FAQ appendix 1: как писать сервера

RU.UNIX.PROG FAQ poster написал(а) к All в Feb 16 16:13:04 по местному времени:

From: "RU.UNIX.PROG FAQ poster" <netch@segfault.kiev.ua>


RU.UNIX.PROG FAQ - приложение 1

$Id: FAQ.a1,v 1.20 2010/11/16 09:25:25 netch Exp $

>Q: Как писать сервера?

A: (Lev Walkin, Dmitri Lenev, множественные дополнения, особенно от
Igor Sysoev, Igor Khasilev, Sergue E. Leontiev)

Возможны следующие варианты:

1. Сервер может использовать несколько процессов, каждый из которых
обслуживает собственного клиента:
Плюсы:
+ Простейшая и наиболее быстрая реализация среди всех описываемых
вариантов - через [x]inetd (см. ниже)
+ Простая модель данных
+ Масштабируется с ростом числа процессоров.
+ Ошибки в одном процессе не приводят к отказу в
обслуживании остальных клиентов.
+ Если пользователи идентифицируются системной базой пользователей, этот
вариант единственный даёт возможность адекватной, полной и
необратимой имперсонализации в пользователя.
Минусы:
- Процесс - это достаточно тяжелый объект OS, поэтому
метод неприменим при большом количестве одновременно
работающих клиентов (больше нескольких десятков или
сотен).
- Несмотря на масштабируемость, модель тяжела и в среднем гораздо
менее эффективна, чем FSM (пункта 2 данного описания) или
смешанные модели.
- Неприменим или крайне дорог для серверов с одним серверным портом и
транспортом без установления соединений (например, DNS-сервер -
работа в основном по UDP).

Примеры реализации:
- Большинство MTA (sendmail, postfix, exim, qmail)
- Традиционные POP3 сервера (qpopper, cucipop, popa3d)
- И другие традиционные unix'овые сервисы (telnetd, rlogind, nnrpd,...)
У всех перечисленных выше время жизни процесса - время обслуживания клиента.
- apache 1., apache 2. в многопроцессной сборке
У apache - процессы форкаются заранее, процесс может жить
неограниченное время.

Наиболее простой (и поэтому быстрый) вариант такой реализации - на основе
стандартного демона Интернет (inetd, xinetd, in.inetd в зависимости от типа
Вашей ОС). В простейшем случае Вам надо будет реализовать простую программу
реализующую обслуживание одного клиента (соединения TCP),
которые считывает запросы клиента из stdin/STDIN_FILENO и выдаёт ответы в
stdout/STDOUT_FILENO. Все остальное (приём запроса, разграничение доступа,
ограничение нагрузки, протоколирование) обеспечит inetd на основе
конфигурационного(ых) файлов /etc/inetd.conf (/etc/xinetd.conf и
/etc/xinetd.d/*). Например, реализация "тривиальных" TCP/IP серверов
возможна на основе стандартных команд POSIX/SVR4 (эти сервера обычно
встроены в inetd в отладочных целях).

# RFC 862: Echo Protocol
#
echo stream tcp nowait nobody /usr/bin/cat cat

2. Сервер может использовать однопроцессную FSM (Finite State Machine)
архитектуру (то есть конечный автомат), используя те или иные методы
получения данных о состоянии сокетов (select, poll, etc).
Плюсы:
+ Очень эффективный метод с точки зрения CPU.
Минусы:
- Не масштабируется с ростом числа процессоров.
- Серверные FSM, как правило, достаточно сложны и
требуют тщательного подхода при проектировании.
- в случае если обработка данных пришедших по соединению
требует долгой (в частности блокирующей) операции, то на
время выполнения этой операции невозможно обрабатывать
другие соединения. Соответственно возникают проблемы с
задержкой обработки запросов...
Проблема в том что:
а) Например в случае ввода вывода на диск, неблокирующий ввод-вывод
по select/poll не всегда поддерживается...
б) даже если мы пользуемся другим механизмом не обладающим данным
недостатком, например kqueue, или aio, то нам все равно может быть
не доступна напрямую работа с файлом. Ну например есть библиотека
для работы с СУБД и нет возможности залезть в ее внутренности
чтобы получить файловые дескрипторы соответствующие соединениям с
сервером СУБД.
в) даже если мы имеем полный контроль над вводом выводом то может
возникать потребность в долгих вычислениях (то есть затык в
занятости процессора)... Ну можно конечно вручную пытаться
квантовать работу но это не всегда удобно...

