Linux网络编程II

1.TCP通讯并发。使用多线程或多进程。

1. 一个父进程，多个子进程

2. 父进程负责等待并接受客户端的链接

3. 子进程：完成通讯，接收一个客户端链接就建立一个子进程用于通讯

ps: 回收子进程使用SIGCHILD信号，使用sigaction()信号捕捉函数，使用waitpid()非阻塞回收子进程资源

 

2.TCP状态转换。

 

3.半关闭

• 当 TCP 连接中 A 向 B 发送 FIN 请求关闭，另外一端 B 回应 ACK 以后（A 端进入 FIN_WAIT_2状态），并无当即发送 FIN 给 A，A 方处于半链接状态（半开关），此时 A 能够接收 B 发送的数据，可是 A 已经不能再向 B 发送数据。

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how);
    - sockfd: 须要关闭的socket的描述符
    - how: 容许shutdown操做选择如下几种方式：
            - SHUT_RD(0): 关闭sockfd上的读功能，该套接字再也不接收数据，任何在套接字接收缓冲区的数据都将被丢弃；
            - SHUT_WR(1): 关闭sockfd的写功能，进程不能对此套接字发出写操做；
            - SHUT_RDWR(2): 关闭读写功能，至关于调用shut down两次，首先是SHUT_RD，而后是SHUT_WR.
 
1. 使用close()，若是多个进程共享一个套接字，close每调用一次，计数减1，直到计数为0，也就是全部进程都调用了close，套接字被释放。
2. 使用shutdown()，在多进程中若是一个进程调用了shutdown(sfd, SHUT_RDWR)后，其余进程将没法通讯。但若是一个进程close(sfd)将不会影响其余进程。

 

4.端口复用。

• 场景：服务器先关闭，会进入FIN_WAIT_2状态，客户端关闭，服务器会进入TIME_WAIT状态，此时服务器的端口还未被释放，不能被从新使用。
• 程序忽然退出而系统没有释放端口

// 设置套接字的属性，包括端口复用
#include <sts/types.h>
#include <sys/socket.h>
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
    - sockfd: 要操做的文件描述符
    - level: 级别 - SOL_SOCKET（端口复用）
    - optname: 选项的名称
            - SO_REUSEADDR
            - SO_REUSEPORT
    - optval: 端口复用的值（整型）
            - 1: 能够复用
            - 0: 不能够复用
    - optlen: optval参数的大小，sizeof(optval)

　

5.IO多路复用（多路转接）

• IO：对缓冲区的操做
• IO多路复用使程序能同时监听多个文件描述符，可以提升程序的性能，Linux下实现多路复用的系统调用主要有select、poll、epoll。

 

6.IO模型

• BIO模型（Blocking）
• NIO模型（Nonblocking）
• IO多路转接技术
• select、poll
• epoll

 

7.IO多路转接技术：select

• 首先构造一个关于文件描述符的列表，将要监听的文件描述符添加到该列表中。
• 调用一个系统函数（select），监听该列表中的文件描述符，直到这些描述符中一个或多个进行了IO操做时，该函数才返回。
• 该函数是阻塞的
• 函数对文件描述符的检测操做是由内核完成的
• 在返回时，该函数会告诉进程有多少（哪些）描述符要进行IO操做。
• 缺点：
• 每次调用select，都须要把fd集合从用户区拷贝到内核区，这个开销在fd比较多的时候会很大
• 每次调用select都须要在内核遍历传递进来的全部fd（O(n)时间复杂度），这个开销也很大
• select支持的文件描述符数量少，默认只有1024（fd_set底层是二进制位形式表示，fd集合用128个字节表示，全部默认表示的是1024位表明1024个文件描述符）
• fds集合不能重用，每次须要重置（须要有一个fds集合专门记录须要检测的文件描述符，另外每次须要一个临时的fds记录从内核返回来的结果）

#include <sys/times.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);    // sizeof(fd_set) = 128 byte = 1024 bit
    - nfds: 委托内核检测的最大文件描述符+1
    - readfds:  要检测的文件描述符的读的集合，委托内核检测哪些文件描述符的读属性，
                - 对应的是对方发送过来的数据，
                - 为读是被动接收数据，检测的就是读缓冲区
                - 是一个传入传出参数
    - writefds: 要检测的文件描述符的写的集合，委托内核检测哪些文件描述符的写属性
                - 委托内核检测写缓冲区是否还能够写数据
    - exceptefds: 检测发生异常的文件描述符的集合
    - timeout: 设置的超时时间， NULL 永久阻塞，直到检测到了文件描述符有变化；tv_sec = 0 tv_usec = 0 不阻塞；tv_sec > 0 tv_usec > 0 阻塞对应时间
    - 返回值：失败返回-1；成功返回>0(n)的数，表示检测的集合中有n个文件描述符发生了变化
struct timeval {
    long tv_sec;
    long tv_usec;
}
 
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
    - 做用：将参数文件描述符fd对应的标志位设置为0
 
void FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
    - 做用：判断fd对应的标志位是0仍是1,
    - 返回值：fd对应的标志位的值
 
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
    - 做用：将参数文件描述符fd对应的标志位设置为1
 
void FD_ZERO(fd_set *set);
    - 做用：fd_set一共有1024位，初始化全部位为0

 

 

