Linux网络编程（学习笔记）

文中python代码来自老师的教学代码，感谢我的老师~~

1. linux网络数据处理过程：

网卡->协议栈->网络

1）应用层输出数据

socket层->协议层->接口层

2）应用层接收数据

内核层（接口层->协议层->插口层）->用户空间的用户应用

2.socket是什么

socket类似jdbc，是一种接口，每种操作系统有不同的实现方式。

调用顺序：

1） socket（服务器、客户端）

2） bind（服务器）

3） listen（服务器）

4） accept（服务器）

在listen后调用，取出队列里第一个连接请求，并创建另一个和sockfd有相同属性的套接字。

5） connect调用（客户端）

3.主机字节序与网络字节序

1）主机字节序

​ 指数据存储的模式（大端模式、小端模式）

2）网络字节序

​ 按大端模式传输数据。

​ 网络存在不同的操作系统，数据存储方式可能是大端也可能是小端模式。为实现正常通信，需要实现网络字节序和主机字节序之间的转换。

3）字节序转换函数

4. socket stream服务

SOKC_STREAM代表数据流，即采用TCP传输协议。

模拟客户端发送数据，服务端接收数据

#客户端
import socket
HOST="127.0.0.1"
PORT=6666
print("connect to server :",HOST,"port=",PORT)
client=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
client.connect((HOST,PORT))
while True:
  cmd = input("please input , # to exit: ")
  if cmd == "#" :
     break
  client.send(bytes(cmd,"utf-8"))
  data=client.recv(100)
  print("recv from server:",data)
client.close()

#服务端
#在主进程中使用recv，当客户端一直保持连接而不发送数据时,可能导致卡在recv这一步无法继续执行下去;
#因此一般使用一个独立的子进程接收消息
HOST="0.0.0.0"
PORT=6666
print("server list at port=",PORT)
server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
server.bind((HOST,PORT))
server.listen(5)
while True:
  print("waiting client....")
  conn,address = server.accept()
  print("receive a connection from client:",address)
  while True:
      data=conn.recv(100)
      if not data:
        print("connection close by client")
        break
      print(data)
      conn.send(data[::-1])
server.close()

5. TCP的粘包与分包

前置知识：Nagle算法

Nagle算法：如果发送端欲多次发送包含少量字符的数据包（一般情况下，后面统一称长度小于MSS的数据包为小包，与此相对，称长度等于MSS的数据包为大包，为了某些对比说明，还有中包，即长度比小包长，但又不足一个MSS的包），则发送端会先将第一个小包发送出去，而将后面到达的少量字符数据都缓存起来而不立即发送，直到收到接收端对前一个数据包报文段的ACK确认、或当前字符属于紧急数据，或者积攒到了一定数量的数据（比如缓存的字符数据已经达到数据包报文段的最大长度）等多种情况才将其组成一个较大的数据包发送出去。

1）粘包与分包是什么：

TCP面向流，没有分界。操作系统在发送TCP数据时，会通过缓冲区来进行优化。

• 如果一次请求发送的数据量比较小，没达到缓冲区大小，TCP则会将多个请求合并为同一个请求进行发送，这就形成了粘包问题。
• 如果一次请求发送的数据量比较大，超过了缓冲区大小，TCP就会将其拆分为多次发送，这就是拆包。
  

2）粘包与分包产生的原因

5.2.1粘包原因

​ TCP：由于TCP协议本身的机制（面向连接可靠的协议，三次握手四次挥手）客户段与服务端会建立一个链接，数据在链接不断开的情况下，可以持续不断地将多个数据包发往服务端，相当于一个流，但是如果发送的网络数据包太小，那么他本身会启用Nagle算法（当然是可配置是否启用）对较小的数据包进行合并（基于此，TCP的网络延迟要UDP的高些，因为需要合并延时发送）然后再发送（超时或者包大小足够）。

​ 因此，服务端在接收到消息（数据流）的时候就无法区分哪些数据包是客户端自己分开发送的，这样产生了粘包；还有一种情况，服务端在接收到数据后，然后放到缓冲区中，如果消息没有被及时从缓存区取走，下次在取数据的时候可能就会出现一次取出多个数据包的情况，造成粘包现象

​ UDP：作为无连接的不可靠协议（适合频繁发送较小的数据包），UDP不会对数据包进行合并发送（没有Nagle算法之说）。发送端需要发送什么数据，直接就发出去了。既然UDP不会对数据合并，每一个数据包都是完整的（数据+UDP头+IP头等等发一次数据封装一次）也就没有粘包一说了。

