Socket IO與NIO(三)

Socket-TCP快速入門：

TCP是什麼？

英語：Transmission Control Protocal，縮寫爲TCP [træns'mɪʃən]n. 傳動裝置，[機] 變速器；傳遞；傳送；播送

TCP是傳輸控制協議；是一種面向鏈接的 可靠的 基於字節流的傳輸層通訊協議，有IETF的RFC 793定義。

與UDP同樣完成第四層傳輸層所指定的功能與職責。

TCP的機制：

三次握手，四次揮手。

具備校驗機制、可靠、數據傳輸穩定。校驗機制保證了數據傳輸的可靠性以及數據傳輸的穩定性，那麼數據傳輸的可靠性呢，在於咱們的客戶端往服務器端發送數據的時候，數據會通過層層的校驗，以便後面的數據是否肯定能夠進行發送，固然服務器端給客戶端回送消息的時候也會通過這樣的一個校驗機制，因此說能夠保證咋們的數據可靠性。

那麼數據傳輸的穩定性呢，這在於咱們數據傳輸的一個速率的窗口大小的隨機調整。原理大概是：客戶端給服務器端發送數據的時候，因爲受限於咱們客戶端或者服務器端的帶寬壓力，或者是客戶端和服務器端處理能力的壓力，那麼當客戶端有100個字節發送到服務器端的時候，若是發現服務器端的數據接收過於緩慢，那麼服務器端會在接收過程中按期的回送他本身的一個狀態給客戶端，那麼客戶端也會根據這樣的狀態進行本身的一個速度調整，以便本身客戶端的速度適應服務器端的一個接收速度，從而知足咋們的一個數據傳輸穩定性。

TCP鏈接、傳輸流程：

首先客戶端的鏈接通過了3次握手鍊接到服務器端，而後服務器端在通過這3次握手鍊接成功以後，纔會進入到咱們後續的一個傳輸的創建，後面的傳輸創建後就好發送一系列的數據過去同時又回送數據，這是客戶端和服務器端簡單交互的流程介紹。TCP當中會有一些額外的數據進行發送，例如校驗數據，若是你發送的數據爲100K，那麼可能發送完成以後，你的數據字節會大於100K,這是正常的，由於在整個過程中TCP和服務器端會不斷的進行一個數據的校驗，以及咋們的一個鏈接創建，這些都是須要消耗額外的一些流量，這樣咋們額外的一些數據的消耗。

TCP能作什麼？

聊天消息傳輸、推送。

單人語言、視頻聊天等。這個點若是用UDP來作的話會更加優秀一點，他在傳輸上的一些限制會更小，固然若是你想要保證單人之間傳輸的一個優越性、數據的一個健壯性、以及保證視頻數據的一個精準送達，那麼能夠用TCP來作。

幾乎UDP能作的都能作，但須要考慮複雜性、性能問題。

限制：沒法進行廣播，多播等操做。這是UDP所獨有的。也沒法作搜索，搜索只能由UDP來作。

TCP核心 API講解：

socket(): 建立一個Socket。在於建立一個客戶端的Socket鏈接，客戶端本身new Socket的時候，其實他經過構造函數建立一個無鏈接的無綁定
    的一個客戶端Socket的空狀態。通常而言是建立一個空狀態的Socket，後面在調用方法設置參數創建鏈接。
bind(): 綁定一個Socket到一個本地地址和端口上。對於客戶端而言就在於綁定到你本身客戶端的端口上。而對於服務器端而言bind這個方法呢
    在於綁定在本身服務器端的一個接口上以後，那麼他還監聽這個地址和端口上所到來的其餘的客戶端的一些套接字。
connect(): 客戶端鏈接到遠程套接字。
accept(): 接受一個新的鏈接。這是服務器端的一個ServerSocket所獨有的一個方法。這是一個阻塞方法，等待客戶端鏈接。但是設置超時時間。
    阻塞狀態直到有一個新的客戶端鏈接到達，纔會進入到後面的Socket建立。那麼服務器端的一個簡單流程就是一個ServerSocket綁定到一個
    本身的端口以後，會進入到一個accept的等待狀態，若是此時有新的客戶端的Socket到達，那麼這個時候服務器會建立一個對應的相匹配的
    Socket，進入到後續的一個發送和接受的流程。那麼服務器端還能夠本身選擇是否再去accept下一個Socket或者是直接關閉掉，再也不進行
    後續的一個套接字的等待。
write(): 把數據寫入到Socket輸出流。
read(): 從Socket輸入流讀取數據。
複製代碼

