Socket套接字

Posted 2022-06-12 menkeyi

TCP

建立socket参数:

ip协议: AF_INET(ipv4)   或 AF_INET6(ipv6)

传输层协议: TCP(SOCK_STREAM)  或  UDP(SOCK_DGRAM)

Socket 程序函数调用过程

基于 TCP 协议的 Socket

        当服务端有了 IP 和端口号，就可以调用 listen 函数进行监听。在 TCP 的状态图里面，有一个 listen 状态，当调用这个函数之后，服务端就进入了这个状态，这个时候客户端就可以发起连接了。

内核为每个 Socket 维护两个队列：

1. 已经建立了连接的队列，这时候连接三次握手已经完毕，处于 established 状态
2. 还没有完全建立连接的队列，这个时候三次握手还没完成，处于syn_rcvd 的状

      接下来，服务端调用 accept 函数，拿出一个已经完成的连接进行处理。如果还没有完成，就要等着。在服务端等待的时候，客户端可以通过 connect 函数发起连接。先在参数中指明要连接的 IP 地址和端口号，然后开始发起三次握手。内核会给客户端分配一个临时的端口。一旦握手成功，服务端的 accept就会返回另一个 Socket。

       监听的 Socket 和真正用来传数据的 Socket 是两个，一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

       连接建立成功之后，双方开始通过 read 和 write 函数来读写数据，就像往一个文件流里面写东西一样。
这个图就是基于 TCP 协议的 Socket 程序函数调用过程。

      在内核中，Socket 是一个文件，那对应就有文件描述符。每一个进程都有一个数据结构 task_struct，里面指向一个文件描述符数组，来列出这个进程打开的所有文件的文件描述符。文件描述符是一个整数，是这个数组的下标。
       这个数组中的内容是一个指针，指向内核中所有打开的文件的列表。既然是一个文件，就会有一个inode，只不过 Socket 对应的 inode 不像真正的文件系统一样，保存在硬盘上的，而是在内存中的。
       在这个 inode 中，指向了 Socket 在内核中的 Socket 结构。在这个结构里面，主要的是两个队列，一个是发送队列，一个是接收队列。在这两个队列里面保存的是一个缓存 sk_buff。这个缓存里面能够看到完整的包的结构。

UDP

       UDP 是没有连接的，所以不需要三次握手，也就不需要调用 listen和 connect，但是，UDP 的的交互仍然需要 IP 和端口号，因而也需要 bind。UDP 是没有维护连接状态的，因而不需要每对连接建立一组 Socket，而是只要有一个 Socket，就能够和多个客户端通信。也正是因为没有连接状态，每次通信的时候，都调用 sendto 和 recvfrom，都可以传入 IP 地址和端口。

基于 UDP 协议的 Socket 程序函数调用过程

如何提高服务器并发

         服务端最大并发 TCP 连接数远不能达到理论上限。首先主要是文件描述符限制，Socket 都是文件，所以首先要通过 ulimit 配置文件描述符的数目；另一个限制是内存，按上面的数据结构，每个 TCP 连接都要占用一定内存，操作系统是有限的。

方式1  多进程

      Linux 下，创建子进程使用 fork 函数。通过名字可以看出，这是在父进程的基础上完全拷贝一个子进程。在 Linux 内核中，会复制文件描述符的列表，也会复制内存空间，还会复制一条记录当前执行到了哪一行程序的进程。显然，复制的时候在调用 fork，复制完毕之后，父进程和子进程都会记录当前刚刚执行完 fork。这两个进程刚复制完的时候，几乎一模一样，只是根据 fork 的返回值来区分到底是父进程，还是子进程。如果返回值是 0，则是子进程；如果返回值是其他的整数，就是父进程。

进程复制过程:

       因为复制了文件描述符列表，而文件描述符都是指向整个内核统一的打开文件列表的，因而父进程刚才因为 accept 创建的已连接 Socket 也是一个文件描述符，同样也会被子进程获得。
      接下来，子进程就可以通过这个已连接 Socket 和客户端进行互通了，当通信完毕之后，就可以退出进程，fork结束后返回子进程ID 父进程可以通过这个 ID 查看子进程是否完成项目，是否需要退出。

方式2 多线程

      Linux 下，通过 pthread_create 创建一个线程，也是调用 do_fork。不同的是，虽然新的线程在task 列表会新创建一项，但是很多资源，例如文件描述符列表、进程空间，还是共享的，只不过多了一个引用而已。

新的线程也可以通过已连接 Socket 处理请求，从而达到并发处理的目的

IO 多路复用，一个线程维护多个 Socket

        Socket 是文件描述符，因而某个线程盯的所有的 Socket，都放在一个文件描述符集合 fd_set 中，这就是项目进度墙，然后调用 select 函数来监听文件描述符集合是否有变化。一旦有变化，就会依次查看每个文件描述符。那些发生变化的文件描述符在 fd_set 对应的位都设为 1，表示 Socket 可读或者可写，从而可以进行读写操作，然后再调用 select，接着盯着下一轮的变化。

IO 多路复用 epoll

        select 函数还是有问题的，因为每次 Socket 所在的文件描述符集合中有 Socket 发生变化的时候，都需要通过轮询的方式，也就是需要将全部项目都过一遍的方式来查看进度，这大大影响了一个项目组能够支撑的最大的项目数量。因而使用select，能够同时盯的项目数量由 FD_SETSIZE 限制。

      如果改成事件通知的方式，情况就会好很多，项目组不需要通过轮询挨个盯着这些项目，而是当项目进度发生变化的时候，主动通知项目组，然后项目组再根据项目进展情况做相应的操作。能完成这件事情的函数叫 epoll，它在内核中的实现不是通过轮询的方式，而是通过注册 callback 函数的方式，当某个文件描述符发送变化的时候，就会主动通知。

         如图所示，假设进程打开了 Socket m, n, x 等多个文件描述符，现在需要通过 epoll 来监听是否这些Socket 都有事件发生。其中 epoll_create 创建一个 epoll 对象，也是一个文件，也对应一个文件描述符，同样也对应着打开文件列表中的一项。在这项里面有一个红黑树，在红黑树里，要保存这个 epoll要监听的所有 Socket。

       当 epoll_ctl 添加一个 Socket 的时候，其实是加入这个红黑树，同时红黑树里面的节点指向一个结构，将这个结构挂在被监听的 Socket 的事件列表中。当一个 Socket 来了一个事件的时候，可以从这个列表中得到 epoll 对象，并调用 call back 通知它。
      这种通知方式使得监听的 Socket 数据增加的时候，效率不会大幅度降低，能够同时监听的 Socket 的数目也非常的多了。上限就为系统定义的、进程打开的最大文件描述符个数。因而，epoll 被称为解决C10K 问题的利器。