5.2.2分包原因

• IP分片传输（MTU>1500）
• 一个包可能被分成了多次传输
• 传输过程中丢失部分包
• TCP流量控制

3）解决办法

5.3.1采用分隔符

​ 在封装要发送的数据包的时候，采用固定的字符作为结尾符（但前面的数据中不能含有结尾符）。在接收方接收到数据包后，如果发现结尾标识，手动将粘包分开；

​ 如果一个包中没有出现结尾符，认为出现了分包，则等待下个包中出现后 组合成一个完整的数据包，这种方式适合于文本传输的数据，如采用/r/n之类的分隔符；

5.3.2在数据包中添加长度

​ 在数据包中的固定位置封装数据包的长度信息（或可计算数据包总长度的信息），服务器接收到数据后，先是解析包长度，然后根据包长度截取数据包。

​ 可能出现的问题：如果客户端第一个数据包数据长度封装的有错误，那么很可能就会导致后面接收到的所有数据包都解析出错（由于TCP建立连接后流式传输机制），只有客户端关闭连接后重新打开才可以消除此问题。

​ 解决方案：对数据长度进行校验，适时地对接收到的有问题的包进行人为的丢弃处理（客户端有自动重发机制，故而在应用层不会导致数据的不完整性）；

6. Socket数据包服务

采用UDP协议，流程与stream服务相似。

#老师的客户端代码
import socket
ip_port = ('127.0.0.1',9999)
print("connect to  server:",ip_port)
client = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
client.connect(ip_port)
while True:
    message=input("please input, # to exit:")
    if message =="#":
       break
    client.send(message.encode("utf-8"))
    data=client.recv(100)
    print("client recv:",data)
client.close()

#老师的服务端代码
import socket
ip_port = ('0.0.0.0',9999)
server = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
print("udp server at:",ip_port)
server.bind(ip_port)
while True:
    data,addr = server.recvfrom(1024)
    print("recev from client",addr," data=",data)
    server.sendto(data,addr)
server.close()

7. 多路复用

1）select多路复用

select是通过系统调用来监视一组由多个文件描述符组成的数组，通过调用select()返回结果，数组中就绪的文件描述符会被内核标记出来，然后进程就可以获得这些文件描述符，然后进行相应的读写操作。

select的实际执行过程如下：

1、select需要提供要监控的数组，然后由用户态拷贝到内核态。

2、内核态线性循环监控数组，每次都需要遍历整个数组。

3、内核发现文件描述符状态符合操作结果，将其返回。

所以对于我们监控的socket都要设置为非阻塞的，只有这样才能保证不会被阻塞。

import socket
import select
HOST="0.0.0.0"
PORT=6666
print("server list at port=",PORT)
server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
server.bind((HOST,PORT))
server.listen(5)
rd_sets=[server]
print("waiting client....")
while True:
  #pool rd_sets in 1 second
  #监听rd_sets中的元素，把【有变化】的放入rl中
  #如果有人连接server，则rl=[server]
  rl,wl,el=select.select(rd_sets,[],[],1)  
  for client in rl:
    if client == server:	#表示有新用户连到本服务
       conn,address = server.accept()	#取到客户端套接字
       rd_sets.append(conn)	#加入readlist
       print("receive a connection from client:",address)
    else:
       data=client.recv(1024) #有老用户发消息
       if not data:
          rd_sets.remove(client)   #如果用户中断连接，则移除句柄。remove client from readlist
          print("connection close by client",client.getpeername())
          break
       print("client=",client.getpeername(),"data=",data)	#用户正常发送信息
       client.send(data[::-1])
server.close()

2）epoll系统调用

7.2.1 select与poll的缺点：

（1）单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，通常是1024，当然可以更改数量(在linux内核头文件中，有这样的定义：#define __FD_SETSIZE 1024），但由于select采用轮询的方式扫描文件描述符，文件描述符数量越多，性能越差。
（2）内核和用户空间之间的内存拷贝问题，因为我们每次调用select和poll时。都会填写相应的位数组和其他的参数，select和poll需要复制大量的句柄数据结构到内核空间进行监听，监听完成后需要把发生事件句柄再拷贝到用户空间，会产生巨大的开销。
（3）select返回的是含有整个句柄的数组，应用程序需要遍历整个数组才能发现哪些句柄发生了事件。poll和select一样，都是轮询。
（4）select和poll的触发方式是水平触发，应用程序如果没有完成对一个已经就绪的文件描述符进行IO操作，那么之后每次select和poll调用还是会将这些文件描述符通知进程。同一个事件，数据没有读完，会多次触发，效率低。

