C++ POSIX API超详细分析

叫我莫言鸭 2022-11-19 我要评论

1.网络通信

1.消息传递（管道、FIFO、消息队列）

2.同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）

3.共享内存（匿名的和具名的）

使用TCP/IP协议通过socket完成

2.posix API

目的：实现不同系统上的源代码的可移植性。

举例：linux和windows都要实现基本的posix标准，linux把fork函数封装成posix_fork（随便说的），windows把creatprocess函数也封装成posix_fork，都声明在unistd.h里。这样，程序员编写普通应用时候，只用包含unistd.h，调用

3.POSIX网络API

4.函数内部过程解析

4.1 socket套接字创建

int socket(int domain, int type, int protocol);
//参数分别是地址族、 套接字类型和协议
//AF_INET  SOCK_STREAM 可默认为0
//IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等

4.2 bind 绑定端口

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

sockfd：即socket描述字

addr:一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。

struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 0.0.0.0 监听时，监听所有的地址
server_addr.sin_port = htons(port);

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET  协议族*/
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order  端口号*/
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address  IP地址*/
};
/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。但是我认为客户端也可以绑定。

4.3 网络字节序和主机字节序

小端：小字节放前面，大字节放后面
大端：大字节放前面，小字节放后面
转换端口
uint16_t htons(uint16_t hostshort); //主机字节序->网络字节序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort); //网络字节序->主机字节序
转IP
 htonl(uint32_t hostlong);//主机字节序->网络字节序
 ntohl(uint32_t netlong);//网络字节序->主机字节序

4.4 listen监听fd

int listen(fd,size) // 无错返回0，错误返回-1

服务端调用listen()后，开始监听网络上发送给socket的连接请求。

也就是说，开始接收请求了。

4.5 connect发起连接请求

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

4.6 accept()接收请求建立连接

accept()函数只做两件事，将连接请求从全连接队列中取出，给该连接分配一个fd并返回。

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

4.7 消息的发送和接收

read()/write()

recv()/send()

readv()/writev()

recvmsg()/sendmsg()

recvfrom()/sendto()

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); // 目的fd 消息 消息长度
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
              const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

4.8 粘包问题

2个数据包同时被提出，但是由于数据是在一起的，没有办法分离

解决方法：

在包头添加一个数据包长度的字段，标明长度来确定数据包
在包结束后添加分割符，这里注意分割符要选择不经常使用的

注意： 1优于2，因为，添加分割符，需要遍历整个消息来找到分隔符，这样大大影响效率，但是2可以结合1使用。

4.9 close

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

过程分析

1.正常情况下一方调用close情况如下图：

2.当双方同时调用close，如下图:

当同时发送close时，两边同时发送fin 和ack 这时候调用time_wait等待消息发送完毕。

Fin_wait_1作用？

等待对方回复，超时自动重发fin。

Fin_wait_2作用？

等待对方业务逻辑处理后，发送fin包。这里有可能出现死等待的情况服务器如果出现大量的Fin_wait_2可能需要考虑是不是没有close，或者close之前做了耗时操作。time_wait 作用？

防止最后一个ACK没有顺利到达对方，超时重新发送ack。time_wait时常一般是120s可以修改。

服务器掉线重启出现端口被占用怎么办？

其实主要是由于还处于time_wait状态，端口并没有真正释放。这时候可以设置SO_REUSEADDR属性，保证掉线能马上重连。