Linux网络编程II

1.TCP通信并发。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连接

3. 子进程：完成通信，接收一个客户端连接就创建一个子进程用于通信

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 链接中 A 向 B 发送 FIN 请求关闭，另一端 B 回应 ACK 之后（A 端进入 FIN_WAIT_2状态），并没有立即发送 FIN 给 A，A 方处于半连接状态（半开关），此时 A 可以接收 B 发送的数据，但是 A 已经不能再向 B 发送数据。

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how);
    - sockfd: 需要关闭的socket的描述符
    - how: 允许shutdown操作选择以下几种方式：
            - SHUT_RD(0): 关闭sockfd上的读功能，该套接字不再接收数据，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作；
            - SHUT_RDWR(2): 关闭读写功能，相当于调用shut down两次，首先是SHUT_RD，然后是SHUT_WR.
 
1. 使用close()，如果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，也就是所有进程都调用了close，套接字被释放。
2. 使用shutdown()，在多进程中如果一个进程调用了shutdown(sfd, SHUT_RDWR)后，其他进程将无法通信。但如果一个进程close(sfd)将不会影响其他进程。

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，不能被重新使用。
程序突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: 要操作的文件描述符
    - 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: 可以复用
            - 0: 不可以复用
    - optlen: optval参数的大小，sizeof(optval)

5.IO多路复用（多路转接）

IO：对缓冲区的操作
IO多路复用使程序能同时监听多个文件描述符，能够提高程序的性能，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操作时，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作是由内核完成的

在返回时，该函数会告诉进程有多少（哪些）描述符要进行IO操作。
缺点：

每次调用select，都需要把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都需要在内核遍历传递进来的所有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，所有默认表示的是1024位代表1024个文件描述符）
fds集合不能重用，每次需要重置（需要有一个fds集合专门记录需要检测的文件描述符，另外每次需要一个临时的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可以写数据
    - 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);
    - 作用：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);
    - 作用：判断fd对应的标志位是0还是1,
    - 返回值：fd对应的标志位的值
 
void FD_SET(int fd, fd_set *set);
    - 作用：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);
    - 作用：fd_set一共有1024位，初始化所有位为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可以保存需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

每次调用也需要把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
每次调用需要在内核遍历传递进来的所有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，并没有告知是具体哪几个，依然需要程序遍历找出（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: 需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，当检测到需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，检测其中是否有可以进行IO操作的（ 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，红黑树记录需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);
    - 作用：创建一个新的epoll实例。在内核中创建一个数据，包括需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, 无意义；以前底层hashmap实现时需要
    - 返回值：成功返回文件描述符，操作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: 要进行什么操作，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，当检测到需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的工作模式

LT模式（水平触发）

缺省的工作模式，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，然后程序可以对该就绪的fd进行IO操作。如果不进行任何操作，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）

高速的工作模式，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，然后内核会假设程序已经知道文件描述符就绪了，将不再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少了epoll时间被重复处罚的次数，效率比LT模式高。
ET模式下epoll工作必须使用非阻塞套接字接口，并且需要结合循环读取数据的方式，以避免由于一个文件描述符的阻塞读/写操作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模式下对读写操作是否就绪的判断

水平触发

读操作：只要缓冲内容不为空，LT模式返回读就绪。
写操作：只要缓冲区还不满，LT模式返回写就绪。

边沿触发

读操作：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。
写操作：1）缓冲区由非空变为空；2）缓冲区有数据被发走时，即缓冲区内容减少时；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，需要向socket写数据的时候，直接调用write或者send发送数据。如果返回EAGAIN，把socket加入epoll，在epoll的驱动下写数据，全部数据发送完毕后，再移出epoll。

posted @ 2021-08-09 21:14 萌新的学习之路阅读(40) 评论(0) 编辑收藏举报

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