面试题：C语言Linux多进程服务器模型应对复杂业务场景的架构设计

Question

现在要设计一个基于C语言的Linux多进程服务器模型，该服务器需处理多种不同类型的业务请求（如文件上传下载、数据库查询更新、实时数据推送等），并且要保证高可用性、高性能和可扩展性。请详细阐述你的架构设计思路，包括进程的划分、任务调度策略、故障处理机制等，同时说明如何利用C语言的特性来实现这些设计。

Answer 1

1. 进程划分

• 主进程（Master Process）：负责初始化服务器，监听端口，接受客户端连接，并将新连接分发给子进程处理。使用socket()、bind()、listen()等函数进行网络相关初始化。
• 工作进程（Worker Processes）：
  • 业务类型划分：根据不同业务（文件上传下载、数据库查询更新、实时数据推送）分别创建对应的工作进程。例如，对于文件上传下载业务，创建专门的文件处理进程；数据库相关业务，创建数据库处理进程；实时数据推送业务，创建推送进程。
  • 数量动态调整：可以根据系统资源和负载情况动态调整工作进程数量。通过fork()函数创建子进程，子进程继承父进程的部分资源，如打开的文件描述符（包括监听套接字），在子进程中通过execve()系列函数执行具体业务逻辑的程序。

2. 任务调度策略

• 基于事件驱动：使用epoll机制（在Linux下）来实现高效的事件驱动模型。主进程将监听套接字添加到epoll实例中，当有新连接到来时，epoll_wait函数返回，主进程将连接分配给空闲的工作进程。工作进程同样使用epoll监听其负责处理的套接字事件，如数据可读、可写等。
• 负载均衡：采用简单的轮询（Round - Robin）策略将新连接均匀分配给工作进程。主进程维护一个工作进程列表，每次有新连接时，按顺序选择一个工作进程来处理该连接。代码实现上，可以使用一个全局变量记录当前分配到的工作进程索引，每次分配后递增并取模。

3. 故障处理机制

• 进程监控：主进程定期检查工作进程的状态。可以通过waitpid()函数（设置WNOHANG标志，非阻塞等待）来检查子进程是否退出。如果某个工作进程异常退出（通过检查waitpid()返回值和获取子进程退出状态），主进程可以重新启动一个新的工作进程来替代它。
• 错误处理：在各个进程的业务逻辑处理中，对系统调用（如read()、write()、connect()等）返回的错误进行及时处理。例如，如果read()函数返回错误，根据错误码判断是临时错误（如EAGAIN）还是永久性错误，临时错误可重试，永久性错误则关闭连接并记录日志。

4. 利用C语言特性实现

• 指针和内存管理：在处理网络数据、文件操作等时，合理使用指针来高效地管理内存。例如，在接收网络数据时，使用malloc()分配合适大小的内存缓冲区，接收完成后再根据实际数据长度调整内存（可使用realloc()），处理完毕后使用free()释放内存，避免内存泄漏。
• 函数指针：可以将不同业务处理逻辑封装成函数，通过函数指针来实现灵活的任务调度。例如，在工作进程中，根据接收到的业务类型，调用相应的函数指针指向的处理函数。
• 多文件编程：将不同功能模块（如网络模块、业务处理模块、日志模块等）分别放在不同的源文件中，通过头文件进行函数声明和数据结构定义，提高代码的可维护性和可扩展性。