理解服务器设计的基本模式
前言：服务器是现代软件中非常重要的一个组成。今天分享一下服务器设计的一些模式。因为现代的服务器软件中，常见的都是基于TCP的，所以本文的内容也是基于TCP的。
首先我们先来了解，什么是服务器。顾名思义，服务器，重点是提供服务。那么既然提供服务，那就要为众人所知。不然大家怎么能找到服务呢。就像我们想去吃麦当劳一样，那我们首先得知道他在哪里。所以，服务器很重要的一个属性就是发布服务信息，服务信息包括提供的服务和服务地址。这样大家才能知道需要什么服务的时候，去哪里找。对应到计算机中，服务地址就是ip+端口。所以一个如果你想成为一个服务器，那么你就要首先公布你的ip和端口，但是ip和端口不容易记，不利于使用，所以又设计出DNS协议。这样我们就可以使用域名来访问一个服务，DNS服务会根据域名解析出ip。 一个介基tcp协议的服务器，基本的流程如下。
// 拿到一个socket用于监听
var socketfd = socket();
// 监听本机的地址（ip+端口）
bind(socketfd， 监听地址)
// 标记该socket是监听型socket
listen(socketfd)
// 阻塞等待请求到来
var socketForCommunication = accept(socket);执行完以上步骤，一个服务器正式开始服务。下面我们看一下基于上面的模型，分析各种各样的处理方法。
1 串行处理请求
while(1) {
var socketForCommunication = accept(socket);
var data = read(socketForCommunication );
handle(data);
write(socketForCommunication, data );
}我们看看这种模式的处理过程。假设有n个请求到来。那么socket的结构是。
这时候进程从accept中被唤醒。然后拿到一个新的socket用于通信。
这种模式就是从已完成三次握手的队列里摘下一个节点，然后处理。再摘下一个节点，再处理。如果处理的过程中有文件io，可想而知，效率是有多低。而且大并发的时候，socket对应的队列很快就不被占满。这是最简单的模式，虽然服务器的设计中肯定不会使用这种模式，但是他让我们了解了一个服务器处理请求的过程。
2 多进程模式
多进程式下又分为几种。 2.1 一个请求一个进程
while(1) {
var socketForCommunication = accept(socket);
if (fork() > 0) {
// 父进程负责accept
} else {
// 子进程
handle(socketForCommunication);
}
}这种模式下，每次来一个请求，就会新建一个进程去处理他。这种模式比串行的稍微好了一点，每个请求独立处理，假设a请求阻塞在文件io，那么不会影响b请求的处理，尽可能地做到了并发。他的瓶颈就是系统的进程数有限，大量的请求，系统无法扛得住。再者，进程的开销很大。对于系统来说是一个沉重的负担。 2.2 多进程accept 这种模式不是等到请求来的时候再创建进程。而是在服务器启动的时候，就会创建一个多个进程。然后多个进程分别调用accept。这种模式的架构如下。
for (let i = 0 ; i < 进程个数; i++) {
if (fork() > 0) {
// 父进程负责监控子进程
} else {
// 子进程处理请求
while(1) {
var socketForCommunication = accept(socket);
handle(socketForCommunication);
}
}
}这种模式下多个子进程都阻塞在accept。如果这时候有一个请求到来，那么所有的子进程都会被唤醒，但是首先被调度的子进程会首先摘下这个请求节点。后续的进程被唤醒后发现并没有请求可以处理。又进入睡眠。这是著名的惊群现象。改进方式就是在accpet之前加锁，拿到锁之后才能进行accept。nginx就解决了这个问题。但是据说现代操作系统已经在内核层面解决了这个问题。
2.3 进程池模式 进程池模式就是服务器创建的时候，创建一定数量的进程，但是这些进程是worker进程。他不负责accept请求。他只负责处理请求。主进程负责accept，他把accept返回的socket放到一个任务队列中。worker进程互斥访问任务队列从中取出请求进行处理。主进程的模式如下
子进程的模式如下
逻辑如下
for (let i = 0 ; i < 进程个数; i++) {
if (fork() > 0) {
// 父进程
} else {
// 子进程处理请求
while(1) {
// 互斥从队列中获取任务节点
var task = getTask(queue);
handle(task);
}
}
}
for (;;) {
var newSocket = accept(socket);
insertTask(queue);
}多进程的模式同样适合多线程。
3 事件驱动
现在很多服务器（nginx，nodejs）都开始使用事件驱动模式去设计。从2的设计模式中我们知道，为了应对大量的请求，服务器需要大量的进程/线程。这个是个非常大的开销。而事件驱动模式，一般是配合单进程（单线程），再多的请求，也是在一个进程里处理的。但是因为是单进程，所以不适合cpu密集型，因为一个任务一直在占据cpu的话，后续的任务就无法执行了。他更适合io密集的。而使用多进程/线程的时候，一个进程/线程是无法一直占据cpu的，执行一定时间后，操作系统会执行进程/线程调度。这样就不会出现饥饿情况。事件驱动在不同系统中实现不一样。所以一般都会有一层抽象层抹平这个差异。这里以linux的epoll为例子。
// 创建一个epoll
var epollFD = epoll_create();
/*
在epoll给某个文件描述符注册感兴趣的事件，这里是监听的socket，注册可读事件，即连接到来
event = {
event: 可读
fd： 监听socket
// 一些上下文
}
*/
epoll_ctl(epollFD , EPOLL_CTL_ADD , socket, event);
while(1) {
// 阻塞等待事件就绪，events保存就绪事件的信息，total是个数
var total= epoll_wait(epollFD , 保存就绪事件的结构events, 事件个数, timeout);
for (let i = 0; i < total; i++) {
if (events[i].fd === socket) {
var newSocket = accpet(socket);
// 把新的socket也注册到epoll，等待可读，即可读取客户端数据
epoll_ctl(epollFD , EPOLL_CTL_ADD , newSocket, 可读事件);
} else {
// 从events[i]中拿到一些上下文，执行相应的回调
}
}
}这就是事件驱动模式的大致过程。本质上是一个订阅/发布模式。服务器通过注册文件描述符和事件到epoll中。等待epoll的返回，epoll返回的时候会告诉服务器哪些事件就绪了。这时候服务器遍历就绪事件，然后执行对应的回调，在回调里可以再次注册新的事件。就是这样不断驱动着。epoll的原理其实也类似事件驱动。epoll底层维护用户注册的事件和文件描述符。epoll本身也会在文件描述符对应的文件/socket/管道处注册一个回调。然后自身进入阻塞。等到别人通知epoll有事件就绪的时候，epoll就会把就绪的事件返回给用户。
function epoll_wait() {
for 事件个数
// 调用文件系统的函数判断
if (事件[i]中对应的文件描述符中有某个用户感兴趣的事件发生?) {
插入就绪事件队列
} else {
在事件[i]中的文件描述符所对应的文件/socket/管道等indeo节点注册回调。即感兴趣的事件触发后回调epoll，回调epoll后，epoll把该event[i]插入就绪事件队列返回给用户
}
}以上就是服务器设计的一些基本介绍。
腾讯云开发者
