基于TCP协议的socket程序函数调用过程

socket需要指定协议是IPv4还是IPv6，分别设置AF_INET和AF_INET6。设置指定TCP协议还是UDP协议。如果是TCP，则参数要设置成SOCK_STREAM，UDP的则要设置成SOCK_DGRAM。

对于TCP：

服务端监听一个端口，调用bind()函数绑定服务端的IP地址和端口号。之后进入监听状态等待客户端的连接以及已连接的客户端发送数据。

在内核中，为每个socket维护两个队列：

一个是已经建立连接的队列，这些连接已经完成了三次握手，处于established状态；

另一个队列是没有完全建立连接的队列，这些连接三次握手还没完成，处于syn_rcvd状态。

客户端通过connect函数发起连接，connect函数中要配置好客户端的IP地址以及端口号，然后发起三次握手。当有新的请求时，服务端调用accept函数来处理请求。内核会为客户端分配一个临时端口，一旦握手完成，服务端的accept会返回另一个socket——即监听的socket和连接的socket的俩socket。

连接建立成功之后，双方通过read函数和write函数进行读写数据，就像往文件中读写一样。

socket在linux中以文件形式存在，其对应一个文件描述符，每个进程都有数据结构task_struct，里面指向一个文件描述符数组，文件描述符是一个整数，是这个数组的下标。数组中的内容是一个指针，指针指向内核中所打开的文件列表。

既然是文件，就会有一个inode，socket对应的inode存放在内存中，而不像其他文件存放在硬盘上。这个inode中，指向了socket在内核中的socket结构。在这个结构里，有两个队列，

一个是发送队列

一个是接受队列

这两个队列中保存的是一个缓存sk_buff。这个缓存里面能够看到完整的包的结构。

整个数据结构图：

对于UDP：

UDP不是面向连接，因此没有三次握手，也不需要调用listen和connect函数。UDP不用维护连接状态，因此不需要没对连接都建立一组socket，而是只需要一个socket，就可以和多个客户端进行通信。也是因为没有连接状态，因此每次通信时，都是调用sendto和recvfrom函数，都可以传入IP地址和端口号。

服务器如何连接更多的项目？

最大连接数的计算

系统会用一个四元组来标识一个TCP连接。

{本机 IP, 本机端口, 对端 IP, 对端端口}

最大 TCP 连接数 = 客户端 IP 数×客户端端口数

对于IPv4，客户端的IP数最多为2的32次幂，客户端的端口上=数最多为2的16次方，也就是服务端单击最大TCP连接数，约为2的

48次幂。

服务器最大并发TCP连接数不能达到理论上限，因为：

文件描述符的限制。socket都是文件，索引首先通过ulimit配置文件描述符的个数
另一个限制是内存，每个TCP链接都要占用一定的内存，操作系统是有限的

想要实现高并发，可以通过以下四种方式：

1、多进程

每来一个新的连球，就将基于已连接socket的交互交给这个新的子进程来自做。

linux下，通过fork创建子进程。内核会复制文件描述符的列表、复制内存空间，还会复制一条记录当前执行到了哪一行程序的进程。通过fork的返回值可以判断当前进程是父进程（pid!=0）还是子进程（pid=0）。

因为复制了文件描述符表，而文件描述符都是指向整个内核统一的打开的文件列表的，因为父进程刚才因为accept创建的已连接socket也是一个文件描述符，同样也会被子进程获得。

接下来，子进程可以通过这个已经连接的socket和客户端进行通信了。通信完毕之后，可以退出进程。父进程可以通过子进程的进程号查看子进程是否退出。

2、多线程

linux下通过pthread_create创建一个线程，也是调用do_fork。不同的是，虽然新的线程在task列表会新创建一项，但是很多资源，如文件描述符列表、进程空间，还是共享的，只不过多了一个引用而已。

新的线程也可以通过已连接socket处理请求，从而达到并发处理的目的。

3、IO多路复用，一个线程维护多个socket——select

由于socket的文件描述符，将文件描述符都放在文件描述符集合fd_set中，然后调用select函数来监听文件描述符集合是否有变化。一旦有变化，就会依次查看每个文件描述符。那些发生变化的文件描述符在fd_set对应的位都设为1，表示socket可读或者可写，从而可以进行读写操作。然后调用select盯着下一轮的变化。

select的问题就是，每次都是通过轮询的方式查看发生变化的文件描述符，时间复杂度比较高，因此常常用FD_SETSIZE限制。

4、IO多路复用——epoll

不需要通过轮询的方式来查看变化。发生变化的文件描述符会主动通知。epoll在内核中的实现不是通过轮询的方式，而是通过注册callback函数的方式，当某个文件描述符发生变化，就会主动通知。

如图，进程打开了socket m，n，x等多个文件描述符，现在通过epoll来监听这些socket都有事件发生。其中，epoll_create创建一个epoll对象，也就是一个文件，也对应一个文件描述符，该文件描述符也对应着打开文件列中的一项。在这项里有一个红黑树，在红黑树里，保存这个epoll监听的所有socket。

当epoll_ctl添加一个socket的时候，其实是加入这个红黑树，同时红黑树里面的节点指向一个结构，将这个结构挂在被监听的socket的事件列表中。当一个socket带来一个事件的时候，可以从这个列表中得到epoll对象，并调用call back通知他。

这种通知方式使得监听的socket数据增加的时候，效率不会大幅度降低，能够同时监听的socket的数目非常多。上限就为系统定义的、进程打开的最大文焕描述符个数。

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