linux高性能服务器编程

从高到底的协议有：

应用层：ping（使用ICMP）、telnet（使用tcp）、OSPF（使用IP）、DNS（使用UDP）

传输层：TCP、UDP

网络层：ICMP、IP

数据链路层：ARP、RARP

tcpip链接建立断开的状态图：

tcp的头部：

16位的端口号：唯一标志一台主机上的进程

32位的序号：一次tcp通信过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号

32位的确认号：用作对另一方发送来的tcp报文段的响应。其值是收到的tcp报文段的序号值+1

4位头部长度：最大表示15，单位是4字节，头部最长是15*4=60字节

6位标志位：

URG标志：表示紧急指针是否有效

ACK标志：表示确认好是否有效。称携带ACK标志的tcp报文段为确认报文

PSH标志：提示接收端应用进程应该立即从tcp接受缓冲区中读走数据

RST标志：表示要求对方重新建立链接。我们称携带RST标志的tcp报文为复位报文段

SYN标志：表示请求建立一个链接。称携带SYN标志的报文段为同步报文段

FIN标志：表示通知对方本端要关闭了（即不再发送数据了，但是可以接受数据），称携带FIN标志的报文为结束报文段

16位窗口大小：是tcp流量控制的一个手段。这里说的窗口，指的是接收通告窗口（RWND）。它告诉对方本端的tcp接受缓冲区还能容纳多少字节数据，这样对方就可以控制发送数据的速度

16位校验和：校验tcp头部和tcp数据

16位紧急指针：是一个正的偏移量。它和序号字段的值相加表示最后一个紧急数据的下一个字节的序号。即，这个字段是紧急指针相对于当前序号的偏移。

tcp建立链接，三次握手：

客户端请求发起链接：SYN

服务器确认：SYN，ACK

客户端确认：ACK

tcp关闭链接，4次握手：

客户端请求关闭（不再发送数据，但是仍然可以接受数据）：FIN

服务器确认（可以继续向客户端发送数据）：ACK

进入半关闭状态（shutdown函数提供了半关闭状态的支持）

服务器端关闭（不再发送数据）:FIN

客户端确认：ACK

对于链接超时，一般的情况下客户端会自动发起重连，如果重连若干次（一般是5次）仍然失败，那么通知应用程序超时

tcp状态转移总结：

服务器端：

1、服务器通过listen系统调用，进入LISTEN状态

2、服务器受到客户链接请求（同步报文段），旧把该链接放入内核等待队列，并向客户发送携带SYN标志的确认报文，此时该链接进入SYN_RCVD状态。如果此时服务器接收到客户端发来的确认报文，那么该链接就进入ESTABLISHED状态。ESTABLISHED状态是链接双方能够进行双向数据传输的状态。

3、当客户主动关闭链接时（通过close、shutdown发送结束报文），服务器返回确认报文，链接进入CLOSE_WAIT状态。这个状态的含义就是等待服务器进程关闭链接，等服务器发送数据完毕，服务器向客户端发送结束报文（FIN），链接进入LAST_ACK状态，等待客户端对结束报文的最后一次确认。接收到确认之后链接进入CLOSED状态。

客户端：

1、客户端通过connect调用向服务器发起链接请求，发送一个SYN报文，链接进入SYN_SENT状态

2、如果connect链接的目标端口不存在，或者未被监听、或者端口仍然处于TIME_WAIT状态的链接占用，则服务器给客户端发送一个复位报文，connect失败；端口存在，但是超时，connect失败。connect失败，链接进入CLOSED状态。

3、如果connect链接成功，链接进入ESTABLISHED状态（双方开始发送数据）

4、如果客户端汉族动关闭链接，向服务器发送一个FIN报文，链接进入FIN_WAIT_1状态，如果客户端接受到服务器发送过来的FIN确认报文，那么链接进入FIN_WAIT_2状态，当客户端处于FIN_WAIT_2状态时，服务器处于CLOSE_WAIT状态，这个状态就是可能发生半关闭的状态。

