和描述符的操作過程。

1)當服務器調用accept0函數時，連接請求從客戶到達服務器時雙方狀態。

2)當客戶的請求被接受后。接下來服務器就會調用fork函數生成子進程。

3)最后父進程關閉已連接描述符，由子進程關閉監聽描述符，這樣既可以節省系統資源，又可以防止父、子進程同時對共享描述符進程操作。至此子進程處理與客戶的連接，父進程可以對監聽描述符再次調用accept，繼續處理下一個客戶的請求。

2 功能代碼分析

網絡主程序設計其實主要也就是父進程所執行的程序，程序設計的流程圖如4所示。

linux中的網絡編程通過socket接口實現。socket既是一種特殊的I/O，它也是一種文件描述符。一個完整的socket包括協議、本地地址、本地端口、遠程地址、遠程端口;每一個socket有一個本地的唯一socket號，由操作系統自動分配。以下是建立TCP socket，其中AF_INET為IPv4，SOCK_STREAM為TCP協議，如建立失敗則返回-1。

listen_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)

調用bzero初始化套接字地址結構，并對地址結構中的成員賦值，代碼如下。

bzero(client_addr，sizeof(struct sockaddr_in));

client_addr.sin_family=AF_INET;

client_addr.sin_port=htons(MY_PORT);

client_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);

為了給調用socket0函數產生的套接字分配一個本地協議地址，建立地址與套接字的對應關系，就要用到綁定函數bind0。通過綁定后端口號保證了地址信息的唯一性。如失敗返回-1。