UNIX网络编程-TCP套接字编程

概述

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TCP客户端/服务器程序示例是执行如下步骤的一个回射服务器：

1. 客户端从标准输入读入一行文本，并写给服务器。
2. 服务器从网络输入读入这行文本，并回射给客户端。
3. 客户端从网络输入读入这行回射文本，并显示在标准输出上。

TCP服务器程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <errno.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <arpa/inet.h>#define MAXLINE     4096
#define SERV_PORT   9877
#define LISTENQ     1024
#define SA  struct sockaddr// 从客户端读入数据，并把它们回射给客户端
void str_echo(int sockfd) {ssize_t n;char    buf[MAXLINE];
again:// 从套接字读入数据// 套接字中接收缓冲区和发送缓冲区是分开的，因此读和写不会发生混淆while ((n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)write(sockfd, buf, n);    // 把套接字中的内容回射给客户端// 如果n<0表示读取数据出错或到达文件末尾// 如果errno等于EINTR，表示读取操作被信号中断// 如果上述两个条件同时满足，则重新尝试读取数据if (n < 0 && errno == EINTR)goto again;// 如果表示文件描述符到达文件末尾else if (n < 0)printf("str_echo: read error");
}int main(int argc, char **argv)
{int                 listenfd, connfd;pid_t               childpid;socklen_t           clilen;struct sockaddr_in  cliaddr, servaddr;/* --------------------------------------------- *///1) 创建一个TCP连接套接字listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listenfd < 0) {printf("socket error");return -1;}/* --------------------------------------------- *///2) 把服务器对应端口绑定到套接字 bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));     // 开辟内存servaddr.sin_family      = AF_INET;     // 地址族// 指定IP地址为INADDR_ANY，这样要是服务器主机有多个网络接口，服务器进程就可以在任意网络接口上接受客户端连接servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port        = htons(SERV_PORT);if (bind(listenfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {printf("bind error");return -1;}/* --------------------------------------------- *///3) 把套接字转换为监听套接字// LISTENQ表示系统内核允许在这个监听描述符上排队的最大客户端连接数if(listen(listenfd, LISTENQ) < 0) {printf("listen error");return -1;}/* --------------------------------------------- *///4) 接受客户端连接，发送应答for ( ; ; ) {clilen = sizeof(cliaddr);// connfd为已连接描述符，用于和客户端进行通信connfd = accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &clilen);if(connfd < 0) {printf("accept error");return -1;}if ((childpid = fork()) == 0) {// 子进程关闭监听套接字if (close(listenfd) == -1) {printf("child close listenfd error");return -1;           }str_echo(connfd);    // 子进程处理客户端请求exit(0);             // 清理描述符    }/* --------------------------------------------- *///5) 父进程关闭已连接套接字if (close(connfd) == -1) {printf("parent close connfd error");return -1;}}
}

TCP客户端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h> /* basic socket definitions */#define MAXLINE     4096
#define SERV_PORT   9877
#define SA  struct sockaddr   char *Fgets(char *ptr, int n, FILE *stream)
{char    *rptr;// 当遇到文件结束符或错误时，fgets函数将返回一个空指针，于是客户端处理循环终止if ( (rptr = fgets(ptr, n, stream)) == NULL && ferror(stream)) {printf("fgets error");return NULL;     }return (rptr);
}ssize_t readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen)
{ssize_t n, rc;char    c, *ptr;ptr = vptr;for (n = 1; n < maxlen; n++) {if ( (rc = read(fd, &c, 1)) == 1) {*ptr++ = c;if (c == '\n')break;} else if (rc == 0) {if (n == 1)return(0);  /* EOF, no data read */elsebreak;      /* EOF, some data was read */} elsereturn(-1); /* error */}*ptr = 0;return(n);
}
/* end readline */void str_cli(FILE *fp, int sockfd) {char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];// 从控制台读入一行文本while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {// 把该行文本发送给服务器if (write(sockfd, sendline, strlen(sendline)) != strlen(sendline)) {printf("writen error");return;             }// 从服务器读入回射行if (readline(sockfd, recvline, MAXLINE) < 0){printf("readline error");return;        }// 把它写到标准输出if (fputs(recvline, stdout) == EOF) {printf("fputs error");return;        }}
}int main(int argc, char **argv)
{int                 sockfd;char                recvline[MAXLINE + 1];struct sockaddr_in  servaddr;if (argc != 2)exit(1);/* --------------------------------------------- *///1) 创建一个TCP连接套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0) {printf("socket error");return -1;}/* --------------------------------------------- *///2) 指定服务器的IP地址和端口bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));         // 初始化内存servaddr.sin_family = AF_INET;              // 地址族servaddr.sin_port   = htons(SERV_PORT);     // 时间获取服务器端口为13// 注意：此处的IP和端口是服务器的IP和端口// 把点分十进制的IP地址（如：206.168.112.96）转化为合适的格式if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0) {printf("inet_pton error for %s", argv[1]);return -1;}/* --------------------------------------------- *///3) 建立客户端（sockfd）与服务器（servaddr）的连接，TCP连接if (connect(sockfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {printf("connect error");return -1;}// 完成剩余部分的客户端处理工作str_cli(stdin, sockfd);/* --------------------------------------------- *///5) 终止程序运行，关闭该进程打开的所有描述符和TCP套接字exit(0);
}