7.2.2 epoll原理及优势

epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，它们的缺点在epoll上不复存在

设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)，如何实现这样的高并发？

在select / poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统（从用户态复制句柄数据结构到内核态），让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完成后，再将句柄数据拷贝到用户空间，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此select/poll一般只能处理几千的并发连接

epoll的设计和实现与select完全不同，epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统（文件系统一般用B+树实现，磁盘IO消耗低，效率很高）
把原先的select/poll调用分成以下3个部分：

• 调用epoll_create()建立一个epoll对象（在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源）

• 调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字，以红黑树的形式组织，增删查是

  \[O(log2n) \]

• 调用epoll_wait收集发生的事件的fd资源，发生事件的fd会从红黑树上拷贝到双向链表，用于返回给用户。用户拿到的就只有发生事件的文件描述符了

epoll以上部分原文链接：https://blog.csdn.net/qq_42500831/article/details/124126248

7.2.3 关于epoll的“内存共享”（原创）

​ 1）上周，老师在授课中提到，书本中这个epoll所谓的 “共享内存” 可能存疑。于是作者上网查找了相关资料以及源码，发现不少博客提到:

• epoll使用的是共享内存的方式，即用户态和内核态都指向了就绪链表，所以就避免了内存拷贝消耗
• epoll是共享内存，拷贝都不用,相对来说应该会更快。epoll是通过内核与用户空间mmap同一块内存实现的。

但在知乎等平台有不少不同的声音，表示epoll并不存在所谓的“共享内存”，仍然需要进行从内核空间到用户空间的复制。

2）通过翻阅eventpoll.c源码发现，在开头的注释中已经指出，会进行从内核到用户空间的事件传递：

/*
 *During the event transfer loop (from kernel to
 * user space) we could end up sleeping due a copy_to_user(), so
 * we need a lock that will allow us to sleep.
*/

在static int ep_poll函数中，存在Try to transfer events to user space.即存在内核到用户空间的传递：

if (eavail) {
			/*
			 * Try to transfer events to user space. In case we get
			 * 0 events and there's still timeout left over, we go
			 * trying again in search of more luck.
			 */
			res = ep_send_events(ep, events, maxevents);
			if (res)
				return res;
}

在epoll_wait的实现中，__put_user的功能为内核拷贝到用户空间：

if (revents) {
			/* 将当前的事件和用户传入的数据都copy给用户空间,
			 * 就是epoll_wait()后应用程序能读到的那一堆数据. */
			if (__put_user(revents, &uevent->events) ||
			    __put_user(epi->event.data, &uevent->data)) {
				/* 如果copy过程中发生错误, 会中断链表的扫描,
				 * 并把当前发生错误的epitem重新插入到ready list.
				 * 剩下的没处理的epitem也不会丢弃, 在ep_scan_ready_list()
				 * 中它们也会被重新插入到ready list */
				list_add(&epi->rdllink, head);
				return eventcnt ? eventcnt : -EFAULT;
}

3）结论

由上可知，epoll所谓的内核与用户空间通过mmap方式“共享内存”，是错误的。

------------2023.5.23更新----------
3) epoll工作流程图

• 可以看到，rd，即存放epoll事件的红黑树被直接创建在内核中。在这一步，select与poll需要进行从用户空间到内核的拷贝。相比之下，epoll可以少拷贝一次。

• 当事件就绪，被放入就绪队列rdlist后，rdlist中的内容将从内核被拷贝到用户空间。即2）中的 epoll_wait()源码。此处存在内核到用户空间的拷贝。

7.2.4 epoll实例

#与select部分的类似
import socket
import select
HOST="0.0.0.0"
PORT=6666

print("server list at port=",PORT)
server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)
server.bind((HOST,PORT))
server.listen(5)

client_dict={}
epoll_obj=select.epoll()
epoll_obj.register(server.fileno(),select.EPOLLIN|select.EPOLLET)

print("waiting client....")
while True:
  #print("waiting client....")
  rl=epoll_obj.poll()
  for fd,event in rl:
    if fd == server.fileno():
       conn,address = server.accept()
	   epoll_obj.register(conn.fileno(),select.EPOLLIN|select.EPOLLET)
       client_dict[conn.fileno()]=conn
       print("receive a connection from client:",address)
    else:
       client=client_dict[fd]
       data=client.recv(1024)
       if not data:
          print("connection close by client,",client.getpeername())
		 epoll_obj.unregister(fd)
          client_dict.pop(fd)
          client.close()
          break
       print("client=",client.getpeername(),"data=",data)
       client.send(data[::-1])
        
server.close()

