Linux網絡編程II

1.TCP通訊併發。使用多線程或多進程。

1. 一個父進程，多個子進程

2. 父進程負責等待並接受客戶端的鏈接

3. 子進程：完成通訊，接收一個客戶端鏈接就建立一個子進程用於通訊

ps: 回收子進程使用SIGCHILD信號，使用sigaction()信號捕捉函數，使用waitpid()非阻塞回收子進程資源

 

2.TCP狀態轉換。

 

3.半關閉

• 當 TCP 連接中 A 向 B 發送 FIN 請求關閉，另外一端 B 迴應 ACK 以後（A 端進入 FIN_WAIT_2狀態），並無當即發送 FIN 給 A，A 方處於半鏈接狀態（半開關），此時 A 能夠接收 B 發送的數據，可是 A 已經不能再向 B 發送數據。

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how);
    - sockfd: 須要關閉的socket的描述符
    - how: 容許shutdown操做選擇如下幾種方式：
            - SHUT_RD(0): 關閉sockfd上的讀功能，該套接字再也不接收數據，任何在套接字接收緩衝區的數據都將被丟棄；
            - SHUT_WR(1): 關閉sockfd的寫功能，進程不能對此套接字發出寫操做；
            - SHUT_RDWR(2): 關閉讀寫功能，至關於調用shut down兩次，首先是SHUT_RD，而後是SHUT_WR.
 
1. 使用close()，若是多個進程共享一個套接字，close每調用一次，計數減1，直到計數爲0，也就是全部進程都調用了close，套接字被釋放。
2. 使用shutdown()，在多進程中若是一個進程調用了shutdown(sfd, SHUT_RDWR)後，其餘進程將沒法通訊。但若是一個進程close(sfd)將不會影響其餘進程。

 

4.端口複用。

• 場景：服務器先關閉，會進入FIN_WAIT_2狀態，客戶端關閉，服務器會進入TIME_WAIT狀態，此時服務器的端口還未被釋放，不能被從新使用。
• 程序忽然退出而系統沒有釋放端口

// 設置套接字的屬性，包括端口複用
#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: 級別 - SOL_SOCKET（端口複用）
    - optname: 選項的名稱
            - SO_REUSEADDR
            - SO_REUSEPORT
    - optval: 端口複用的值（整型）
            - 1: 能夠複用
            - 0: 不能夠複用
    - optlen: optval參數的大小，sizeof(optval)

　

5.IO多路複用（多路轉接）

• IO：對緩衝區的操做
• IO多路複用使程序能同時監聽多個文件描述符，可以提升程序的性能，Linux下實現多路複用的系統調用主要有select、poll、epoll。

 

6.IO模型

• BIO模型（Blocking）
• NIO模型（Nonblocking）
• IO多路轉接技術
• select、poll
• epoll

 

7.IO多路轉接技術：select

• 首先構造一個關於文件描述符的列表，將要監聽的文件描述符添加到該列表中。
• 調用一個系統函數（select），監聽該列表中的文件描述符，直到這些描述符中一個或多個進行了IO操做時，該函數才返回。
• 該函數是阻塞的
• 函數對文件描述符的檢測操做是由內核完成的
• 在返回時，該函數會告訴進程有多少（哪些）描述符要進行IO操做。
• 缺點：
• 每次調用select，都須要把fd集合從用戶區拷貝到內核區，這個開銷在fd比較多的時候會很大
• 每次調用select都須要在內核遍歷傳遞進來的全部fd（O(n)時間複雜度），這個開銷也很大
• select支持的文件描述符數量少，默認只有1024（fd_set底層是二進制位形式表示，fd集合用128個字節表示，全部默認表示的是1024位表明1024個文件描述符）
• fds集合不能重用，每次須要重置（須要有一個fds集合專門記錄須要檢測的文件描述符，另外每次須要一個臨時的fds記錄從內核返回來的結果）

#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: 委託內核檢測的最大文件描述符+1
    - readfds:  要檢測的文件描述符的讀的集合，委託內核檢測哪些文件描述符的讀屬性，
                - 對應的是對方發送過來的數據，
                - 爲讀是被動接收數據，檢測的就是讀緩衝區
                - 是一個傳入傳出參數
    - writefds: 要檢測的文件描述符的寫的集合，委託內核檢測哪些文件描述符的寫屬性
                - 委託內核檢測寫緩衝區是否還能夠寫數據
    - exceptefds: 檢測發生異常的文件描述符的集合
    - timeout: 設置的超時時間， NULL 永久阻塞，直到檢測到了文件描述符有變化；tv_sec = 0 tv_usec = 0 不阻塞；tv_sec > 0 tv_usec > 0 阻塞對應時間
    - 返回值：失敗返回-1；成功返回>0(n)的數，表示檢測的集合中有n個文件描述符發生了變化
struct timeval {
    long tv_sec;
    long tv_usec;
}
 
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
    - 做用：將參數文件描述符fd對應的標誌位設置爲0
 
void FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
    - 做用：判斷fd對應的標誌位是0仍是1,
    - 返回值：fd對應的標誌位的值
 
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
    - 做用：將參數文件描述符fd對應的標誌位設置爲1
 
void FD_ZERO(fd_set *set);
    - 做用：fd_set一共有1024位，初始化全部位爲0

 

 

8.IO多路轉接技術：poll

• 改進了select的第3和第4點缺點，用結構體pollfd取代了select的fd_set數據結構，pollfd能夠保存須要檢測事件以及內核返回的結果。
• 缺點：沒有改進select的第1和第2點缺點
• 每次調用也須要把fd集合從用戶區拷貝到內核區，這個開銷在fd比較多的時候會很大
• 每次調用須要在內核遍歷傳遞進來的全部fd（O(n)時間複雜度），這個開銷在fd比較多的時候也很大
• poll調用的返回的內核結果只告知了有幾個文件描述符發生了改變，並無告知是具體哪幾個，依然須要程序遍歷找出（O(n)）