正常启动

1）启动TCP服务器程序

gcc -o tcpserv tcpserv.c 
gcc -o tcpcli tcpcli.c ./tcpserv &

服务器启动后，它调用socked、bind、listen和accept，并阻塞于accept调用。

2）启动TCP客户端程序

./tcpcli 127.0.0.1// 输入字符串
kaikaixinxinxuebiancheng

启动客户端程序并指定服务器主机的IP地址。客户端调用socket和connect，后者引起TCP三次握手过程。当三次握手完成后，客户端中的connect和服务器中的accept均返回，连接于是被建立。

接着发生步骤如下：

1. 客户端调用str_cli函数，该函数将阻塞于fgets调用，因为我们还未曾键入过一行文本。
2. 当服务器中的accept返回时，服务器调用fork，再由子进程调用str_echo。该函数调用readline，readline调用read，而read在等待客户端送入一行文本期间阻塞。
3. 服务器父进程再次调用accept并阻塞，等待下一个客户端连接。

连接建立后，不论在客户端中输入什么，都会回射到它的标准输出中。

接着在终端输入EOF字符（Ctrl+D）以终止客户端。

此时如果立刻执行netstat命令，则将看到如下结果：

// 服务器本地端口为9877，客户端本地端口为42758
netstat -a | grep 9877

当前连接的客户端（它的本地端口号为42758）进入了TIME_WAIT状态，而监听服务器仍在等待另一个客户端连接。

正常终止

正常终止客户端与服务器步骤：

1）当键入EOF字符时，fgets返回一个空指针，于是str_cli函数返回。

2）当str_cli返回到客户端的main函数时，main通过调用exit终止。

3）进程终止处理的部分工作是关闭所有打开的描述符，因此客户端打开的套接字由内核关闭。这导致客户端TCP发送一个FIN给服务器，服务器则以ACK响应，这就是TCP连接终止序列的前半部分。至此，服务器套接字处于CLOSE_WAIT状态，客户端套接字则处于FIN_WAIT_2状态。

4）当服务器TCP接收FIN时，服务器子进程阻塞于read调用，于是read返回0，这导致str_echo函数返回服务器子进程的main函数。

5）服务器子进程通过调用exit来终止。

6）服务器子进程中打开的所有描述符（包括已连接套接字）随之关闭。子进程关闭已连接套接字时会引发TCP连接终止序列的最后两个分节：一个从服务器到客户端的FIN和一个从客户端到服务器的ACK。至此，连接完全终止，客户端套接字进入TIME_WAIT状态（允许老的重复分节在网络中消逝）。

7）进程终止处理的另一部分内容是：在服务器进程终止时，给父进程发送一个SIGCHLD信号，这一点在上述程序示例中发生了，但是没有在代码中捕获该信号，而信号的默认行为是被忽略。既然父进程未加处理，子进程于是进入僵死状态（僵尸进程）。可以通过ps命令进行验证：