客戶端流程：

建立Socket-->bind本地套接字(佔用一個本地端口)-->connect遠程套接字-->若是鏈接成功，客戶端就能夠和遠程套接字服務器進行數據收發。

服務端流程：

建立ServerSocket-->bind本地套接字-->accept客戶端套接字-->若是此時客戶端的鏈接到達了，那麼遠程套接字服務器就能夠和客戶端之間 進行數據的收發。

擴展-Socket與進程關係：

默認的每個進程均可以建立一個Socket鏈接，甚至你的一個進程能夠建立多個Socket鏈接。能夠藉助於Socket來進行進程之間的數據交互。

TCP的buffer以及TCP底層的變量實際上是由操做系統所維護的，那麼TCP在進行這些變量以及buffer的一些維護獲得信息以後，他會信息拋給上層的進程這一層，因此咋們進程這一層實際上是沒法管理咋們TCP底層的一些東西的，好比咋們前面說的TCP三次握手，四次揮手，以及TCP的數據校驗機制這些東西，是由TCP系統所完成的，系統實際上是實現了TCP的協議的，這些東西無序咱們進程去關心，咱們進程僅僅只是使用TCP，從而實現了進程之間的一個交互。固然進程之間的交互並不只僅只是你本身電腦上的進程交互，實際上是你電腦的某個進程和別人電腦上的某個進程之間的一個交互，這也是屬於進程之間的一個交互。

TCP鏈接可靠性：

• 三次握手: 首先客戶端TCP會發送一條叫作SYN命令(這是一個鏈接請求命令)，這個命令會攜帶一個參數，暫且叫x=rand()隨機值，隨機值在發送給服務器以後，服務器這個時候尚未進行一個鏈接的創建，僅僅只是受到了這樣一次命令，收到這個命令以後他會作一個操做，校驗收到的這個SYN命令，若是這個命令是完整的，那麼他會開始回送一條命令，回送的命令叫SYNACK，這麼命令當中攜帶了兩個指令，一個是SYN指令，一個是ACK指令，ACK指令是對客戶端發送過來的SYN指令的一次回送，這個回送表明着服務器端本身已經收到了客戶端的一個信息，同理他在回送這個命令的時候也會攜帶一條命令SYN命令過去到客戶端，在這個過程中首先他會作一件事情，在回送咋們的ACK命令的時候他會攜帶咱們客戶端所帶過來的這個x，客戶端在發送SYN命令的時候會把x發送到服務器端，那麼服務器端在回送這條ACK命令的時候，其實他會回送這個x回去，那x這個時候會作一個操做，把這個x+1表明着他已經收到而且通過了一次處理，因此他把x+1，而後回送到客戶端，固然同時在回送的時候，他會本身攜帶一條他本身的SYN命令，這條命令會攜帶第二個參數y=rand()隨機值，生成方式和客戶端發送過來的x生成方式如出一轍，這個時候回去的有兩個命令，一塊兒到達客戶端，在客戶端收到的時候，他會先進行一次校驗，若是說認爲本身發送的SYN這個命令，收到的這個ACK命令呢是等於x+1的，那麼就認爲這一次已經收到服務器的一個回送消息，同時他會給服務器回送一次說我已經收到了，那麼他給服務器回送消息的時候，他會把y+1同時包括剛剛收到的x值發送給服務器端，服務器端在收到這個ACK命令以後，確保這個鏈接已經徹底的創建，以後就能夠進行咋們數據發送上的一些準備和操做。那麼在這裏要說一下爲何要有這樣的一個3次命令？首先客戶端跟服務器說我要鏈接你，服務器端給客戶端說你能夠來鏈接我，固然服務器也給客戶端同時說我也要鏈接你，那麼這個時候客戶端給服務器回送說，你能夠鏈接我。這個地方能夠肯定兩個事情，客戶端能夠鏈接服務器，那麼服務器也能夠鏈接客戶端。其中的隨機數是用於肯定對應的客戶端的，由於服務器端是要接受無數的客戶端鏈接。