В принципе все три проблемы можно решить используя для выполнения
длительных или блокирующих операций вспомогательные (slave) процессы
или нити делая их (операции) тем самым не блокирующими. В принципе
про данный подход можно посмотреть здесь:
http://www.cs.princeton.edu/~vivek/f...>usenix</b>99/

(Dmitri Lenev)
+ По собственному опыту могу сказать что имея скажем проработанную
библиотеку классов писать сервера на FSM достаточно легко...

Примеры реализации:
- innd
- squid (с ufs хранилищем)
- named (с поправкой на протокол UDP для большинства передач)

Пример реализации со вспомогательными процессами для блокирующих операций:
- squid с diskd

Пример реализации со вспомогательными нитями (тредами) для блокирующих
операций:
- squid с aufs

3. Сервер может использовать небольшое число процессов, каждый из
которых имплементирует FSM (a la пункт 2).
Плюсы:
+ Если уже имеется система по типу #2 (один процесс с FSM), то перевод ее
на рельсы системы #3 как правило, достаточно простой.
Это дает возможность сделать систему масштабируемой за
счет очень небольших усилий.
Минусы:
- Все равно придется делать полную FSM.

4. Сервер - процесс, использующий отдельную нить (thread) на каждого
клиента (сокет).
Плюсы:
+ Небольшая сложность разработки, похожа на #1 (отдельные процессы).
Требуется проработка механизмов защиты общих данных.
+ В зависимости от OS, модель может быть и масштабируемой,
и эффективной (Solaris, НP-UX).
Минусы:
- В зависимости от OS, модель может быть как неэффективной (Linux,
так как нить "весит" почти столько же, сколько и процесс), так и
не масштабируемой с ростом числа процессоров (old BSD libc_r
с user-space threads; green threads). В основном это уже в прошлом.
- (Igor Khasilev) Если планируется обслуживать одновременно большое число
подключенных клиентов (от тысячи и выше в зависимости от ОС) эта модель
может оказаться нерабочей по причинам: расход адресного пространства
на стек для каждой нити, большая нагрузка на планировщик и
ограничение на общее число нитей в системе (особенно в случае
1:1 модели). Иногда может спасти экстенсивный путь - переход на
64-битные платформы.
- Существенно затрудняется отладка.

Примеры:
- Oops! 1.*
- apache 2.* в MT-варианте сборки
- CommuniGatePro (исходный код недоступен, но в Usenet можно найти много
деталей устройства с авторским описанием)

5. Сервер - процесс, использующий небольшое количество нитей, каждая
из которых обслуживает некоторое количество сокетов одновременно.
Плюсы:
+ На архитектурах с kernel-threads (Linux, Solaris, FreeBSD 5+,
NetBSD 2+...) обладает масштабируемостью и очень эффективна.
Минусы:
- Требуется разработка FSM по типу #2, плюс разработка
разграничения доступа к общим данным (#4).
- Не приносит масштабируемости на некоторых имплементациях
потоков (libc_r старых BSD; green threads), поэтому на них
несколько менее эффективна, чем #2. В основном это уже в прошлом,
поэтому учёт таких имплементаций для нового ПО обычно не имеет смысла.

6. Несколько процессов, каждый из которых поддерживает нескольких
клиентов путем выделения по потоку на клиента или методом #5.
Плюсы:
+ Система защищена от неустранимых сбоев при
обработке одного клиента, так как остаются работать
остальные процессы.
+ Система масштабируется с ростом числа процессоров.

Минусы:
- Очевидно, складывается сложность всех перечисленных
выше методов.
- Не предоставляет преимуществ перед #3 на одном
процессоре.



- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Некоторые методы получения состояния (активности) сокета
(файлового дескриптора):

Плюсы select():
+ Широкая переносимость (требуется по POSIX).
+ Очень эффективен при относительно небольшом числе одновременно
активных сокетов (передача в ядро и назад по три бита на сокет).

Минусы select():
- На многих платформах максимальное ограничение на 1024 (иногда
другое) файловых дескрипторах не обходится без
перекомпилирования приложения или даже ядра системы (для
FreeBSD не нужно перекомпилировать ядро, только приложение).
- При большом количестве неактивных клиентов передача в ядро и
назад пустого состояния сокета представляет собой сплошные
накладные расходы.

Плюсы poll():
+ Не содержит имманентного ограничения на максимальное
количество обслуживаемых сокетов.
+ Широкая переносимость (требуется по POSIX).