// 查看当前终端编号
tty// 查看子进程状态
ps -t /dev/pts/0 -o pid,ppid,tty,stat,args,wchan

查看结果：

子进程状态表现为Z（表示僵死）。针对僵死进程（僵尸进程），必须清理。

POSIX信号处理

信号（signal）就是告知某个进程发生了某个事件的通知，有时也称为软件中断。信号通常是异步发生的，也就是说进程预先不知道信号的准确发生时刻。

注意：

1）信号可以由一个进程发给另一个进程（或自身）。

2）信号可以由内核发给某个进程。

上一小节提到的SIGCHLD信号就是由内核在任何一个进程终止时发给它的父进程的一个信号。

每个信号都有一个与之关联的处置，也称为行为。

SIGCHLD信号处理

思考：为什么必须要处理僵死进程？

答：因为僵死进程占用内核空间，最终可能导致耗尽进程资源。所以，无论何时针对fork出来的子进程都得使用wait函数处理它们，以防止它们变为僵死进程。

TCP服务器程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <errno.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>#define MAXLINE     4096
#define SERV_PORT   9877
#define LISTENQ     1024
#define SA  struct sockaddrtypedef void    Sigfunc(int);   /* for signal handlers */// SIGCHLD信号处理函数，防止子进程变为僵死进程
void sig_chld(int signo)
{pid_t   pid;int     stat;// 等待子进程结束，并获取子进程的PID和退出状态pid = wait(&stat);// 在此处调用诸如printf这样的标准I/O是不合适的，此处只是作为查看子进程何时终止的诊断手段printf("child %d terminated\n", pid);return;
}Sigfunc *signal(int signo, Sigfunc *func)
{// 定义信号动作struct sigaction    act, oact;act.sa_handler = func;        // 设置信号处理函数sigemptyset(&act.sa_mask);    // 清空信号掩码集act.sa_flags = 0;             // 设置信号处理方式为默认if (signo == SIGALRM) {
#ifdef  SA_INTERRUPTact.sa_flags |= SA_INTERRUPT;   /* SunOS 4.x */
#endif} else {
#ifdef  SA_RESTARTact.sa_flags |= SA_RESTART;     /* SVR4, 44BSD */
#endif}if (sigaction(signo, &act, &oact) < 0)return(SIG_ERR);return(oact.sa_handler);
}
/* end signal */// 捕捉指定信号并采取行动
Sigfunc *Signal(int signo, Sigfunc *func)    /* for our signal() function */
{Sigfunc *sigfunc;if ( (sigfunc = signal(signo, func)) == SIG_ERR) {printf("signal error");    }return(sigfunc);
}// 从客户端读入数据，并把它们回射给客户端
void str_echo(int sockfd) {ssize_t n;char    buf[MAXLINE];
again:// 从套接字读入数据// 套接字中接收缓冲区和发送缓冲区是分开的，因此读和写不会发生混淆while ((n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)write(sockfd, buf, n);    // 把套接字中的内容回射给客户端// 如果n<0表示读取数据出错或到达文件末尾// 如果errno等于EINTR，表示读取操作被信号中断// 如果上述两个条件同时满足，则重新尝试读取数据if (n < 0 && errno == EINTR)goto again;// 如果表示文件描述符到达文件末尾else if (n < 0)printf("str_echo: read error");
}int main(int argc, char **argv)
{int                 listenfd, connfd;pid_t               childpid;socklen_t           clilen;struct sockaddr_in  cliaddr, servaddr;/* --------------------------------------------- *///1) 创建一个TCP连接套接字listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listenfd < 0) {printf("socket error");return -1;}/* --------------------------------------------- *///2) 把服务器对应端口绑定到套接字 bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));     // 开辟内存servaddr.sin_family      = AF_INET;     // 地址族// 指定IP地址为INADDR_ANY，这样要是服务器主机有多个网络接口，服务器进程就可以在任意网络接口上接受客户端连接servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port        = htons(SERV_PORT);if (bind(listenfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {printf("bind error");return -1;}/* --------------------------------------------- *///3) 把套接字转换为监听套接字// LISTENQ表示系统内核允许在这个监听描述符上排队的最大客户端连接数if(listen(listenfd, LISTENQ) < 0) {printf("listen error");return -1;}// 捕捉指定信号并采取行动Signal(SIGCHLD, sig_chld);    /* must call waitpid() *//* --------------------------------------------- *///4) 接受客户端连接，发送应答for ( ; ; ) {clilen = sizeof(cliaddr);// connfd为已连接描述符，用于和客户端进行通信connfd = accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &clilen);if(connfd < 0) {if (errno == EINTR) {continue;     // 重启被中断的accept           } else {printf("accept error");return -1;           }}if ((childpid = fork()) == 0) {// 子进程关闭监听套接字if (close(listenfd) == -1) {printf("child close listenfd error");return -1;           }str_echo(connfd);    // 子进程处理客户端请求exit(0);             // 清理描述符    }/* --------------------------------------------- *///5) 父进程关闭已连接套接字if (close(connfd) == -1) {printf("parent close connfd error");return -1;}}
}

