牛客 C++高并发服务器开发
参考笔记

1 TCP三次握手
2 TCP滑动窗口
3 TCP四次挥手
- 在这里插入图片描述
4 TCP通信并发
5 TCP状态转换
6.端口复用
7 I/O多路复用(I/O多路转接) （重要）
- 7.1 select
- 7.2 BIO 阻塞IO
- 7.3 NIO 非阻塞IO
- 7.4 select()工作过程分析
- 7.5 poll()
- 7.6 epoll() 解决了select()的所有缺点

1 TCP三次握手

TCP是一种面向连接的单播协议，在发送数据前，通信双方必须在彼此间建立一条连接。所谓的"连接”，其实是客户端和服务器的内存里保存的一份关于对方的信息，如IP地址、端口号等。

TCP可以看成是一种字节流，它会处理IP层或以下的层的丢包、重复以及错误问题。在连接的建立过程中，双方需要交换一些连接的参数。这些参数可以放在TCP头部。

TCP提供了一种可靠、面向连接、字节流、传输层的服务，采用三次握手建立一个连接。采用四次挥手来关闭一个连接。

三次握手的目的是保证通信双方互相之间建立了连接。

三次握手发生在客户端连接的时候，当调用connect()，底层会通过TCP协议进行三次握手。

16位端口号(port number):告知主机报文段是来自哪里（源端口）以及传给哪个上层协议或应用程序(目的端口)的。进行TCP通信时，客户端通常使用系统自动选择的临时端口号。
32位序号(sequence number):一次TCP通信（从TCP连接建立到断开）过程中某一个传输方向上的字节流的每个字节的编号。假设主机A和主机B进行TCP通信，A发送给B的第一个TCP报文段中，序号值被系统初始化为某个随机值ISN (Initial Sequence Number，初始序号值)。那么在该传输方向上(从A到B)，后续的TCP报文段中序号值将被系统设置成ISN加上该报文段所携带数据的第一个字节在整个字节流中的偏移。例如，某个TCP 报文段传送的数据是字节流中的第1025~2048字节那么该报文段的序号值就是ISN +1025。另外一个传输方向(从B到A)的TCP报文段的序号值也具有相同的含义。
32位确认号(acknowledgement number):用作对另一方发送来的TCP报文段的响应。其值是收到的TCP报文段的序号值＋标志位长度(SYN，FIN)＋数据长度。假设主机A和主机B进行TCP通信，那么A发送出的TCP报文段不仅携带自己的序号，而且包含对B发送来的TCP报文段的确认号。反之，B发送出的TCP报文段也同样携带自己的序号和对A发送来的报文段的确认序号。
16位校验和（TCP checksum):由发送端填充，接收端对TCP报文段执行CRC算法以校验TCP报文段在传输过程中是否损坏。注意，这个校验不仅包括TCP头部，也包括数据部分
这也是TCP可靠传输的一个重要保障。
16位紧急指针（urgent pointer) :是一个正的偏移量。它和序号字段的值相加表示最后一个紧急数据的下一个字节的序号。因此，确切地说，这个字段是紧急指针相对当前序号的偏移，不妨称之为紧急偏移。TCP的紧急指针是发送端向接收端发送紧急数据的方法。

三次握手的目的是保证通信双方互相之间建立了连接。含义如下：

客户端，知道自己的发送、接收功能没问题；
服务端，知道自己的发送、接收功能没问题；

客户端，还要知道服务端的发送、接收功能没问题；
服务端，还要知道客户端的发送、接收功能没问题；

三次握手，具体含义：
第一次握手：客户端给服务端发一条消息，服务端接收到消息；服务端知道客户端发送功能OK，自己接收功能OK；

第二次握手：服务端给客户端回一条消息，客户端接收到消息；客户端知道自己发送、接收功能OK，也知道服务端接收、发送功能OK；

第三次握手：客户端收到服务端的应答，回一条消息，服务端收到客户端回应的消息。服务端知道自己发送、接收功能OK，也知道客户端发送、接收OK 。

第一次握手:1.客户端将SYN标志位置为12.生成一个随机的32位的序号seq=J，这个序号后边是可以携带数据（数据的大小)
第二次握手:1.服务器端接收客户端的连接:ACK=12.服务器会回发一个确认序号:ack=客户端的序号＋数据长度＋SYN/FIN(按一个字节算)3.服务器醋会向客户端发起连接请求:SYN=14.服务器会生成一个随机序号:seq = K
第三次握手:1.客户单应答服务器的连接请求:ACK=12.客户端回复收到了服务器端的数据: ack=服务端的序号＋数据长度+SYN/FIN(按一个字节算)