5、服务器向客户端发送FIN报文，客户端接受之后向服务器发送确认，链接进入TIME_WAIT状态。此时服务器的状态是LAST_ACK，直到接收到确认。客户端等待2MSL的时间之后进入CLOSED状态。

重点讨论的TIME_WAIT状态：

客户端接受到服务器的FIN报文之后并不直接进入CLOSED状态。而是进入TIME_WAIT状态，等待2MSL的时间，才进入CLOSED状态。MSL的大小是2min。

TIME_WAIT状态存在的原因是：

1、可靠的终止TCP链接：如果客户端确认服务器结束报文（FIN）的报文段丢失，那么服务器就会重发FIN报文，此时客户端要停留在某个状态以处理重复受到的结束报文段（这种处理就是向服务器发送确认报文段）。如果不进入TIME_WAIT而是直接进入CLOSED状态，那么客户端受到重复的FIN报文时，会向服务器发送复位报文段，服务器会认为这是一个错误，这不是它期望的。所以要有TIME_WAIT状态。

2、让迟到的tcp报文段有足够的时间被识别并被丢弃。linux系统上，一个端口不能被打开多次，当一个链接处于TIME_WAIT状态时，我们无法立即使用该端口来建立一个新的链接，这个新的、和原来相似的链接称为原来的链接的化身。新链接可能收到属于旧链接的报文段（例如迟到的数据报文或者重复的FIN报文），这显然不是新链接的的数据，是不应该发生的。

3、另外，因为TCP报文段的最大生存时间是MSL，所以坚持3MSL的时间的TIME_WAIT状态能够确保网络上两个传输方向上尚未被接收到、迟到的报文都已经消失。所以，一个新的链接可以在2MSL之后安全的建立，而绝不会收到属于原来链接的数据。

可以通过socket选项SO_REUSEADDR来强制进程立即使用处于TIME_WAIT状态的端口。

Nagle算法：

它要求tcp链接的通信双方在任意时刻都最多只能发送一个未被确认的tcp报文段，在该报文段的确认未到达之前不能发送其他的tcp报文；另一方面，发送方在等待确认的同时收集本端需要发送的微量数据，并在确认到来时以一个tcp报文将它们全部发出去，这样就能够大大减少网络上微小的tcp报文段的数量。

该算法的另一个优点是其适应性：确认到达越快，数据就发送的越快

带外数据（OOB）：

OOB比普通数据有更高的优先级别。一般tcp中使用紧急指针实现紧急数据传送，OOB的大小只有一个字节，如果你写入了多个字节，那么只有最后一个字节被当作带外数据，其他的数据被当作普通数据。

接受到带外数据的一端必须迅速将带外数据取出，否则会被后来的数据覆盖。接收到带外数据的一段会把带外数据取出存放到一个特殊的缓冲区，如果设置了SO_OOBINLINE选项，那么带外数据将会和普通数据一起存放，此时需要通过紧急指针来识别带外数据