注意：如果connect函数返回EINTR，则不能重启，否则将立即返回一个错误。当connect被一个捕获的信号中断而且不自动重启时，必须调用select来等待连接完成。

TCP客户端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h> /* basic socket definitions */#define MAXLINE     4096
#define SERV_PORT   9877
#define SA  struct sockaddr   char *Fgets(char *ptr, int n, FILE *stream)
{char    *rptr;// 当遇到文件结束符或错误时，fgets函数将返回一个空指针，于是客户端处理循环终止if ( (rptr = fgets(ptr, n, stream)) == NULL && ferror(stream)) {printf("fgets error");return NULL;     }return (rptr);
}ssize_t readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen)
{ssize_t n, rc;char    c, *ptr;ptr = vptr;for (n = 1; n < maxlen; n++) {if ( (rc = read(fd, &c, 1)) == 1) {*ptr++ = c;if (c == '\n')break;} else if (rc == 0) {if (n == 1)return(0);  /* EOF, no data read */elsebreak;      /* EOF, some data was read */} elsereturn(-1); /* error */}*ptr = 0;return(n);
}
/* end readline */void str_cli(FILE *fp, int sockfd) {char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];// 从控制台读入一行文本while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {// 把该行文本发送给服务器if (write(sockfd, sendline, strlen(sendline)) != strlen(sendline)) {printf("writen error");return;             }// 从服务器读入回射行if (readline(sockfd, recvline, MAXLINE) < 0){printf("readline error");return;        }// 把它写到标准输出if (fputs(recvline, stdout) == EOF) {printf("fputs error");return;        }}
}int main(int argc, char **argv)
{int                 sockfd;char                recvline[MAXLINE + 1];struct sockaddr_in  servaddr;if (argc != 2)exit(1);/* --------------------------------------------- *///1) 创建一个TCP连接套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0) {printf("socket error");return -1;}/* --------------------------------------------- *///2) 指定服务器的IP地址和端口bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));         // 初始化内存servaddr.sin_family = AF_INET;              // 地址族servaddr.sin_port   = htons(SERV_PORT);     // 时间获取服务器端口为13// 注意：此处的IP和端口是服务器的IP和端口// 把点分十进制的IP地址（如：206.168.112.96）转化为合适的格式if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0) {printf("inet_pton error for %s", argv[1]);return -1;}/* --------------------------------------------- *///3) 建立客户端（sockfd）与服务器（servaddr）的连接，TCP连接if (connect(sockfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {printf("connect error");return -1;}// 完成剩余部分的客户端处理工作str_cli(stdin, sockfd);/* --------------------------------------------- *///5) 终止程序运行，关闭该进程打开的所有描述符和TCP套接字exit(0);
}

执行流程

// 启动服务器程序
./tcpserv02 &// 启动客户端程序
./tcpserv02 127.0.0.1
hi there
hi there
^D                                        键入EOF字符
child 16942 terminated                    信号处理函数中的printf输出
accept error:Interrupted system call      main函数终止执行

具体各步骤如下：

1）键入EOF字符终止客户端。客户端发送一个FIN给服务器，服务器响应一个ACK。

2）收到客户端的FIN导致服务器TCP递送一个EOF给子进程阻塞中的readline，从而子进程终止。

3）当SIGCHLD信号递交时，父进程阻塞与accept调用。sig_chld函数（信号处理函数）执行，其wait调用渠道子进程的PID和终止状态，随后是printf调用，最后返回。