Минусы poll():
- Менее эффективен, чем select() (так как передает в ядро
и назад по восемь-шестнадцать байт на сокет). (Реализация в Linux
использует особенно тормозной алгоритм обхода данных в poll().)

Плюсы /dev/poll (Solaris):
+ Не имеет ограничения на максимальное количество обслуживаемых
сокетов.
+ Из-за модели передачи событий (events) вместо модели передачи
состояний, очень эффективен при обслуживании большого количества
клиентов, только часть из которых очень активна (типичная
ситуация для web- и другого вида серверов). Состояния неактивных
сокетов не вызывают расхода ресурсов.

Минусы /dev/poll:
- Не переносим.
- Неадекватно реагирует на закрытие дескриптора, занесённого в список
контроля и не вынесенного оттуда перед закрытием. Дескриптор остаётся
в списке (числясь своим номером). Поэтому перед закрытием надо
обязательно выносить дескриптор из списка.

Ещё про /dev/poll см. http://soldc.sun.com/articles/polling_efficient.html

Плюсы kqueue/kevent (FreeBSD 4.1+, OpenBSD 2.9+, NetBSD 2.0+, MacOS X,
DragonFlyBSD):
+ Не имеет ограничения на максимальное количество обслуживаемых
сокетов.
+ Имеет "вкусные фичи", которые позволяют использовать его
более эффективным образом не только для сокетов, но и для
объектов другого типа (файлов, процессов).
+ Из-за модели передачи событий вместо модели передачи
состояний, очень эффективен при обслуживании большого количества
клиентов, только часть из которых очень активна (типичная
ситуация для web- и другого вида серверов). Состояния неактивных
сокетов не вызывают расхода ресурсов.
+ (Igor Sysoev) kqueue/kevent эффективнее, чем /dev/poll.
Минусы:
- Не портабелен за пределы BSD мира.
- Линус Торвальдс его необоснованно не любит. (См.
http://www.uwsg.iu.edu/hypermail/lin...0.3/0013.html; впрочем,
epoll повторяет тот же "silly" триплет)

Ссылки по kevent (не забывайте про manpage):
http://people.freebsd.org/~jlemon/papers/kqueue.pdf
http://people.freebsd.org/~jlemon/kq...des/index.html

Плюсы realtime signals (sigtimedwait,
http://www.kegel.com/c10k.html#nb.sigio, Linux 2.4+):
+ Не имеет ограничения на максимальное количество обслуживаемых
дескрипторов. (Однако, количество сигналов ограничено, и если дескрипторы
группировать по сигналам, внутри группы придется опрашивать все
дескрипторы.)

Минусы realtime signals:
- Есть в слишком малом количестве систем.
- Очередь сигналов может переполняться. (Linux в этом случае даёт SIGIO,
что означает необходимость итерирования всех дескрипторов. Но это лучше,
чем замалчивание переполнения очереди.)
- Хуже kqueue/kevent - только один сигнал обрабатывается за раз; kevent()
может принять и передать несколько событий за один вызов.

Плюсы epoll (Linux 2.5.44+):
+ Не имеет ограничения на максимальное количество обслуживаемых
сокетов.
+ Из-за модели передачи событий вместо модели передачи
состояний, очень эффективен при обслуживании большого количества
клиентов, только часть из которых очень активна (типичная
ситуация для web- и другого вида серверов). Состояния неактивных
сокетов не вызывают расхода ресурсов.
Вообще, epoll похож на kevent. 4-я версия научилась level triggering
в дополнение к edge triggering (что уже умела kqueue/kevent).

Минусы epoll:
- Не переносим - только Linux.
- Слабее по возможностям чем kqueue/kevent (нет наблюдения за процессами,
файлами, таймерами, завершениями AIO запросов; только одно событие
на входе и выходе системного вызова). (Начиная с 2.6.19, его возможности
расширяются за счёт eventfd, timerfd, signalfd и так далее.)

Еще по epoll см. http://www.uwsg.iu.edu/hypermail/lin...10.3/1164.html

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Поднятые здесь вопросы также обсуждаются в документе по адресу:
http://www.kegel.com/c10k.html, местами более развёрнуто и с массой
интересных ссылок по отдельным подходам и вопросам.

Еще стоит посмотреть в сторону D.C. Schmidt'овкого ACE и JAWS,
если не в сторону первого так в сторону последнего как теоретически -
экспериментального исследования...
--- ifmail v.2.15dev5.4