2 TCP滑动窗口

滑动窗口(Sliding window）是一种流量控制技术。早期的网络通信中，通信双方不会考虑网络的拥挤情况直接发送数据。由于大家不知道网络拥塞状况，同时发送数据，导致中间节点阻塞掉包，谁也发不了数据，所以就有了滑动窗口机制来解决此问题。滑动窗口协议是用来改善吞吐量的一种技术，即容许发送方在接收任何应答之前传送附加的包。接收方告诉发送方在某一时刻能送多少包(称窗口尺寸)。

TCP中采用滑动窗口来进行传输控制，滑动窗口的大小意味着接收方还有多大的缓冲区可以用于接收数据。发送方可以通过滑动窗口的大小来确定应该发送多少字节的数据。当滑动窗口为0时，发送方一般不能再发送数据报。

滑动窗口是TCP中实现诸如ACK确认、流量控制、拥塞控制的承载结构。

窗口理解为缓冲区的大小
滑动窗口的大小会随着发送数据和接收数据而变化。
通信的双方都有发送缓冲区和接收数据的缓冲区服务器:发送缓冲区（发送缓冲区的窗口)接收缓冲区（接收缓冲区的窗口)客户端发送缓冲区（发送缓冲区的窗口)接收缓冲区（接收缓冲区的窗口)

发送方的缓冲区:白色格子:空闲的空间灰色格子:数据已经被发送出去了，但是还没有被接收紫色格子:还没有发送出去的数据接收方的缓冲区:白色格子:空闲的空间紫色格子:己辽接收到的数据

3 TCP四次挥手

四次挥手发生在断开连接的时候，在程序中当调用了close()会使用TCP协议进行四次挥手。客户端和服务器端都可以主动发起断开连接，谁先调用close()谁就是发起。

因为在TCP连接的时候，采用三次握手建立的的连接是双向的，在断开的时候需要双向断开。

什么是四次挥手
由于TCP连接是全双工的,断开一个TCP连接,需要客户端与服务器发送四个包来确认连接的断开。

简述四次挥手的过程:

因为TCP是全双工的,因此,每个方向都要单独关闭
当一方完成数据发送任务后,发送一个FIN来终止这一方向的连接,收到一个FIN只是意味着
一方向不会再收到数据了,但是这个TCP连接上仍然能够发送数据,直到这一方也发送了FIN.
首先进行关闭的一方执行主动关闭,另一方执行被动关闭.第一个关闭的最后等待2MSL

中断连接端可以是客户端，也可以是服务器端。

第一次挥手：客户端发送一个FIN=M，用来关闭客户端到服务器端的数据传送，客户端进入FIN_WAIT_1状态。意思是说"我客户端没有数据要发给你了"，但是如果你服务器端还有数据没有发送完成，则不必急着关闭连接，可以继续发送数据。

第二次挥手：服务器端收到FIN后，先发送ack=M+1，告诉客户端，你的请求我收到了，但是我还没准备好，请继续你等我的消息。这个时候客户端就进入FIN_WAIT_2 状态，继续等待服务器端的FIN报文。

第三次挥手：当服务器端确定数据已发送完成，则向客户端发送FIN=N报文，告诉客户端，好了，我这边数据发完了，准备好关闭连接了。服务器端进入LAST_ACK状态。

第四次挥手：客户端收到FIN=N报文后，就知道可以关闭连接了，但是他还是不相信网络，怕服务器端不知道要关闭，所以发送ack=N+1后进入TIME_WAIT状态，如果Server端没有收到ACK则可以重传。服务器端收到ACK后，就知道可以断开连接了。客户端等待了2MSL后依然没有收到回复，则证明服务器端已正常关闭，那好，我客户端也可以关闭连接了。最终完成了四次握手。

上面是一方主动关闭，另一方被动关闭的情况，实际中还会出现同时发起主动关闭的情况，

图解三次握手和四次挥手的过程：

再摘一个图，供参考：

4 TCP通信并发

要实现TCP通信服务器处理并发的任务，使用多线程或者多进程来解决。

思路:
1.一个父进程，多个子进程
2.父进程负责等待并接受客户端的连接
3.了进程:完成通信，接受一个客户端连接，就创建一个子进程用于通信。

5 TCP状态转换

黑线是错误和异常，主要看红线和绿线；

2MSL (Maximum Segment Lifetime)
主动断开连接的一方,最后进入一个TIME_WAIT状态,这个状态会持续: 2mslo
msl:官方建议:2分钟,实际是30s

