socket编程

以下部分内容参考文章
Socket本质上就是对TCP/IP协议组的封装。是应用层与传输层通信的中间层。从设计模式角度而言，Socket实际上是一组接口，。用户通过这些接口去组织数据，以符合指定的协议。Socket有三种类型，

SOCK_STREAM 面向稳定通信，底层是TCP
SOCK_DGRAM 无连接的通信，底层是UDP，需要上层协议来保证可靠性。
SOCK_RAW 更加灵活的数据控制，可以指定IP头部。

常用Socket编程接口

socket()：创建socket
bind()：绑定socket到本地地址和端口，通常由服务端调用
listen()：TCP专用，开启监听模式
accept()：TCP专用，服务器等待客户端连接，一般是阻塞态
connect()：TCP专用，客户端主动连接服务器
send()：TCP专用，发送数据
recv()：TCP专用，接收数据
sendto()：UDP专用，发送数据到指定的IP地址和端口
recvfrom()：UDP专用，接收数据，返回数据远端的IP地址和端口
closesocket()：关闭socket

Socket通信流程

TCP流程

UDP流程

需要注意，TCP和UDP的端口互不干扰，所以说系统可以同时开启TCP80端口和UDP80端口

网络编程模型

同步阻塞迭代模型

bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;)
{
    clifd = accept(srvfd,...); //开始接受客户端来的连接
    read(clifd,buf,...); //从客户端读取数据
    dosomthingonbuf(buf);
    write(clifd,buf)//发送数据到客户端
}

上述程序弊端：

如果没有客户端的连接请求，进程会阻塞在accept系统调用处，程序不能执行其他任何操作。(系统调用使得程序从用户态陷入内核态)
在与客户端建立好一条链路后，通过read系统调用从客户端接受数据，而客户端发送数据过来是不可控的。如果客户端迟迟不发生数据过来，则程序同样会阻塞在read调用，此时，如果另外的客户端来尝试连接时，都会失败。
同样的道理，write系统调用也会使得程序出现阻塞(例如：客户端接受数据异常缓慢，导致写缓冲区满，数据迟迟发送不出)。

多进程并发模型
多进程并发模型在同步阻塞迭代模型的基础上进行了一些改进，以避免是程序阻塞在read系统调用上。核心代码如下：

bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;){
clifd = accept(srvfd,...); //开始接受客户端来的连接
ret = fork();
switch( ret )
{
    case -1 :
        do_err_handler();
        break;
    case 0: // 子进程
        client_handler(clifd);
        break ;
    default : // 父进程
        close(clifd);
        continue ;
}
}
void client_handler(clifd)
{
    read(clifd,buf,...); //从客户端读取数据
    dosomthingonbuf(buf);
    write(clifd,buf)//发送数据到客户端
}

多线程并发模型
在多进程并发模型中，每一个客户端连接开启fork一个进程，若客户端连接较大，则系统依然将不堪负重。通过多线程(或线程池)并发模型，可以在一定程度上改善这一问题。

在服务端的线程模型实现方式一般有三种：

按需生成(来一个连接生成一个线程)
线程池(预先生成很多线程)
Leader follower（LF）
以第一种为例，其核心代码如下：

void *thread_callback( void *args ) //线程回调函数
{
    int clifd = *(int *)args ;
    client_handler(clifd);
}

void client_handler(clifd)
{
    read(clifd,buf,...); //从客户端读取数据
    dosomthingonbuf(buf);
    write(clifd,buf)//发送数据到客户端
}
bind(srvfd);
listen(srvfd);
for(;;)
{
    clifd = accept();
    pthread_create(...,thread_callback,&clifd);
}

在这个模型中，服务端分为了两个线程，一是负责业务逻辑和流的读取。二是accept链接。

IO多路复用
多进程模型和多线程(线程池)模型每个进程/线程只能处理一路IO，在服务器并发数较高的情况下，过多的进程/线程会使得服务器性能下降。而通过多路IO复用，能使得一个进程同时处理多路IO，提升服务器吞吐量。这是一种进程预先告知内核的能力，让内核发现进程指定的一个或多个IO条件就绪了，就通知进程。使得一个进程能在一连串的事件上等待。
IO复用的实现方式目前主要有select、poll和epoll。select和poll的原理基本相同：

注册待侦听的fd(这里的fd创建时最好使用非阻塞)
每次调用都去检查这些fd的状态，当有一个或者多个fd就绪的时候返回
返回结果中包括已就绪和未就绪的fd

相比select，poll解决了单个进程能够打开的文件描述符数量有限制这个问题：select受限于FD_SIZE的限制，如果修改则需要修改这个宏重新编译内核；而poll通过一个pollfd数组向内核传递需要关注的事件，避开了文件描述符数量限制。此外，select和poll共同具有的一个很大的缺点就是包含大量fd的数组被整体复制于用户态和内核态地址空间之间，开销会随着fd数量增多而线性增大。epoll的出现，解决了select、poll的缺点：

基于事件驱动的方式，避免了每次都要把所有fd都扫描一遍。
epoll_wait只返回就绪的fd。
epoll使用nmap内存映射技术避免了内存复制的开销。
epoll的fd数量上限是操作系统的最大文件句柄数目,这个数目一般和内存有关，通常远大于1024。
select：支持注册 FD_SETSIZE(1024) 个 socket。
poll： poll 作为 select 的替代者，最大的区别就是，poll 不再限制 socket 数量。
epoll：epoll 能直接返回具体的准备好的通道，时间复杂度 O(1)。

C在win平台创建socket的实例

WSADATA wsaData;
  //启动socket
  /*
  Param1：MAKEWORD 请求的winsock版本
  Param2：指向WSADATA的指针
  */
  if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
  {
      printf("PC Server Socket Start Up Error \n");
      return -1;
  }

  int serverSockfd;
  /*
  创建socket，这里由于我做的是RTSP服务器，所以做了封装，
  但基本函数就是 SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  */
  serverSockfd = createTcpSocket();
  if (serverSockfd < 0)
  {
      WSACleanup();
      printf("failed to create tcp socket\n");
      return -1;
  }
  //bind
  if (bindSocketAddr(serverSockfd, "0.0.0.0", SERVER_PORT) < 0)
  {
      printf("failed to bind addr\n");
      return -1;
  }
  //listen
  if (listen(serverSockfd, 10) < 0)
  {
      printf("failed to listen\n");
      return -1;
  }

  printf("%s rtsp://127.0.0.1:%d\n",__FILE__, SERVER_PORT);
  //循环接收
  while (true) {
      int clientSockfd;
      char clientIp[40];
      int clientPort;

      clientSockfd = acceptClient(serverSockfd, clientIp, &clientPort);
      if (clientSockfd < 0)
      {
          printf("failed to accept client\n");
          return -1;
      }

      printf("accept client;client ip:%s,client port:%d\n", clientIp, clientPort);

      doClient(clientSockfd, clientIp, clientPort);
  }
  //注意释放顺序
  closesocket(serverSockfd);
  WSACleanup();
  return 0;