4）既然该信号是在父进程阻塞于慢系统调用（accept）时由父进程捕获的，内核就会使accept返回一个EINTR错误（被中断的系统调用）。父进程不处理该错误，于是父进程中止，无法接受新的连接。

wait和waitpid函数

问1：什么是孤儿进程？什么是僵尸进程？二者分别会带来什么危害？

答：

1）孤儿进程：如果父进程在子进程结束前退出，那么子进程就会成为孤儿进程。在这种情况下，父进程没有机会调用wait或waitpid函数。每当出现一个孤儿进程的时候，内核就把孤儿进程交给init进程管理。即init进程会代替该孤儿进程的父进程回收孤儿进程的资源，因此孤儿进程并不会有什么危害。

2）僵尸进程：如果子进程结束时，父进程未调用wait或waitpid函数回收其资源，那么子进程就会称为僵尸进程。如果释放僵尸进程的相关资源，其进程号就会被一致占用，但是系统所能使用的进程号是有限的，如果产生大量的僵尸进程，最终将会因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程，所以应该避免僵尸进程的产生。

问2：为什么父进程需要在fork之前调用wait或waitpid函数等待子进程退出？

答：父进程使用fork函数创建子进程是为了处理多个客户端连接。fork会创建一个与父进程几乎完全相同的子进程，包括内存空间、文件描述符等。这样做的好处是父进程可以继续监听新的连接请求，而子进程可以专注于处理已接受的连接。因此，父进程调用wait或waitpid函数主要是为了防止出现僵尸进程。

wait和waitpid函数：

#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *statloc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);返回：若成功则返回已终止的进程ID，若出错则返回0或-1

函数wait和waitpid均返回两个值：已终止的进程ID号，以及通过statloc指针返回的子进程终止状态（一个整数）。

可以调用三个宏来检查终止状态，并辨别子进程是正常终止、由某个信号杀死还是仅仅由作业控制停止而已。另有些宏用于接着获取子进程的推出状态、杀死子进程的信号值或停止子进程的作业控制号值。

如果调用wait的进程没有已终止的子进程，不过有一个或多个子进程仍在执行，那么wait将阻塞到有子进程第一个终止为止。

wait和waitpid的区别

客户端程序

TCP客户端程序修改后：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h> /* basic socket definitions */#define MAXLINE     4096
#define SERV_PORT   9877
#define SA  struct sockaddr   char *Fgets(char *ptr, int n, FILE *stream)
{char    *rptr;// 当遇到文件结束符或错误时，fgets函数将返回一个空指针，于是客户端处理循环终止if ( (rptr = fgets(ptr, n, stream)) == NULL && ferror(stream)) {printf("fgets error");return NULL;     }return (rptr);
}ssize_t readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen)
{ssize_t n, rc;char    c, *ptr;ptr = vptr;for (n = 1; n < maxlen; n++) {if ( (rc = read(fd, &c, 1)) == 1) {*ptr++ = c;if (c == '\n')break;} else if (rc == 0) {if (n == 1)return(0);  /* EOF, no data read */elsebreak;      /* EOF, some data was read */} elsereturn(-1); /* error */}*ptr = 0;return(n);
}
/* end readline */void str_cli(FILE *fp, int sockfd) {char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];// 从控制台读入一行文本while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {// 把该行文本发送给服务器if (write(sockfd, sendline, strlen(sendline)) != strlen(sendline)) {printf("writen error");return;             }// 从服务器读入回射行if (readline(sockfd, recvline, MAXLINE) < 0){printf("readline error");return;        }// 把它写到标准输出if (fputs(recvline, stdout) == EOF) {printf("fputs error");return;        }}
}int main(int argc, char **argv)
{int                 sockfd[5];char                recvline[MAXLINE + 1];struct sockaddr_in  servaddr;if (argc != 2)exit(1);for (int i = 0; i < 5; i++) {/* --------------------------------------------- *///1) 创建一个TCP连接套接字sockfd[i] = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0) {printf("socket error");return -1;}/* --------------------------------------------- *///2) 指定服务器的IP地址和端口bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));         // 初始化内存servaddr.sin_family = AF_INET;              // 地址族servaddr.sin_port   = htons(SERV_PORT);     // 时间获取服务器端口为13// 注意：此处的IP和端口是服务器的IP和端口// 把点分十进制的IP地址（如：206.168.112.96）转化为合适的格式if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0) {printf("inet_pton error for %s", argv[1]);return -1;}/* --------------------------------------------- *///3) 建立客户端（sockfd）与服务器（servaddr）的连接，TCP连接if (connect(sockfd[i], (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {printf("connect error");return -1;}}// 完成剩余部分的客户端处理工作str_cli(stdin, sockfd[0]);/* --------------------------------------------- *///5) 终止程序运行，关闭该进程打开的所有描述符和TCP套接字exit(0);
}