• 四次揮手: 客戶端也能夠是服務器端，這裏在於這裏是發送方，對面是接受方，其實不管是客戶端仍是服務器端均可以進行這樣的一個流程，均可以提出本身想要關閉的一個操做。首先他們會從一個已鏈接的狀態先發送一個FIN命令FIN=1(1也是隨機值)，seq=u(隨機值)。當接受方收到這條消息的時候，他會回送你一條ACK命令，ACK命令都是一個回送命令，ACK=1,seq=v,ack=u+1，當發送方一旦收到這個ack=u+1的時候，那麼你其實就已經能夠把你本身的鏈接斷開了。這個時候服務器端有可能還有一些數據沒有給你徹底送達，這個時間以內，服務器端會把他沒有徹底送達的消息一一給你送達，知道他送達 完成以後，他纔給你發送一個FIN=1,ACK=1,seq=w,ack=u+1命令過來講他想要關閉了，就是服務器端跟你說他想要關閉這個鏈接，他一旦給你發送了這個消息以後，你收到這個消息以後，你會給他回一個ACK=1,seq=u+1,ack=w+1命令，一旦這個ACK命令你確保他已經收到了，那麼以後就能夠進行一個鏈接斷開了，但這裏其實就只有一個來回來回，你怎麼肯定一個數據被他收到了呢，實際上是這樣的，當咋們的服務器端他發送FIN命令以後，他會進行一個等待狀態，在這個等待狀態當中，他會持續的發送FIN命令，間隔一段時間以後會發送一次FIN命令，這個間隔時間呢通常是一次數據片所送達的完整的一個送達時間 這個簡稱叫SML，在於說一次數據片所可以達到對面的一次最長時間，那默認這個時間定義爲2分鐘，固然在Linux系統當中已經把這個值改成了30秒，30秒認爲已是一個如今網絡很是可靠的一個時間，若是說30秒以內對方沒有收到你的消息，那麼就能夠認爲這條消息可能被網絡斷開丟掉了，如今的網絡當中基本上能夠保證在30秒以內把一個數據片送到對方。他發送一個FIN命令以後他會進行一個等待狀態，在等待狀態當中若是超過30秒，他會沒有收到ACK命令，那還會繼續發FIN命令給你，持續的發送，直到說你給他回送一次ACK命令，固然在這個過程中有可能遇到說我網絡出問題異常斷開了，那麼也是有可能會出現IO異常，這也是容許的，在這個過程中，他給你發送，你給他回送的ACk命令以後，也是同樣的，若是說這個鏈接尚未進行一個完整的斷開，那麼你會不斷的收到FIN命令，由於對方在沒有收到ACK命令的狀況下，他間隔一段時間又會給你發送一個FIN命令，若是說你持續的收到FIN命令，你就要持續的向對方發送ACK表示你已經收到這個命令了，直到對方已經真實的收到了ACK命令以後，對方就把鏈接斷開，你也把鏈接斷開。四次揮手爲何要有四次揮手，四次揮手實際上是保證了前面咱們所說的全雙工鏈接的一個斷開，什麼是全雙工？就是說你能夠向對面發送一條消息也能夠接受來之對面的消息，對面能夠接受你的消息，也能夠向你發送消息。全雙工在於大家之間斷開鏈接，首先你向對面說能夠關閉鏈接嗎，對面一旦向你回覆了能夠容許斷開鏈接，那麼這個時候你就已經斷開了你的一個輸出流，你的輸出流若是還在進行一個輸出的話，那麼會直接觸發一個鏈接異常。固然這個時候你的輸入仍是保留的，由於你還能夠接受一個來之服務器端的數據，服務器端這個時候還在向你發送數據，那麼這個時候你本身實際上是處於一個半雙工的狀態，你僅僅只可以接受消息了，不能再發送消息。那麼服務器端也是同樣，他把本身的消息發送完成以後，他向你回送了一條消息說，他的消息發送完了他也想要關閉鏈接，那麼這個時候一旦你回送了一條消息確認，那麼它也會把本身的一條鏈接斷開，以前大家已經斷開了一次你的發送信息的一個流，以後他斷開了他向你發送信息的流，那麼你不向說話了，他也不向你說話了，大家二者之間就能夠肯定已經斷開了，因此這就是四次揮手所具有的一個功能。

