網路編程中的關鍵問題總結

来源:http://www.cnblogs.com/me115/archive/2015/12/31/5092091.html
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網路編程中的關鍵問題總結總結下網路編程中關鍵的細節問題，包含連接建立、連接斷開、消息到達、發送消息等等；連接建立包括服務端接受 (accept) 新連接和客戶端成功發起 (connect) 連接。 accept接受連接的問題在本文最後會聊到，這裡談談connect的關鍵點； 使用非阻塞連接建...


網路編程中的關鍵問題總結

總結下網路編程中關鍵的細節問題，包含連接建立、連接斷開、消息到達、發送消息等等；

連接建立

包括服務端接受 (accept) 新連接和客戶端成功發起 (connect) 連接。
accept接受連接的問題在本文最後會聊到，這裡談談connect的關鍵點；
使用非阻塞連接建立需要註意：
connect/select返回後，可能沒有連接上；需要再次確認是否成功連接；

步驟為：

  1. 使用非同步connect直接連接一次，因為使用了非阻塞，函數立刻返回；
  2. 檢查返回值，為0成功連接，否則加入到select/epoll中監控；
  3. 當有寫事件時，連接成功；當即可讀又可寫時，可能是有錯誤或者連接成功後有數據已經發過來；所以，此時，需要用getsockopt()讀取socket的錯誤選項，二次確認是否真的連接成功: 
Fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
error = 0;
if ( (n = connect(sockfd, saptr, salen)) < 0)
    if (errno != EINPROGRESS)
        return(-1);

/* Do whatever we want while the connect is taking place. */
if (n == 0)
    goto done;    /* connect completed immediately */

if ( (n = Select(sockfd+1, &rset, &wset, NULL,
                 nsec ? &tval : NULL)) == 0) {
    close(sockfd);        /* timeout */
    errno = ETIMEDOUT;
    return(-1);
}

if (FD_ISSET(sockfd, &rset) || FD_ISSET(sockfd, &wset)) {
    len = sizeof(error);
            //二次確認是否真的連接成功
    if (getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, &len) < 0)
        return(-1);            /* Solaris pending error */
} else
    err_quit("select error: sockfd not set");

連接斷開

包括主動斷開 (close 或 shutdown) 和被動斷開 (read 返回 0)。

當打算關閉網路連接時，如何能知道對方已經發送了數據自己還沒有收到？
在TCP層面解決：主動關閉的時候只使用半關閉shutdown(), 這樣，服務端這邊之時關閉了寫端，還可以正常讀；客戶端收到關閉的信號後（read返回0），會再調用shutdown關閉整個連接；
在應用層面解決：雙方通過某個標記協商，在標記之後不再讀寫數據，這樣就可以完全的關閉連接了；

關閉連接時需要註意的：
是否還有未發送的數據，需要保證應用緩衝區中的數據都發送完畢之後再關閉緩衝區；
TCP緩存區不用我們考慮，因為在調用shutdown或close的時候，TCP的實現是會將TCP的發送緩衝區中的數據都發送出去，然後再發送FIN報文(也可能是組合成一個報文發送）；

消息到達

消息到達是最重要的事件；對它的處理決定了網路編程的風格:是阻塞還是非阻塞、分包的處理、應用層的緩衝如何設計等等；

處理分包

所謂分包，就是在一個個位元組流消息中如何區分出一個個消息來；
常見的分包方法有：

  1. 固定長度；
  2. 特殊的結尾符，比如字元串的\0，或者回車換行等；
  3. 固定的消息頭中指定後續的消息的長度，然後跟上一個消息體內容；
  4. 使用協議本身的格式，比如json格式頭尾配對（XML也一樣）；

位元組序轉換註意位元組對齊

如果傳輸的是二進位類型，在位元組流的緩存區中直接強轉可能core dump；因為有的系統訪問地址需要位元組對齊，不能在任意地址上訪問二進位類型（如整形），合理的方式是將其copy到一個本地變數中，然後再做位元組序的轉換：

int32_t peekInt32() const
{
    assert(readableBytes() >= sizeof(int32_t));
    int32_t be32 = 0;
    ::memcpy(&be32,readerIndex_, sizeof(be32) );
    return be32toh(be32);
}

