技術系列之網路模型（一）基礎篇

全文針對linux環境。tcp/udp兩種server種，tcp相對較複雜也相對比較常用。本文就從tcp server開始講起。先從基本說起，看一個單執行緒的網路模型，處理流程如下：

socket-->bind-->listen-->[accept-->read-->write-->close]-->close

[]中程式碼迴圈執行，[]外的是對監聽socket的處理，[]內的是對accept返回的客戶socket的處理。這些系統呼叫的引數以及需要的標頭檔案等，只需要在linux下man就好。

一、注意事項。
（1）包裹巨集使用。這些系統呼叫返回-1表示失敗。檢測系統呼叫的返回值是個好習慣，應該說必須檢測，如果系統呼叫總是成功的話，它為何又要有返回值呢？。每次檢查的話，程式碼寫起來又很是羅唆，並且容易遺漏檢測。使用巨集包裹系統呼叫或者使用包裹函式是不錯的方案。下面給出幾個預定義包裹巨集：

#define NOERROR_FUNC(func,opt) if((func)<0) /

{ /

printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",__LINE__,errno,strerror(errno)); /

opt; /

}

#define NOERROR_FUNC_1(func) NOERROR_FUNC(func,return -1)

#define NOERROR_FUNC_NULL(func) NOERROR_FUNC(func,return NULL)

不知道strerror？，剛說了，去linux下:man strerror
以後使用就可以類似於這樣：

NOERROR_FUNC_1（(fd

=socket(AF_INET,SOCKET_STREAM,0)));

NOERROR_FUNC_1(bind(fd,(struct sockaddr *)&serverAddr,sizeof(struct sockaddr_in)));

(2)不能返回失敗的錯誤。大多數阻塞式系統呼叫要處理EINTR錯誤，另accept還要處理ECONNABORTED。與（1）同樣道理，預定義巨集如下：

#define NOERROR_FUNC_BUT_ERR(func,opt,err,erropt) if((func)<0) /

{ /

printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",

__LINE__,errno,strerror(errno)); /

if(errno==err) { erropt;} /

else {opt;} /

}

#define NOERROR_FUNC_BUT_ERR_2(func,opt,err1,err2,erropt) if((func)<0) /

{ /

printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",__LINE__,errno,strerror(errno)); /

if(errno==err1||errno==err2) { erropt;} /

else {opt;} /

}

呼叫accept的程式碼就可以如此寫：

while(1)

{

client_sockfd=accept(fd,(struct sockaddr *)&clientAddr,&lenAddr);

NOERROR_FUNC_BUT_ERR_2(client_sockfd,retun -1,EINTR,ECONNABORTED,continue);

（3）涉及到系統呼叫分兩類：從使用者態到核心態，該類系統呼叫使用值引數，有：bind/setsockopt/connect；從核心態到使用者態,該類系統呼叫使用值－結果引數，有：accept/getsockopt。
看下兩者函式原型，從使用者態到核心態：

int setsockopt(int s, int level, int optname, constvoid*optval, socklen_t optlen);

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);

int bind(int sockfd,struct sockaddr *Addr,socklen_t addrlen);

從核心態到使用者態：

int getsockopt(int s, int level, int optname, void*optval, socklen_t *optlen);

int accept(int sockfd,struct sockaddr *Addr,socklen_t *addrlen);

看最後一個引數，從使用者態到核心態只要告訴核心引數長度的值就可以了，因此是值方式。從核心態到使用者態，要事先準備好變數儲存核心態返回的結果長度值，因此是指標方式，稱之為值－結果引數。

二、系統呼叫
（1）socket建立一個ipv4的tcp socket
（2）bind
把socket繫結到一個地址，首先要指明地址，如下：

int fd;
NOERROR_FUNC_1(fd=socket(AF_INET,SOCKET_STREAM,0));

struct sockaddr_in addr;

addr.sin_family=AF_INET;//協議型別

addr.sin_port=htons(5000);//埠地址

addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);//此處表示任意ip（主機有多個網絡卡，則將環路地址127.0.0.1以及各網絡卡ip都指定）。

NOERROR_FUNC_1(bind(fd,(struct sockaddr *)addr,sizeof(struct sockaddr_in)));