8. linux网络并发编程

1）模型介绍

父进程实现socket的建立、绑定和监听，当有新的客户端连接请求时，新建立一个子进程与该连接传输数据。

父进程主要工作如下：

1）创建服务端socket并监听；

2）接收客户端连接请求；

3）创建子进程处理请求。

子进程主要工作如下：

1）处理客户端请求并作出应答；

2）每个子进程处理一个客户端请求；

3）当请求较多时创建较多子进程。

2）代码实例

遇到一个新的客户端连接请求，创建一个新的子进程的例子：

即主进程像一个前台，来一个客人，就为该客人分配好一个服务窗口。

import socket
import os
import signal
#HOST="127.0.0.1"
HOST="0.0.0.0"
PORT=6666

def handle_request(conn,addr):
  print("receive a connection from client:",address)
  while True:
      data=conn.recv(100)
      if not data:
        print("connection close by client",address)
        break
      print("address=",address,"data=",data)
      conn.send(data[::-1])
  conn.close()

def handle_sigchld(signum,frame):
  while True:
    try:
      pid,status=os.waitpid(-1,os.WNOHANG) # wait any child do not block
    except OSError:
      return
  print("terminate child pid=",pid)
#---------main--------------------
print("server list at port=",PORT)
signal.signal(signal.SIGCHLD,handle_sigchld) #用信号配合waitpid处理僵尸进程
server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

server.bind((HOST,PORT))
server.listen(10)

while True:
  print("waiting client....")
  conn,address = server.accept()
  pid=os.fork()
  if pid ==0 : #child
    server.close()  #close child copy
	handle_request(conn,address)
    os._exit(0)
  else:   #parent
    conn.close()  # close parent copy and waiting next conn...
    
server.close()

进程池例子：

主进程事先分配好五个服务窗口，客人来到时，由首先抢到客人的服务窗口对客人进行服务。

#进程池的例子
import socket
import os
import signal
HOST="0.0.0.0"
PORT=6666
def handle_request(server):
  while True:
	conn,addr=server.accept() #此处可能导致惊群效应，消耗资源；上面提到的epoll也会有惊群效应
    while True:
	  data=conn.recv(100)
      if not data:
        print("connection close by client",address)
        break
        print("address=",address,"data=",data)
        conn.send(data[::-1])
        
def handle_sigchld(signum,frame):
  while True:
    try:
      pid,status=os.waitpid(-1,os.WNOHANG) # wait any child do not block
    except OSError:
      return
  print("terminate child pid=",pid)
#---------main--------------------
print("server list at port=",PORT)
signal.signal(signal.SIGCHLD,handle_sigchld)
server=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

server.bind((HOST,PORT))
server.listen(10)

print("waiting client....")
for i in range(5):
	pid=os.fork()
    if pid ==0 : #child
      server.close()  #close child copy
	  handle_request()
      os._exit(0)
    
while True:
	pid,status=os.waitpid(-1,0) # wait any child do not block

3）惊群效应的解决（简略）

​ linux新版内核中，在阻塞队列中引入了WQ_FLAG_EXCLUSIVE标识，可以用它来解决惊群问题，基本思路是在进入到阻塞队列的时候给线程加上一个WQ_FLAG_EXCLUSIVE标识，当阻塞事件解除后，唤醒阻塞队列中的线程时，会依次遍历阻塞队列：遍历时如果阻塞队列中的线程没有WQ_FLAG_EXCLUSIVE标识，那就直接唤醒；当遇到第一个带有WQ_FLAG_EXCLUSIVE的线程时，同样去唤醒该线程，然后结束遍历。这样就保证了一次就绪事件发生，就只会唤醒一个WQ_FLAG_EXCLUSIVE标识的线程。

​ accept()的惊群就是这么解决的，因为调用accept()而被阻塞的线程，进入阻塞队列的时候，就会被打上WQ_FLAG_EXCLUSIVE标识，这样当客户端连接请求到来的时候，就只会有一个因accept而阻塞的线程被唤醒，从而避免惊群问题。