應用層緩存區的實現

數據到達時處理需要註意：
socket讀事件來到，必須一次將所有的數據都讀完，否則會造成一直有可讀事件，造成busy-loop；讀到的數據當然就需要有個應用層的緩衝區來存放；
因為應用的緩存區是有限的，可以預設設置一個大小，比如2kb，或者根本就不設置初始大小，用多少分配多少；muduo中使用的是vector 來作為緩存區，可以動態增長；

muduo buffer使用的技巧：
buffe採用了vector自動增長的數據結構；
從系統內核中調用的時候，在應用層需要有足夠大的緩衝區，最好能一次將系統recv到的緩衝區給讀空，一次系統調用就搞定一切事情；
而應用緩衝區考慮到有很多個併發的可能，針對每個連接一次都分配較大的緩衝區浪費嚴重，陳碩推薦使用readv一次讀入到兩個地址中，首先將第一個地址填滿，如果還有更多數據，就寫入到臨時緩衝區中，然後append到應用緩衝區；

讀的時候使用readv，局部使用一個足夠大的額外空間（64KB），這樣，一次讀取就足以將socket中的緩存區讀空（一般不會超過64K，tcp buffer如果確實要設置大的緩存區，需要調整系統參數）；如果數據不多，可能內部buffer就裝下了，沒有額外操作，否則，多的數據讀到了外部的緩存區，再append到內部緩存區：

ssize_t Buffer::readFd(int fd, int* savedErrno)
{
  // saved an ioctl()/FIONREAD call to tell how much to read
  char extrabuf[65536];
  struct iovec vec[2];
  const size_t writable = writableBytes();
  vec[0].iov_base = begin()+writerIndex_;
  vec[0].iov_len = writable;
  vec[1].iov_base = extrabuf;
  vec[1].iov_len = sizeof extrabuf;
  // when there is enough space in this buffer, don't read into extrabuf.
  // when extrabuf is used, we read 128k-1 bytes at most.
  const int iovcnt = (writable < sizeof extrabuf) ? 2 : 1;
  //只有一次系統調用：這裡的實現比較巧妙
  const ssize_t n = sockets::readv(fd, vec, iovcnt);
  if (n < 0)
  {
    *savedErrno = errno;
  }
  else if (implicit_cast<size_t>(n) <= writable)
  {
    writerIndex_ += n;
  }
  else
  {
    writerIndex_ = buffer_.size();
    append(extrabuf, n - writable);
  }
  // if (n == writable + sizeof extrabuf)
  // {
  //   goto line_30;
  // }
  return n;
}

發送消息

網路編程中數據發送比數據接受要難處理；
數據的接收，只需要peek足夠的數據後，就可以從應用緩衝區接收出來，然後處理；而數據的發送，還需要考慮對方接受緩慢的情況，導致tcp發送緩衝區累積，最終導致應用緩衝區累積；

舉個例子：某客戶端對echo伺服器只發送，但故意不接收；
客戶端如果只是發送，但從不接收的話，那麼這邊發送過去的報文，首先會導致客戶端的tcp接收緩衝區滿，然後通過ack報文告訴伺服器端，這邊的滑動視窗為0了，不能再發了；後續客戶端發送的報文就把伺服器端TCP發送緩衝區積滿，然後累積應用層的發送緩衝區（因為是非阻塞），最終導致服務端的應用緩存區滿或者記憶體撐爆；

需要發送數據的時候，優先直接調用write()發送，如果發送不成功，或沒有全部發送完畢，才加入到發送緩存區,等待可寫事件到來後發送；
直接調用write()發送數據時，需要先將本次需要發送的數據添加到緩存區，然後發送緩存區，不可直接發送本次數據（因為緩存區中可能有遺留的數據未發送完）