8.IO多路转接技术：poll

• 改进了select的第3和第4点缺点，用结构体pollfd取代了select的fd_set数据结构，pollfd能够保存须要检测事件以及内核返回的结果。
• 缺点：没有改进select的第1和第2点缺点
• 每次调用也须要把fd集合从用户区拷贝到内核区，这个开销在fd比较多的时候会很大
• 每次调用须要在内核遍历传递进来的全部fd（O(n)时间复杂度），这个开销在fd比较多的时候也很大
• poll调用的返回的内核结果只告知了有几个文件描述符发生了改变，并无告知是具体哪几个，依然须要程序遍历找出（O(n)）

#include <poll.h>
struct pollfd {
    int fd;                // 委托内核检测的文件描述符
    short events;          // 委托内核检测文件描述符的什么事件 POLLIN 读  POLLOUT 写
    short revents;         // 内核返回的文件描述符发生的事件
};
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
    - fds: 须要检测的文件描述符的集合
    - nfds: 委托内核检测的最大文件描述符+1
    - timeout: 阻塞时长， NULL 永久阻塞，-1 阻塞，当检测到须要检测的文件描述符发生变化时解除阻塞；0 不阻塞；>0 阻塞时长
    - 返回值：失败返回-1；成功返回>0(n)的数，表示检测的集合中有n个文件描述符发生了变化
 

　　

9.IO多路转接技术：epoll

• 监控多个文件描述符，检测其中是否有能够进行IO操做的（ monitoring multiple file descriptors to see if I/O is possible on any of them.）
• 底层实现是红黑树和双链表，红黑树记录须要检测的文件描述符，遍历复杂度O(logn)；双链表记录改变了的文件描述符，返回给程序后避免了再次遍历查找具体改变的文件描述符

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
    - 做用：建立一个新的epoll实例。在内核中建立一个数据，包括须要检测的文件描述符（RBT），和就绪列表存放检测到数据发生改变的文件描述符信息（双链表）
    - size: >0, 无心义；之前底层hashmap实现时须要
    - 返回值：成功返回文件描述符，操做epoll实例；失败返回-1并设置errno
 
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
    - epfd: epoll实例对应的文件描述符
    - op: 要进行什么操做，EPOLL_CTL_ADD 添加；EPOLL_CTL_MOD 修改；EPOLL_CTL_DEL 删除
    - fd: 要检测的文件描述符
    - event: 检测文件描述符什么事件，常见的epoll检测事件：EPOLLIN、EPOLLOUT、EPOLLERR
 
int epoll_wait(nt epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
    - epfd: epoll实例对应的文件描述符
    - events: 传出参数，保存了发生了变化的文件描述符的信息
    - maxevents: 第二参数结构体数组的大小
    - timeout: 阻塞时长， NULL 永久阻塞，-1 阻塞，当检测到须要检测的文件描述符发生变化时解除阻塞；0 不阻塞；>0 阻塞时长
    - 返回值：失败返回-1；成功返回>0(n)的数，表示检测的集合中有n个文件描述符发生了变化

　　

10.epoll的工做模式

• LT模式（水平触发）
• 缺省的工做模式，同时支持阻塞和非阻塞socket。
• 内核告诉你一个文件描述符是否就绪，而后程序能够对该就绪的fd进行IO操做。若是不进行任何操做，内核会继续通知程序。
• 过程：
• 假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
• 读缓冲区有数据 -> epoll检测到了会给用户通知
• a. 用户不读数据 -> 数据一直在缓冲区，epoll会一直通知
• b. 用户只读了一部分数据 -> epoll会继续通知
• c. 缓冲区的数据读完了 -> 不通知
• ET模式（边沿触发）
• 高速的工做模式，支持非阻塞socket。
• 当描述符从从未就绪变为就绪时，内核会通知程序，而后内核会假设程序已经知道文件描述符就绪了，将再也不为那个文件描述发送更多的就需通知。直到缓冲区有新数据有新数据到达或由空变为非空的时候，将会再次触发内核通知程序。
• ET模式从很大程度上减小了epoll时间被重复处罚的次数，效率比LT模式高。
• ET模式下epoll工做必须使用非阻塞套接字接口，而且须要结合循环读取数据的方式，以免因为一个文件描述符的阻塞读/写操做把处理多个文件描述符的任务饿死。
• 过程：
• 假设委托内核检测读事件 -> 检测fd的读缓冲区
• 读缓冲区有数据 -> epoll检测到了会给用户通知
• a. 用户不读数据 -> 数据一直在缓冲区，epoll下次检测的时候不通知
• b. 用户只读了一部分数据 -> epoll不通知
• c. 缓冲区的数据读完了 -> 不通知，直到缓冲区有新的数据写入才通知

 

11.LT和ET模式下对读写操做是否就绪的判断

• 水平触发
• 读操做：只要缓冲内容不为空，LT模式返回读就绪。
• 写操做：只要缓冲区还不满，LT模式返回写就绪。
• 边沿触发
• 读操做：1）缓冲区由空变为非空；2）缓冲区有新数据到达时；3）缓冲区有数据可读，且文件描述符进行EPOLL_CTL_MOD修改EPOLLIN事件时。
• 写操做：1）缓冲区由非空变为空；2）缓冲区有数据被发走时，即缓冲区内容减小时；3）缓冲区有空间可写，且文件描述符进行EPOLL_CTL_MOD修改EPOLLOUT事件时。

 

12. 使用epoll模型，水平（LT）触发模式，当socket可写时，会不停的触发socket可写的事件，如何处理？

• 开始不把socket加入epoll，须要向socket写数据的时候，直接调用write或者send发送数据。若是返回EAGAIN，把socket加入epoll，在epoll的驱动下写数据，所有数据发送完毕后，再移出epoll。