建立ipv4協議的地址，使用5000埠，接收任何地址的connect，把該地址和fd繫結。
注意：
1、地址宣告的時候使用struct sockaddr_in，使用的時候總是強制轉化為struct sockaddr。
2、struct sockaddr_in結構中埠和ip都必須是網路序。htons把主機序的short int轉化為網路序，htonl把主機序的long int轉化為網路序。
3、除任意ip地址為常量外，一般習慣用點分字串表示ip地址，而addr.sin_addr.s_addr要使用網路序整型。
因此有兩個函式可以在字串和網路序ip地址之間做轉換：

constchar*inet_ntop(int af, constvoid*src,char*dst, socklen_t cnt);

int inet_pton(int af, constchar*src, void*dst);

這裡是需要網路序，因此使用ton（to net）那個函式，比如：

NOERROR_FUNC_1（inet_pton(AF_INET,"172.168.0.45", &addr.sin_addr.s_addr));

（3）setsockopt

long val;

socklen_t len=sizeof(val);

NOERROR_FUNC_1(setsockopt(fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&(val=1),len));

給socket設定選項，常用的不多，SO_REUSEADDR是一個，伺服器一般使用，其它還有SO_RCVBUF，SO_SNDBUF。accept返回的對端socket繼承監聽socket的傳送快取、接收快取選項。一般也不需要設定SO_RCVBUF，SO_SNDBUF，預設的足夠了，頻寬很大的情況下，需要設定，以免其稱為瓶頸，貌似預設的是8092位元組。哦，還有要在listen前設定。
（4）listen把fd從主動埠變為被動埠，等待client connect。第二個引數是表示三次握手中佇列以及完成了三次握手等待accept系統函式來取的佇列的相加值，有的系統不是簡單相加，還有一個係數，也就是如果設定5，係數是2，那麼兩個佇列的和就是10。如果佇列滿，而accept沒來取（很忙的情況下，來不及呼叫accept），再有連線來就會被拒絕掉，要想系統能處理超大爆發的連線，就加大這個引數值，加快accept的處理。SOMAXCONN表示取系統允許的最大值。
（5）accept
前面已經舉例了，這裡就不再列例子了。
阻塞式呼叫，需要處理EINTR（被訊號終止），ECONNABORTED（返回前client異常終止），處理的方式就是重新accept。
（6）read這是針對檔案描述符的一個系統呼叫，socket也屬於檔案描述符。tcp協議中傳輸的資料都是流位元組，沒有什麼結束符的標誌，只能由協議提供結束方式，比如http協議使用"/r/n/r/n"或者"/n/n"標識一條信令結束，這樣的話，我們只能一個位元組一個位元組的讀取，然後結合已經讀取的位元組，判斷是否應該結束讀。而網路模型中要提高效能，一個重要方面就是要減少系統呼叫的次數。因此tcp中都要使用快取區一次讀取儘可能多的資料，然後再從該快取區一個位元組一個位元組的讀取，快取區資料被讀完而沒有到結束位置的時候，再次呼叫系統呼叫read。
返回值為0表示對端正常關閉，大於0表示讀取到的位元組數。示例見最後例子。
（7）write兩個需要注意的地方：
1、對EINTR處理。防止被訊號中斷，沒有正確寫入需求的字元數。
2、signal(SIGPIPE, SIG_IGN);這句程式碼的意思是忽略SIGPIPE訊號。
write寫被重置（對端意外關閉）的套介面，產生SIGPIPE訊號，不處理的話程式被終止。忽略的話，繼續寫會產生EPIPE錯誤，檢查write系統呼叫的返回結果就好了。示例見最後例子。
signal的使用，man下就看到了，回撥函式的原型等都有，SIG_IGN也會出現，呵呵。
（8）close就不說了
（9）fcntl
要對socket設定為非阻塞方式，setsockopt沒有提供相應的選項，只能用fcntl函式設定。

NOERROR_FUNC_1(listen(fd,SOMAXCONN));

int read(int fd,char*buf,size_t len);

int write(int fd,char*buf,size_t len);

int flags;

NOERROR_FUNC_1（flags=fcntl(client_sockfd,F_GETFL,0)）；

NOERROR_FUNC_1（fcntl(client_sockfd,F_SETFL,flags|O_NONBLOCK)）;

多路分離I/O(select/poll/epoll)通常設定為非阻塞方式。
設定為阻塞方式（預設方式）程式碼：

int flags;