void TcpConnection::handleWrite()
{
  loop_->assertInLoopThread();
  if (channel_->isWriting())
  {
      //註意，這裡只調用了一次write,而沒有反覆調用write直到出現EAGAIN錯誤，
      //原因是如果第一次調用沒有發送完全部的數據，第二次調用幾乎肯定是EAGAIN錯誤，
      //因此這裡減少了一次系統調用，這麼做不影響正確性，卻能夠降低系統時延
    ssize_t n = sockets::write(channel_->fd(),
                               outputBuffer_.peek(),
                               outputBuffer_.readableBytes());
    if (n > 0)
    {
      outputBuffer_.retrieve(n);
      if (outputBuffer_.readableBytes() == 0)
      {
          //如果發送緩存區為空，不再關註寫事件，避免 busy loop 
        channel_->disableWriting();
        //如果還有寫完成之後的回調，加入待執行回調隊列
        if (writeCompleteCallback_)
        {
          loop_->queueInLoop(boost::bind(writeCompleteCallback_, shared_from_this()));
        }
        //如果此時正在關閉，調用shutdownInLoop 繼續執行關閉過程
        if (state_ == kDisconnecting)
        {
          shutdownInLoop();
        }
      }
    }
    else
    {
      LOG_SYSERR << "TcpConnection::handleWrite";
      // if (state_ == kDisconnecting)
      // {
      //   shutdownInLoop();
      // }
    }
  }
  else
  {
    LOG_TRACE << "Connection fd = " << channel_->fd()
              << " is down, no more writing";
  }
}

消息發送完畢

對於低流量的服務，可以不必關心這個事件；另外，這裡“發送完畢”是指將數據寫入操作系統的緩衝區，後續由 TCP 協議棧負責數據的發送與重傳，不代表對方已經收到數據。

其它問題

IO multiplexing 是否可以配合阻塞套接字使用？

一般都配合非阻塞socket使用，如果使用阻塞IO，可能在讀寫事件上阻塞當前線程，造成無法繼續處理已經就緒的事件；
初學網路編程可能都會有這個想法，select返回後，如果是讀事件，那麼這時候tcp讀緩衝區肯定是有數據，這時即使使用阻塞套接字來read，應該也不會阻塞；但這樣忽略了一個點，緩衝區確實是有數據，但是很可能到達的數據並不滿足你要求讀的數據大小，這樣read調用還是會阻塞，直到有足夠的數據才返回；
那麼，對於數據讀不可以，對accept()總可以吧，連接事件返回，一般都是有新用戶接入，這時候阻塞的accept()應該總是能夠返回；但在某些情況下，可能對方剛連接上就斷開了，並給服務端發送了一個RST請求，造成服務端這邊將已經就緒的連接請求又移除了，這樣的場景下，select返回，但是accept卻無法獲取新的連接，造成阻塞，直到下一個連接請求到來；(這方面的例子詳見《UNIX網路編程捲1：套接字聯網API》16.6節非阻塞accept() )
所以任何時候，IO multiplexing都需要配合非阻塞IO使用；

零拷貝的實現

對於內核層的實現，底層調用的是系統調用sendFile()方法；
zerocopy技術省去了將操作系統的read buffer拷貝到程式的buffer, 以及從程式buffer拷貝到socket buffer的步驟, 直接將 read buffer 拷貝到 socket buffer；
image
詳見：http://www.cnblogs.com/zemliu/p/3695549.html

應用層上的實現，對於自定義的結構，一般是交換內部指針（使用C++11，可以使用move操作來實現高效交換結構體）
如果是vector等結構，使用其成員函數swap()就能達到高效的交換（類似C++11中的move操作）；
例如muduo中buffer實現：通過swap實現了緩存區的指針交換，從而達到數據交換的目的，而不用拷貝緩衝區；

void swap(Buffer& rhs)
{
    buffer_.swap(rhs.buffer_); // std::vector<char> buffer_;
    std::swap(readerIndex_, rhs.readerIndex_);
    std::swap(writerIndex_, rhs.writerIndex_);
}

epoll使用LT

epoll使用是LT而非ET，原因如下：

  1. LT編程方便，select的經驗都可同樣適用；
  2. 讀的時候只需要一次系統調用，而ET必須讀到EAGAIN錯誤；減少一次系統調用，降低時延；

一般認為 edge-trigger 模式的優勢在於能夠減少 epoll 相關係統調用，這話不假，但網路服務程式里可不是只有 epoll 相關係統調用，為了繞過餓死問題，edge-trigger 模式下用戶要自行進行 read/write 迴圈處理，這其中增加的系統調用和減少的 epoll 系統調用加起來，總體性能收益究竟如何？只有實際測量才知道，無法一概而論。為了降低處理邏輯複雜度，常用的事件處理庫大部分都選擇了 level-trigger 模式（如 libevent、boost::asio、muduo等）

參考

《UNIX網路編程捲1：套接字聯網API》
《Linux多線程服務端編程：使用muduo網路庫》

Posted by: 大CC | 31DEC,2015
博客：blog.me115.com [訂閱]
Github：大CC


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