C言語でforkを使ったマルチプロセス型ソケットサーバーの構築方法

C言語でforkシステムコールを活用したマルチプロセス型のソケットサーバーを構築すると、複数のクライアント接続を同時に処理できるようになります。forkシステムコールを使えば、サーバーは接続してきた各クライアントに対して個別の子プロセスを生成でき、それぞれが独立した通信チャネルを確保できます。この手法により、複数のクライアントとの同時通信が実現します。

本記事では、C言語でforkを使ったマルチプロセス型ソケットサーバーを実装する方法を詳しく解説します。サーバー側プログラムとクライアント側プログラムの具体的なコード例を通じて、その仕組みをわかりやすく説明していきます。

forkシステムコールとは？

既存のプロセスの複製（クローン）を作成するシステムコールが「fork()」です。fork()は、実行中のプログラムを「親プロセス」と「子プロセス」という2つの独立したプロセスに分割します。PID（プロセスID）だけが異なり、それ以外のすべてのパラメータは親プロセスと子プロセスで共通です。このシステムコールは以下の値を返します。

1. 親プロセスには「子プロセスのPID」を返す
2. 子プロセスには「ゼロ（0）」を返す

コード例1：サーバー側プログラム

まずはサーバー側のプログラムから見ていきましょう。サーバーソケットの作成、アドレスへのバインド、接続待ち受け、そしてforkによる子プロセスの生成という流れで構成されています。

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define PORT 8888

int main()
{
    int serSoc, cliSoc;
    struct sockaddr_in serverAddr, clientAddr;
    socklen_t addrSize = sizeof(clientAddr);
    char buffer[1024];
    int clientCount = 0;

    // サーバーソケットを作成
    serSoc = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (serSoc < 0) {
        perror("Error in socket creation");
        exit(1);
    }

    printf("Server socket created.\n");

    // サーバーアドレスを設定
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_port = htons(PORT);
    serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (bind(serSoc, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) {
        perror("Error in binding");
        exit(1);
    }

    // 接続要求の待ち受けを開始
    if (listen(serSoc, 5) == 0) {
        printf("Listening for connections...\n");
    } else {
        perror("Error in listening");
        exit(1);
    }

    while (1) {
        // クライアントからの接続を受け付ける
        cliSoc = accept(serSoc, (struct sockaddr*)&clientAddr, &addrSize);
        if (cliSoc < 0) {
            perror("Error in accepting connection");
            exit(1);
        }

        // 接続数をカウントアップし、クライアント情報を表示
        clientCount++;
        printf("Accepted connection from Client %d: %s:%d\n", clientCount, inet_ntoa(clientAddr.sin_addr), ntohs(clientAddr.sin_port));
        printf("Total clients connected: %d\n", clientCount);

        pid_t pid = fork();

        if (pid == 0) {
            // 子プロセス
            close(serSoc);

            // クライアントからメッセージを受信
            while (1) {
                memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
                if (recv(cliSoc, buffer, sizeof(buffer), 0) < 0) {
                    perror("Error in receiving data");
                    exit(1);
                }

                printf("Received data from Client %d: %s\n", clientCount, buffer);

                // 受信したメッセージをクライアントへエコーバック
                if (send(cliSoc, buffer, strlen(buffer), 0) < 0) {
                    perror("Error in sending data");
                    exit(1);
                }
            }
        } else if (pid > 0) {
            // 親プロセス
            close(cliSoc);
        } else {
            perror("Error in forking");
            exit(1);
        }
    }

    // サーバーソケットを閉じる
    close(serSoc);

    return 0;
}

コード例2：クライアント側プログラム

次に、サーバーへ接続してメッセージを送受信するクライアント側のプログラムです。

#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#define PORT 8888
#define SERVER_IP "127.0.0.1"

int main()
{
    int cliSoc;
    struct sockaddr_in serverAddr;
    char buffer[1024];

    // クライアントソケットを作成
    cliSoc = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (cliSoc < 0) {
        perror("Error in socket creation");
        exit(1);
    }

    printf("Client %d socket created.\n", getpid());

    // サーバーアドレスのパラメータを設定
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_port = htons(PORT);
    serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

    // サーバーへ接続
    if (connect(cliSoc, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) {
        perror("Error in connecting to server");
        exit(1);
    }

    printf("Connected to server.\n");

    while (1) {
        // ユーザーからの入力を読み取る
        printf("Client %d - Enter a message: ", getpid());
        fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);

        if (send(cliSoc, buffer, strlen(buffer), 0) < 0) {
            perror("Error in sending data");
            exit(1);
        }

        // サーバーからの応答を受信
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
        if (recv(cliSoc, buffer, sizeof(buffer), 0) < 0) {
            perror("Error in receiving data");
            exit(1);
        }

        printf("Client %d - Server response: %s\n", getpid(), buffer);
    }

    // クライアントソケットを閉じる
    close(cliSoc);

    return 0;
}

実行結果：

**サーバープログラムのコンパイル**
$ gcc ser.c -o ser
$ ./ser
Server socket created.
Listening for connections...
Accepted connection from Client 1: 127.0.0.1:59074
Total clients connected: 1
Received data from Client 1: hii admin
Accepted connection from Client 2: 127.0.0.1:40192
Total clients connected: 2
Received data from Client 2: hello everybody

**クライアント1プログラムのコンパイル**
$ gcc cel.c -o cel
$ ./cel
Client 4007 socket created.
Connected to server.
Client 4007 - Enter a message: hii admin

**クライアント2プログラムのコンパイル**
$ gcc cel.c -o cel
$ ./cel
Client 4024 socket created.
Connected to server.
Client 4024 - Enter a message: hello everybody

動作の解説

このコード例では、C言語でforkを使ったマルチプロセス型ソケットサーバーの実装方法を示しました。サーバー側プログラムでは、サーバーソケットを作成し、特定のアドレスとポート番号にバインドした後、着信接続を待ち受けます。クライアントが接続すると、「fork()」によって子プロセスが生成され、複数のクライアントを同時に処理できるようになります。子プロセスはクライアントからメッセージを受信し、クライアントID付きでデータを表示します。このマルチプロセス型ソケットサーバーにより、任意の数（n個）のクライアントと同時に通信することが可能になります。

まとめ

本記事では、C言語でforkを使ったマルチプロセス型ソケットサーバーの実装方法について解説しました。forkシステムコールを利用することで、複数のクライアント接続を並行して処理でき、複数クライアントとの同時通信や効率的なリクエスト処理が実現できます。ネットワークプログラミングにおける並行処理の基礎として、ぜひ実際にコードを動かしながら理解を深めてみてください。

著者について

Bamdeb Ghosh（バムデブ・ゴーシュ）

Bamdeb Ghoshはワイヤレスネットワーク分野での豊富な実務経験を持つエンジニアです。Wiresharkを用いた無線・有線ネットワークのキャプチャ解析の専門家であり、Android、Bluetooth、Linuxコマンド、Pythonに関する知識も備えています。彼のサイトはこちら：wifisharks.com