NOERROR_FUNC_1（flags=fcntl(client_sockfd,F_GETFL,0)）；

NOERROR_FUNC_1（fcntl(client_sockfd,F_SETFL,flags&~O_NONBLOCK)）;

對於阻塞方式的套介面，如果要避免read write永遠阻塞，設定等待時間的方式有3種：訊號方式，不推薦，不說了；select方式，每次呼叫read前呼叫select監視該套介面是否在指定時間內可寫，超時select返回0，這樣每次執行read都要呼叫兩個系統呼叫，不推薦；最後就是設定套介面選項SO_RECVTIMEO和SO_SNDTIMEO,其實這個也不推薦，總之不推薦阻塞式的方式，呵呵。實用的網路模型都是多路分離的。
非阻塞方式下的connect函式要說下，當然是就客戶端而言，connect後如果沒有立即返回連線成功的話，把這個socket加入select的 fd_set(poll的pollfd，epoll的EPOLL_CTL_ADD操作),要監視是否可寫事件，可寫的時候用getsockopt獲取SO_ERROR選項，如果非負（其實就是0值）就標示connect成功，否則就是失敗。EPOLL中測試結果是connect失敗的返回事件是EPOLLERR|EPOLLHUP,並不是加入時的EPOLLOUT，成功的時候是EPOLLOUT。

三、示例
最後給個單執行緒的伺服器，雖說沒什麼實用意義，不過就象“hello world!”，入門第一課。
這個例子，讀取資料，回寫response，關閉clientfd。不管read write是否出錯，都執行close，因此程式碼很簡單。
先來main函式：

int main()

{

int server_sockfd;

int client_sockfd;

struct sockaddr_in serverAddr;

struct sockaddr_in clientAddr;

size_t lenAddr;
int val;

memset(&serverAddr,0,sizeof(serverAddr));

serverAddr.sin_family=AF_INET;

serverAddr.sin_port=htons(5000);

serverAddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);

NOERROR_FUNC_1((server_sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)));

NOERROR_FUNC_1(setsockopt(server_sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&(val=1),sizeof(val)));

NOERROR_FUNC_1(bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&serverAddr,sizeof(struct sockaddr_in)));

NOERROR_FUNC_1(listen(server_sockfd,SOMAXCONN));

conststaticchar* response="HTTP/1.1 200 OK/r/n/r/n";

char buf[BUF_LEN];

signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

while(1)

{

client_sockfd=accept(server_sockfd,(struct sockaddr *)&clientAddr,&lenAddr);

NOERROR_FUNC_BUT_ERR_2(client_sockfd,return-1,EINTR,ECONNABORTED,continue);

BuffCache cache;

if(read_double_enter(client_sockfd,buf,BUF_LEN,&cache)>0)

writen(client_sockfd,response,19);

close(client_sockfd);

}

close(server_sockfd);

return0;

}

下面是包含的標頭檔案和巨集：

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <stdio.h>

#include <errno.h>

#include <signal.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <stdarg.h>

#define NOERROR_FUNC(func,opt) if((func)<0) /

{ /

printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",__LINE__,errno,strerror(errno)); /

opt; /

}

#define NOERROR_FUNC_BUT_ERR(func,opt,err,erropt) if((func)<0) /

{ /

printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",__LINE__,errno,strerror(errno)); /

if(errno==err) { erropt;} /

else{opt;} /

}

#define NOERROR_FUNC_BUT_ERR_2(func,opt,err1,err2,erropt) if((func)<0) /

{ /

printf("Line[%d] error[%d:%s]/n",__LINE__,errno,strerror(errno)); /

if(errno==err1||errno==err2) { erropt;} /

else{opt;} /

}

#define NOERROR_FUNC_1(func) NOERROR_FUNC(func,return-1)

#define NOERROR_FUNC_NULL(func) NOERROR_FUNC(func,return NULL)

#define BUF_LEN 1024

下面是快取區和讀寫程式碼：

class BuffCache

{

public:

BuffCache():count(0){}

int read_socket(int fd,char* pCh)

{

if(count<=0)

{

again:

if((count=read(fd,buf,BUF_LEN))<0)

{

if(errno==EINTR)

goto again;

*pCh='/0';

return-1;

}

elseif(count==0)

{

*pCh='/0';

return0;

}

ptrBuf=buf;

}

count--;

*pCh=*(ptrBuf++);

return1;

}

private:

char buf[BUF_LEN];

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