客户端建立5个与服务器的连接，随后在调用str_cli函数时仅用第一个连接（sockfd[0]）。建立多个连接的目的是从并发服务器上派生多个子进程，如下图所示：

当客户端终止时，所有打开的文件描述符由内核自动关闭（无需调用close，仅调用exit），且所有5个连接基本在同一时刻终止。这就引发了5个FIN，每个连接一个，它们反过来使服务器的5个子进程基本在同一时刻终止。这又导致差不多在同一时刻有5个SIGCHLD信号递交给父进程，如图所示：

注意：如上所述，由于调用了exit函数，5个连接几乎同时产生SIGCHLD信号，即多个SIGCHLD信号同时递交给服务器。

测试结果

./tcpserv &               启动服务器程序
./tcpcli 127.0.0.1        启动客户端程序
hello
hello
^D                        键入EOF字符
child 31591 terminated    服务器输出

从执行结果可以看出，只有一个printf输出而并非5个，即信号处理函数只处理了一个SIGCHLD信号，剩下四个子进程变为僵尸进程。

问1：为什么只处理了一个SIGCHLD信号？

答：建立一个信号处理函数并在其中调用wait并不足以防止出现僵尸进程。因为所有5个信号都在信号处理函数执行之前产生，而信号处理函数只执行一次，因为Unix信号一般不排队。更严重的是，本问题是不确定的。因为本实验是在同一个主机上，信号处理函数执行1次，留下4个僵尸进程。但是如果客户端程序和服务端程序不在同一个主机上，那么信号处理函数一般执行2次：一次是第一个产生的信号引起的，由于另外4个信号在信号处理函数第一次执行时发生，因此该处理函数仅仅再被调用一次，从而留下3个僵尸进程。不过有的时候，依赖于FIN到达服务器主机的时机，信号处理函数可能会执行3次甚至4次。

问2：如何让信号处理函数调用多次，以防止出现僵尸进程？

答：调用waitpid而不是wait函数。当在一个循环内调用waitpid，以获取所有已终止子进程的状态时，必须指定WNOHANG选项，它告知waitpid在有尚未终止的子进程在运行时不要阻塞。不能在循环内调用wait，因为没有办法防止wait在正运行的子进程尚有未终止时阻塞。

