陈硕《网络编程实战》01 网络编程概要
陈硕《网络编程实战》
01 网络编程概要
站在巨人的肩膀之上。
按照录像整理，部分专有名词不太肯定，版权归陈硕大神。
大家好，我是陈硕，受邀讲授一门有关网络编程的在线课程，这门课程的名称是《网络编程实战》，主要通过讲解十多个例子，展示网络编程的一些常用技法。
《UNIX网络编程》是理查德.斯蒂文斯的传世之作，本课程认为你已经大致读过本书，具备基本的TCP/IP知识，例如IP地址端口号等等，而且用Sockets API 写过echo Sever 这样简单的网络程序，这是这门课程的前提条件。
本课程针对的是 Linux 系统，使用 C++、Python、Go 几门语言，其中 C++ 用的最多。
理查德.史蒂文斯在1990年出版了《UNIX网络编程》的第一版，之后他写了《UNIX环境高级编程》和《TCP/IP详解》 三卷本。
然后他开始写《UNIX网络编程》第二版，原计划分三卷出版：
第一卷讲网络编程API，1998年出版，这本书主要讲的是Sockets APIs，他也讲了现在已经淘汰了的XTI，这个不去谈它；
第二卷其实和网络编程关系不大，主要讲进程间通信，1999年出版，你可以认为是讲多进程和多线程的并发编程，这两本书都是用 C 语言；
第三卷最令人期待的一本书，讲网络编程的应用，可惜，理查德.斯蒂文斯1999年9月1号不幸去世，本书就没有下文了。
当然了，我这门课程不是想续上《UNIX网络编程》第三卷，而是补充一些实际的编程例子，帮助读者更好地掌握《UNIX网络编程》第一卷的内容。
我认为，《UNIX网络编程》第一卷有两样东西强调的不够：
第一个是消息格式的处理，特别是在非阻塞IO下如何正确的处理TCP分包这个没有讲到。
第二个呢，是这本书讲授的并发模型稍显陈旧，高并发服务往往采用事务驱动加非阻塞IO的办法，这是传统的，在《UNIX网络编程》中，分量不足，只有一章，而有一本书专门讲这方面内容，是叫《面向模式的软件架构》第二卷，讲各种并发模型，因此本门课程也会参考这本书，这本书是2000年出版的。
《UNIX网络编程》第三版是由另外一个人续写的，在2003年出版，如果你要去买书的话，可以考虑买他的第三版。
本课程名为《网络编程实战》，有十多个代码示例，而且会分析代码背后的道理，这门课程主要针对服务端的 TCP 网络编程，基本不涉及客户端，也就不涉及图形用户界面、APP等等。但会讲TCP客户端，但不是那种很用户交互的客户端，只会略微提到UDP，会讲UDP和TCP编程的巨大区别，特别在处理并发方面的手法是完全不同的。
一说起网络编程，很多人就往高性能上想，而这门课程强调的是可以测量的性能，测不出来的性能指标是没有意义的，还有呢，我想避免那种基于猜测、猜想的优化，因为我发现有些优化，除了让代码变得更复杂而难以维护之外，对性能没有实质的提升，网络编程有很多以讹传讹的讲究，在一些中文论坛上面看出来，比如民间传说要尽量减少动态内存分配，使用STL更是罪大恶极，但是你知道Linux内核，从网卡收到一个数据包到经过协议栈把数据传给应用程序，这个过程中一共会分配释放多少次内存呢？
你知道网络是分层的，一般程序员关注四层：以太网层，IP层、传输层和应用层。
我们在谈几层的时候，术语要准确，以太网 Frame 叫帧，IP Packet 叫分组，TCP segment叫分节，应用层通常我们谈消息（message），注意“IP的分组”和“IP的分片”是两个事情，一般我们不用管IP分片。
网络编程是一个入门容易精通难的事情，初学者有一些常见的错误，这里列了一些，在后面的课程中还会具体的结合例子来讲，这里先大致提一下：
一个是《UNIX网络编程》的示例代码，往往把网络IO和业务逻辑穿插在一起，这固然比较容易写出紧凑易读的代码，但是在大型项目中，这种做法的可维护性比较低，因为不是每个人都那么精通网络编程的方方面面的细节，如果他熟悉业务逻辑，那他在写业务逻辑的时候，可能一不小心就引入网络编程方面的Bug，应该是尽量避免在网络编程中把和Socket API 打交道代码和业务逻辑穿插在一起。
第二个呢，也是中文论坛上，长期出现的项目，有人说TCP不可靠，收到的数据不完整，这个话题以后我还会专门讲，主要是涉及TCP连接断开的时机与条件，Close太早的话，有可能导致协议栈发送RST分节，将连接重置，数据自然就收不完了，在阻塞编程中可以使用SO_LINGER这个选项，在非阻塞SO_LINGER这个选项没用，我们现在从应用层的协议上入手解决问题，你在设计应用层协议的时候，把TCP连接的断开，要放到协议设计的考虑当中去。
第三个呢，TCP是一个字节流协议，他保证字节按顺序到达，但不保留消息的边界，因为对于TCP本身来说没有消息概念，就说你发送一堆的数据过去。那么，TCP我们检测程序的一个办法，就是如果他一个字节一个字节收到的话，你程序应该也能正常工作。在应用程序中，我们要设计并实现TCP分包的逻辑，把TCP的字节流切分成一个一个可以分开的消息，这方面有一些小坑，初学者容易掉进去，课程以后会讲到。
第四个呢，初学者常见的一个设计失误，直接发送C语言的结构体，这个问题有两个：
第一个呢，他要考虑对齐，有的人会直接修改全局的对齐的方式，他把pack设成1，直接导致第三方library扩大，因为破坏了API二进制接口；
还有问题是在于，高度的不可扩展。因为你要增加一个字段的话，就所有的客户端服务端都要升级，而且如果有一方不是用C语言写的话，你就要手工实现 pack、unpack 的代码，也是维护上有很大的代价，这么做就一开始用发送C strcut，可能是受了学TCP的教材的影响，因为TCP/IP的header，它就用的是定长的那种字段的格式，而且它里面用了Bit field（位域），所以可能有的人照猫画虎说，既然TCP/IP自己这么用，那我自己写应用的时候也是用struct来表示消息，这个情况我认为通常应该避免的。
第五个是一个具体的小坑，就是TCP的“自连接”。你发现TCP的客户端往本机的服务端发起连接的时候，如果服务器没有起来，在一定条件下，客户端会自己和自己建立一个连接，比方说从localhost的端口54321，再连到了54321端口，你收发数据出现鬼打墙的现象，发个数据，自己收回来，就跟出现loop循环编程的时候一样，你知道现象就很很好办，你发现种情况就把连接断开，重新试就行了。
最后呢，非阻塞网络编程中还有很多很多坑，一个好的库呢，应该把大多数坑都填上，同时程序员，你要明白非阻塞网络编程的特点，避免别人把坑填好了，你自己再把坑挖开掉进去。
现在千兆网早就普及了，在很多机房里面，万兆网，实际的以太网也已经不堪使用，那么你很自然的想法，千兆网到底有多快？如果我们用TCP来传输数据的话，这里有简单的计算，它把从以太网的层面消息的每部分的长度列出来，算出来一个最大的带宽是117兆字节每秒，或者用二进制的 Mega，bit 计算的话是112，下面我们先来做个实验，验证一下计算是否正确。
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