#include <poll.h>
struct pollfd {
    int fd;                // 委託內核檢測的文件描述符
    short events;          // 委託內核檢測文件描述符的什麼事件 POLLIN 讀  POLLOUT 寫
    short revents;         // 內核返回的文件描述符發生的事件
};
int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
    - fds: 須要檢測的文件描述符的集合
    - nfds: 委託內核檢測的最大文件描述符+1
    - timeout: 阻塞時長， NULL 永久阻塞，-1 阻塞，當檢測到須要檢測的文件描述符發生變化時解除阻塞；0 不阻塞；>0 阻塞時長
    - 返回值：失敗返回-1；成功返回>0(n)的數，表示檢測的集合中有n個文件描述符發生了變化
 

　　

9.IO多路轉接技術：epoll

• 監控多個文件描述符，檢測其中是否有能夠進行IO操做的（ monitoring multiple file descriptors to see if I/O is possible on any of them.）
• 底層實現是紅黑樹和雙鏈表，紅黑樹記錄須要檢測的文件描述符，遍歷複雜度O(logn)；雙鏈表記錄改變了的文件描述符，返回給程序後避免了再次遍歷查找具體改變的文件描述符

#include <sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);
    - 做用：建立一個新的epoll實例。在內核中建立一個數據，包括須要檢測的文件描述符（RBT），和就緒列表存放檢測到數據發生改變的文件描述符信息（雙鏈表）
    - size: >0, 無心義；之前底層hashmap實現時須要
    - 返回值：成功返回文件描述符，操做epoll實例；失敗返回-1並設置errno
 
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
    - epfd: epoll實例對應的文件描述符
    - op: 要進行什麼操做，EPOLL_CTL_ADD 添加；EPOLL_CTL_MOD 修改；EPOLL_CTL_DEL 刪除
    - fd: 要檢測的文件描述符
    - event: 檢測文件描述符什麼事件，常見的epoll檢測事件：EPOLLIN、EPOLLOUT、EPOLLERR
 
int epoll_wait(nt epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
    - epfd: epoll實例對應的文件描述符
    - events: 傳出參數，保存了發生了變化的文件描述符的信息
    - maxevents: 第二參數結構體數組的大小
    - timeout: 阻塞時長， NULL 永久阻塞，-1 阻塞，當檢測到須要檢測的文件描述符發生變化時解除阻塞；0 不阻塞；>0 阻塞時長
    - 返回值：失敗返回-1；成功返回>0(n)的數，表示檢測的集合中有n個文件描述符發生了變化

　　

10.epoll的工做模式

• LT模式（水平觸發）
• 缺省的工做模式，同時支持阻塞和非阻塞socket。
• 內核告訴你一個文件描述符是否就緒，而後程序能夠對該就緒的fd進行IO操做。若是不進行任何操做，內核會繼續通知程序。
• 過程：
• 假設委託內核檢測讀事件 -> 檢測fd的讀緩衝區
• 讀緩衝區有數據 -> epoll檢測到了會給用戶通知
• a. 用戶不讀數據 -> 數據一直在緩衝區，epoll會一直通知
• b. 用戶只讀了一部分數據 -> epoll會繼續通知
• c. 緩衝區的數據讀完了 -> 不通知
• ET模式（邊沿觸發）
• 高速的工做模式，支持非阻塞socket。
• 當描述符從從未就緒變爲就緒時，內核會通知程序，而後內核會假設程序已經知道文件描述符就緒了，將再也不爲那個文件描述發送更多的就需通知。直到緩衝區有新數據有新數據到達或由空變爲非空的時候，將會再次觸發內核通知程序。
• ET模式從很大程度上減小了epoll時間被重複處罰的次數，效率比LT模式高。
• ET模式下epoll工做必須使用非阻塞套接字接口，而且須要結合循環讀取數據的方式，以免因爲一個文件描述符的阻塞讀/寫操做把處理多個文件描述符的任務餓死。
• 過程：
• 假設委託內核檢測讀事件 -> 檢測fd的讀緩衝區
• 讀緩衝區有數據 -> epoll檢測到了會給用戶通知
• a. 用戶不讀數據 -> 數據一直在緩衝區，epoll下次檢測的時候不通知
• b. 用戶只讀了一部分數據 -> epoll不通知
• c. 緩衝區的數據讀完了 -> 不通知，直到緩衝區有新的數據寫入才通知

 

11.LT和ET模式下對讀寫操做是否就緒的判斷

• 水平觸發
• 讀操做：只要緩衝內容不爲空，LT模式返回讀就緒。
• 寫操做：只要緩衝區還不滿，LT模式返回寫就緒。
• 邊沿觸發
• 讀操做：1）緩衝區由空變爲非空；2）緩衝區有新數據到達時；3）緩衝區有數據可讀，且文件描述符進行EPOLL_CTL_MOD修改EPOLLIN事件時。
• 寫操做：1）緩衝區由非空變爲空；2）緩衝區有數據被髮走時，即緩衝區內容減小時；3）緩衝區有空間可寫，且文件描述符進行EPOLL_CTL_MOD修改EPOLLOUT事件時。

 

12. 使用epoll模型，水平（LT）觸發模式，當socket可寫時，會不停的觸發socket可寫的事件，如何處理？

• 開始不把socket加入epoll，須要向socket寫數據的時候，直接調用write或者send發送數據。若是返回EAGAIN，把socket加入epoll，在epoll的驅動下寫數據，所有數據發送完畢後，再移出epoll。