服务端程序

修改后的服务端程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <errno.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>#define MAXLINE     4096
#define SERV_PORT   9877
#define LISTENQ     1024
#define SA  struct sockaddrtypedef void    Sigfunc(int);   /* for signal handlers */// SIGCHLD信号处理函数，防止子进程变为僵死进程
void sig_chld(int signo)
{pid_t   pid;int     stat;// 等待子进程结束，并获取子进程的PID和退出状态while (pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0) {// 在此处调用诸如printf这样的标准I/O是不合适的，此处只是作为查看子进程何时终止的诊断手段printf("child %d terminated\n", pid);}return;
}Sigfunc *signal(int signo, Sigfunc *func)
{// 定义信号动作struct sigaction    act, oact;act.sa_handler = func;        // 设置信号处理函数sigemptyset(&act.sa_mask);    // 清空信号掩码集act.sa_flags = 0;             // 设置信号处理方式为默认if (signo == SIGALRM) {
#ifdef  SA_INTERRUPTact.sa_flags |= SA_INTERRUPT;   /* SunOS 4.x */
#endif} else {
#ifdef  SA_RESTARTact.sa_flags |= SA_RESTART;     /* SVR4, 44BSD */
#endif}if (sigaction(signo, &act, &oact) < 0)return(SIG_ERR);return(oact.sa_handler);
}
/* end signal */// 捕捉指定信号并采取行动
Sigfunc *Signal(int signo, Sigfunc *func)    /* for our signal() function */
{Sigfunc *sigfunc;if ( (sigfunc = signal(signo, func)) == SIG_ERR) {printf("signal error");    }return(sigfunc);
}// 从客户端读入数据，并把它们回射给客户端
void str_echo(int sockfd) {ssize_t n;char    buf[MAXLINE];
again:// 从套接字读入数据// 套接字中接收缓冲区和发送缓冲区是分开的，因此读和写不会发生混淆while ((n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)write(sockfd, buf, n);    // 把套接字中的内容回射给客户端// 如果n<0表示读取数据出错或到达文件末尾// 如果errno等于EINTR，表示读取操作被信号中断// 如果上述两个条件同时满足，则重新尝试读取数据if (n < 0 && errno == EINTR)goto again;// 如果表示文件描述符到达文件末尾else if (n < 0)printf("str_echo: read error");
}int main(int argc, char **argv)
{int                 listenfd, connfd;pid_t               childpid;socklen_t           clilen;struct sockaddr_in  cliaddr, servaddr;/* --------------------------------------------- *///1) 创建一个TCP连接套接字listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listenfd < 0) {printf("socket error");return -1;}/* --------------------------------------------- *///2) 把服务器对应端口绑定到套接字 bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));     // 开辟内存servaddr.sin_family      = AF_INET;     // 地址族// 指定IP地址为INADDR_ANY，这样要是服务器主机有多个网络接口，服务器进程就可以在任意网络接口上接受客户端连接servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port        = htons(SERV_PORT);if (bind(listenfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {printf("bind error");return -1;}/* --------------------------------------------- *///3) 把套接字转换为监听套接字// LISTENQ表示系统内核允许在这个监听描述符上排队的最大客户端连接数if(listen(listenfd, LISTENQ) < 0) {printf("listen error");return -1;}// 捕捉指定信号并采取行动Signal(SIGCHLD, sig_chld);    /* must call waitpid() *//* --------------------------------------------- *///4) 接受客户端连接，发送应答for ( ; ; ) {clilen = sizeof(cliaddr);// connfd为已连接描述符，用于和客户端进行通信connfd = accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &clilen);if(connfd < 0) {if (errno == EINTR) {continue;     // 重启被中断的accept           } else {printf("accept error");return -1;           }}if ((childpid = fork()) == 0) {// 子进程关闭监听套接字if (close(listenfd) == -1) {printf("child close listenfd error");return -1;           }str_echo(connfd);    // 子进程处理客户端请求exit(0);             // 清理描述符    }/* --------------------------------------------- *///5) 父进程关闭已连接套接字if (close(connfd) == -1) {printf("parent close connfd error");return -1;}}
}

小结

问：SIGCHLD信号是怎么产生的，有什么作用？

答：SIGCHLD 信号是由操作系统产生的，当一个子进程结束（无论是正常退出还是被终止）时，操作系统都会向父进程发送这个信号。这个信号的目的是通知父进程子进程的状态已经改变，父进程可以采取相应的行动，比如回收子进程使用的资源。

注意：父进程调用wait函数时会阻塞整个父进程的执行，直到某一个或几个子进程结束，才会结束阻塞。上述服务器程序是通过异步调用wait函数，所以看上去不是那么直观，非异步调用wait如下：

for ( ; ; ) {clilen = sizeof(cliaddr);// connfd为已连接描述符，用于和客户端进行通信connfd = accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &clilen);if(connfd < 0) {if (errno == EINTR) {continue;     // 重启被中断的accept           } else {printf("accept error");return -1;           }}if ((childpid = fork()) == 0) {// 子进程关闭监听套接字if (close(listenfd) == -1) {printf("child close listenfd error");return -1;           }str_echo(connfd);    // 子进程处理客户端请求exit(0);             // 清理描述符    }// 等待子进程结束并回收子进程资源int status;wait(&status);/* --------------------------------------------- *///5) 父进程关闭已连接套接字if (close(connfd) == -1) {printf("parent close connfd error");return -1;}
}

UNIX网络编程总结：

1）当fork子进程时，必须捕获SIGCHLD信号。

2）当捕获信号时，父进程必须处理被中断的系统调用，如accept函数。

3）SIGCHLD的信号处理函数必须正确书写，并使用waitpid函数以免留下僵尸进程。

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