当TCP连接主动关闭方接收到被动关闭方发送的FIN和最终的ACK后，连接的主动关闭方必须处于TIME_WAIT状态并持续2MSL时间。

这样就能够让TCP连接的主动关闭方在它发送的ACK丢失的情况下重新发送最终的ACK。

主动关闭方重新发送的最终ACK并不是因为被动关闭方重传了ACK(它们并不消耗序列号，被动关闭方也不会重传)，而是因为被动关闭方重传了它的FIN。事实上，被动关闭方总是重传FIN直到它收到一个最终的ACK。

半关闭
当TCP链接中A向B发送FIN请求关闭，另一端B回应ACK之后(A端进.
FIN_WAIT_2状态)，并没有立即发送FIN给A，A方处于半连接状态（半开关)，此时A可以接收B发送的数据，但是A已经不能再向B发送数据。

从程序的角度，可以使用API来控制实现半连接状态:

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd，int how);sockfd:需要关闭的socket的描述符how:允许为shutdown操作选择以下几种方式:SHUT_RD(0):关闭sockfd上的读功能，此选项将不允许sockfd进行读操作。该套接字不再接收数据，任何当前在套接字接受缓冲区的数据将被无声的丢弃掉。SHUT_WR(1):关闭sockfd的写功能，此选项将不允许sockfd进行写操作。进程不能在对此套接字发出写操作。SHUT_RDNR(2):关闭sockfd的读写功能。相当于调用shutdown两次:首先是以SHUT_RD ,然后以SHUT_WR。

使用close中止一个连接，但它只是减少描述符的引用计数，并不直接关闭连接，只有当描述符的引用计数为0时才关闭连接。shutdown不考虑描述符的引用计数，直接关闭描述符。也可选择中止一个方向的连接，只中止读或只中止写。

注意:
1.如果有多个进程共享一个套接字，close每被调用一次，计数减1，直到计数为0时，也就是所用进程都调用了close，套接字将被释放。
2.在多进程中如果一个进程调用了shutdown(sfd, SHUT_RDWR)后，其它的进程将无法进行通信。但如果一个进程close(sfd)将不会影响到其它进程。

6.端口复用

端口复用最常用的用途是:

防止服务器重启时之前绑定的端口还未释放
程序突然退出而系统没有释放端口

7 I/O多路复用(I/O多路转接) （重要）

I/O多路复用使得程序能同时监听多个文件描述符，能够提高程序的性能，Linux下实现IO多路复用的系统调用主要有select.poll和epoll。

7.1 select

主旨思想:
1.首先要构造一个关于文件描述符的列表，将要监听的文件描述符添加到该列表中。

⒉调用一个系统函数，监听该列表中的文件描述符，直到这些描述符中的一个或者多个进行/O操作时，该函数才返回。

a.这个函数是阻塞
b.函数对文件描述符的检测的操作是由内核完成的

3.在返回时，它会告诉进程有多少(哪些)描述符要进行I/O操作。

7.2 BIO 阻塞IO

根本问题，阻塞。由于阻塞，新来的来的客户端就无法连接接，，，，解解这个问题，开多线程，每个线程对应一个客户端，，，但这样造成了调度资源浪费。

7.3 NIO 非阻塞IO

非阻塞IO，缺点复杂度高，假如有n个客户端，每循环内O(n)的系统调用。

7.4 select()工作过程分析

7.5 poll()

7.6 epoll() 解决了select()的所有缺点

Epoll的工作模式:

LT模式(水平触发)
假设委托内核检测读事件->检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据-> epoll检测到了会给用户通知
- a.用户不读数据，数据一直在缓冲区，epoll会一直通知
- b.用户只读了一部分数据，epoll会通知
- c.缓冲区的数据读完了，不通知

LT(level - triggered)）是缺省的工作方式，并且同时支持 block和no-block socket。在这种做法中，内核告诉你一个文件描述符是否就绪了，然后你可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果你不作任何操作，内核还是会继续通知你的。

ET模式(边沿触发)
假设委托内核检测读事件>检测fd的读缓冲区
读缓冲区有数据- > epoll检测到了会给用户通知
- a.用户不读数据，数据一致在缓冲区中，epoll下次检测的时候就不通知了
- b.用户只读了一部分数据，epoll不通知
- c.缓冲区的数据读完了，不通知

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