TCP傳輸可靠性：

• 排序、順序發送、順序組裝。當你進行一條數據發送的時候，首先TCP會將這個數據拆分紅不一樣的片斷，而後把片斷進行一個排序，以後把剛剛 排序的片斷 順序的組裝以後進行發送，這就保證了數據傳輸的有序性。
• 丟棄、超時。一旦在真個發送過程中，你的一個數據片沒有到達或者是數據片到達的時候超時，那麼在TCP的客戶端和服務器端當中，在客戶端 實際上是可以收到一個數據被丟棄或者說數據超時的一個消息的。那麼一旦收到這樣的消息，那麼客戶端要作的事情是他本身把這條信息從新 的進行一次發送，這就是TCP的一個發送流程，他首先把大的數據拆分紅不一樣的數據片，而後把數據片排序，排序好以後一片一片的進行發送 固然這個一片一片的數據發送，爲何要作這個操做？首先爲何要拆分一個大的數據包，好比說客戶端要發送一個大的數據包到服務器端， 一旦數據出現了一個傳輸上的問題，那麼你這一整個數據包都被浪費丟棄掉了，而咱們前面傳輸了20%的數據，其實都是無效的。你要從新 傳輸要從0開始傳輸，那麼無疑是浪費比較多的流量的，那麼爲了儘量的減小這樣的一個流量消耗，因此他要把一個大的數據包拆分紅不少 不少的小的數據包，固然拆分以後再進行發送其實也是增大了他的流量消耗，可是從整個體系上來說，他是減小了一個瀏覽傳輸的一個消耗。 這是爲了保證他的傳輸可靠性的一個流量消耗，這是容許的。 排序以後發送這個數據，發送數據有可能出現丟失，那麼丟失的，咱們認爲僅僅是須要把剛剛丟失的部分數據進行從新發送便可，因此就須要 你一個順序發送以及一個順序組裝，因此也就涉及到了咋們的一個數據丟棄和數據超時，那麼這個一整套流程是TCP底層爲咱們完成的。
• 重發機制-定時器。若是說在服務器端收到這個信息的時候，他會進行一個定時器會定時的給咱們回送一些已經收到的數據片，那麼客戶端也是同樣 當咱們在必定的定時器範圍以內沒有收到服務器回送的消息的話，那麼咱們就認爲沒有被服務器端送達，咱們會從新把這個數據在發送一遍， 一遍咱們的數據必定是運行被髮送到服務器端的，這樣就保證了傳輸的可靠性。

TCP數據傳輸的一個流程:

左邊是接收方，右邊是發送方，發送方緩衝區有1 2 3 4 5，5個數據片。

首先他會給接受方發送第1個數據包{序列號=1，數據:1460byte}，當接受方接受到的時候，他會回送一條{序列號=1，確認號=1461，數據：0byte},這時候緩衝區的指針會移動到2。

發送第2個數據包{序列號=1461，數據：1460byte}給接受方，發送過去以後，這個時候若是說發送方沒有收到接收方的回送，那麼這個回送被中斷了，這個時候，發送方緩衝區的指針移動到了3位置，而後他把第3個數據包{序列號=2921，數據：1460byte}發送給接收方，這個時候發送失敗，接受 方沒有收到第3個數據包，發送方這時候緩衝區的指針會移動到4。

給接受方發送第4個數據包{序列號=4381，數據:1460byte}，發送過去以後，這個時候若是說發送方沒有收到接收方的回送，那麼這個回送被中斷了,這時候緩衝區的指針會移動到5。

首先他會給接受方發送第5個數據包{序列號=5841，數據:1460byte}，當接受方接受到的時候，他會回送一條{序列號=1，確認號=2921，數據：0byte}而後接收方1 2 4 5都接受到了，但這個時候有一點是丟掉了一條數據，那麼你丟掉的這條數據，若是說在發送方認爲時間Timeout了，尚未收到你的回送，就認爲這條數據真的是被丟掉了，那麼他會把第三條數據從新發送。

發送方給接受方重發第3個數據包{序列號=2921，數據:1460byte}，當接受方接受到的時候，他會回送一條{序列號=1，確認號=7301，數據：0byte}。

一條Socket鏈接視爲一個通道。

TCP基礎類型數據傳輸：

byte(8bit)、char(8big)、short(16bit)

char和byte是能夠直接複用的，short要轉換成2個byte數組。

boolean(8bit)、int(32bit)、long(64bit)

float(32bit)、double(64bit)、string(可變的) 中文轉換成byte是3個byte。

UDP輔助TCP實現點對點傳輸案例： 若是說你知道你的服務器地址以及端口，那麼每每你能夠直接用TCP跟你的服務器進行一個鏈接。可是假如說在一個局域網當中，不知道你服務器 的一個IP地址，你僅僅知道的是你服務器公共的UDP的端口，那麼在這樣的狀況下，你如何實現TCP的一個鏈接呢？ TCP鏈接必需要知道IP地址和端口，那麼要怎麼要知道IP地址和端口呢？咱們能夠經過UDP的一個搜索，當咱們的服務器與咱們的全部的客戶端之間 約定了搜索的一個格式以後，咱們能夠在客戶端發起一個UDP廣播，在廣播的一個接受者，也就是服務器收到這個廣播以後，而後判斷一下咱們的 這個收到的廣播是不是須要處理的，若是說是，那麼服務器會回送這個廣播對應的端口和IP地址上面去，當這個回送的時候，客戶端就能收到咋們 服務器回送過來的這個UDP的包，當收到UDP包的時候，UDP的包就包含了IP地址和端口號，固然還能夠在服務器回送信息的時候攜帶一些信息，因此 我就能夠經過UDP的一個搜索獲得咱們TCP須要的點對點的IP地址和端口，而後再根據這些信息創建TCP鏈接。

UDP搜索IP和端口：

構建基礎的口令消息。若是說咱們沒有這個口令的一個頭字節的話，那別人發的任何消息只要到達咋們的端口，咋們就會去回送，這是會暴露咋們本身的信息，好比最基本的信息IP地址和端口號。 局域網廣播口令消息（指定端口）。

接受指定端口回送消息（獲得客戶端IP、port）。UDP沒有標準的客戶端和服務端，這裏客戶端指的就是對面的這一端就是server端。

UDP搜索取消實現：

異步線程接受回送消息。

異步線程等待完成（定時）。

關閉等待-終止線程等待。 一旦超時等待到達，咱們就要進行一個線程的關閉，而且終止線程等待。