拥塞控制：

包含了四个部分：慢启动、拥塞避免、快速重传、快速恢复

一些概念：SWND发送窗口、RWND接收通告窗口、CWND拥塞窗口，实际的SWND是CWND和RWND中较小的一个

慢启动通常和拥塞避免一起使用：

先成倍的增加窗口大小，到达阈值之后，开始慢慢增长（慢启动）

快速重传和快速恢复通常一起使用：

如果发送端连续收到三个重复的确认报文，就认为拥塞发生了，然后启动快速重传（即立即重传丢失的报文段），然后重新设置阈值大小，从阈值开始慢慢增长窗口（即快速恢复）

网络字节顺序：大端字节顺序

主机字节顺序：目前pc很多都是小端字节顺序

主机字节和网络字节的转换函数：

htol——主机转网络long

htos——主机转网络short

ntol——网络转主机long

ntos——网络转主机short

通用地址结构

soakaddr

协议族和地址族中两者的值完全相同，所以两者常混用

还有一个通用的地址结构：sockaddr_storage,不过用的不是很多

三种地址结构（包括地址和端口）：

unix本地地址：sockaddr_un

ipv4地址：sockaddr_in

ipv6地址：sockaddr_in6

ipv4地址结构中还包含了ipv4的地址：in_addr

ipv6地址结构还包含了ip6的地址：in6_addr

ip字符串和地址之间的转换：

1、字符串转地址：

inet_addr

inet_aton

inet_pton（建议使用这个函数）

2、地址转字符串：

inet_ntoa（不可重入）

inet_ntop（建议使用这个）

地址信息函数：

getsockname（获取本端socket地址）

getpeername（获取远端socket地址）

socket函数中：domain是PF_INET、PF_INET6、PF_UNIX

type是：SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM

protocol是：0

该函数失败返回-1，并设置errno

bind函数：

成功返回0，失败返回-1并设置erron，常见的erron是：EACCES表示没有权限访问该端口；EADDRINUSE表示地址正在被使用

listen函数：

成功返回0，失败返回-1并设置erron值。这个才是真正被动接受客户链接的函数

accpet函数：

失败返回-1，并设置erron值。注意accpet函数只是从监听队列中取出链接，而不论链接处于何种状态，也不关心网络的变化

connect函数：

成功返回0，失败返回-1并设置erron。常见的erron有：ECONNREFUSED，链接被拒绝，一般是端口不存在；ETIMEDOUT，链接超时

shutdown函数：

有3中howto的可选值：SHUT_RD、SHUT_WR、SHUT_RDWR

send和recv函数的flags选项：

flags只对当前send、recv调用有效，如果想一直有效，可以设置套接字选项

recvmsg和sendmsg适用于tcp和udp

recv和send适用于tcp

recvfrom和sendto适用于udp

sockatmark函数判断套接字是否处于带外标记，如果处于表示有带外数据到来

套接选项：

网络信息api：

gethostbyname根据主机名返回主机的完整信息（返回hostent主机信息结构）

gethostbyaddr根据ip返回主机的完整信息（返回hostent主机信息结构体）

getservbyname根据名称获取某个服务的完整信息（返回servent主机信息结构）

getservbyport根据端口号获取某个服务的完整信息（返回servent主机信息结构）

getaddrinfo既能通过主机名获取ip地址又可以通过服务名获取端口号（返回addrinfo结构）

调用之后需要调用freeaddrinfo函数来释放内存

getnameinfo根据socket地址同时获取字符串表示的主机名和服务名

linux的错误码转换成字符串：strerror和gai_strerror

高级io函数

包括：

1、用于创建文件描述符的函数：pipe/socketpair、dup/dup2函数

2、用于读写的函数：redv/writev，sendfile、mmap/munmap、splice和tee函数

3、用于控制io行为和属性的函数：fcntl

pipe函数，用于创建一个管道，函数成功返回0，并得到一对文件描述符；失败返回-1.

父进程从fd0中读取数据，将数据写到fd1中。

sockaetpair函数能够方便的创建双向管道

dup函数用于复制文件描述符，复制得到的文件描述符和原来的文件描述符指向相同的文件，但是文件描述符的值不同

dup2和dup类似，不过它指定将原文件描述符复制为指定的（未被使用）的文件描述符

readv从文件描述符中将数据读取到分散的内存块中，即分散读

writev将多块分散的内存数据一并写到文件描述符中，即集中写

sendfile函数在两个文件描述符之间直接传输数据（完全在内核中操作），效率很高

mmap/mnumap函数用于创建共享内存，将文件映射到内存中，就如同内存数据一样操作文件

splice函数用于两个文件描述符之间移动数据，也是0拷贝操作，效率很高

tee函数在两个管道之间复制数据，0拷贝操作，效率高

fctnl函数对文件描述符提供了各种操作

linux服务器程序规范

一些规范：

1、服务器程序一般以后台进程（也叫守护进程）运行。

2、服务器程序一般有一套日志系统

3、服务器程序一般以某个专门的非root身份运行

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