C++（八）-网络

一、计算机网络基础

1、协议

通信双方需要遵循的规则。

2、TCP/IP协议

3、协议格式（==了解==）

在不同的层，都会有相应的包头，每个包头都会有对应的格式，这个作为了解，如果给出头的图，可以将其封装起来就可以了。

4、TCP协议（==重要==）

TCP协议是一个传输层的协议、面向连接的协议、可靠的协议、全双工的协议、字节流的协议、进行流量控制的协议 。

三次握手（建立连接）

四次挥手（断开连接）

2MSL

5、状态迁移图（==重要==）

一共有11中状态。

2MSL时间、半关闭状态

三、网络编程（==重要==）

1、基础

在网络环境中，要确定一台主机，需要知道彼此的ip；在网络环境中，要想确定一个进程，需要知道ip+port

2、字节序

TCP/IP协议规定，网络数据流应采用大端字节序

大端：低地址存高位，高地址存低位。小端：低地址存低位，高地址存高位。
网络字节序，就是在网络中进行传输的字节序列，采用的是大端法。主机字节序，就是本地计算机中存储数据采用的字节序列，采用的是小端法

字节序转换的函数

#include <arpa/inet.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);//h = host n = network l = long s = short
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

//将字符串类型的ip从本机字节序转换为网络字节序
in_addr_t inet_addr(const char *cp);

#include <sys/socket.h>
int getsockname(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

3、网络通信的原理图（逻辑图）

4、网络通信常规函数（==重要==）

4.1、socket函数

#include <sys/types.h>     
#include <sys/socket.h>

//创建连接的通信点
//套接字函数
int socket(int domain, int type, int protocol);
//domain:协议族，常规的几种参数：AF_INET/AF_INET6/AF_UNIX
//type:SOCK_STREAM(TCP)/SOCK_DGRAM(UDP)
//protocol:一般都设置为0，使用默认协议

//返回值：返回的结果是一个文件描述符，该值是大于零。如果返回-1，就表明函数执行失败

==文件描述符，可以将其理解为指针、门把手。==

4.2、bind函数

绑定ip与端口号port

#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
//sockfd:就是socket函数调用的返回结果
//addr:是一个结构体，目的就是将ip与端口号传进来
//addrlen:结构体的长度

//返回值：成功返回0，失败返回-1

struct sockaddr 
{
    sa_family_t sa_family;
    char        sa_data[14];
};

struct sockaddr_in
{
    sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t sin_port; /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr; /* internet address */
};

struct in_addr
{
    uint32_t s_addr; /* address in network byte order */
};

4.3、listen函数

服务器需要监听客户端的连接。

#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);
//sockfd:是创建套接字socket的返回结果。
//backlog:用来指定监听上限数值,默认使用128

//返回值：成功返回0，失败返回-1.

4.4、accept函数

接收连接请求的函数，==阻塞等待客户端发起连接==

#include <sys/types.h>       
#include <sys/socket.h>

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
//sockfd:就是socket函数调用的返回结果
//addr:通过该结构体，可以将客户端的ip与端口号反向的解出来。将网络字节序转换为本机字节序
//addrlen:结构体addr的长度

//返回值：会返回非负的整数，标识客户端与服务器已经建立了连接。可以通过该连接进行数据的传输。如果范返回失败，会得到-1

4.5、close函数

关闭文件描述符

#include <unistd.h>
int close(int fd);
//fd：需要关闭的文件描述符
//返回值：成功返回0， 失败返回-1.

4.6、connect函数

客户端与服务器进行连接的函数。

#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
//sockfd:由客户端调用socket函数返回的文件描述符
//addr:ip地址与端口号，客户端将服务器的ip与端口号设置到本addr中，进而为连接到服务器做准备
//addrlen:addr的长度

//返回值：成功返回0， 失败返回-1

4.7、读数据read/recv

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
//从文件描述符fd中读取count个数据，放在buf开头的缓冲区中。
//函数的返回结果：成功的时候，会读取到所读的字节数；如果返回结果是0，表明读完了；如果小于0，表明出错了

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
//从文件描述符sockfd中读取len个数据，放在buf开头的缓冲区中。如果flags=0，那么recv与read是等价的
//如果flags被设置为MSG_PEEK,那么数据会从内核态拷贝到用户态，并且数据不会从内核从删除。

==注意：read读数据的时候，会将数据直接移走（将内核中的数据移走），会将内核缓冲区清空。==

4.8、写数据write/send

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
//将buf指向的缓冲区中的count个数据，写入到fd对应的文件描述符中。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
//如果flags=0，那么send与write是等价的

5、代码实现

一、问题回顾

1、什么是协议？TCP/IP协议包括哪几层？什么是TCP协议？什么是三次握手？什么是四次挥手？

2、状态迁移图有哪11中状态？FIN_WAIT_2、TIME_WAIT、CLOSE_WAIT状态？

3、什么是大端存储？什么是小端存储？网络字节序与网络字节序采用什么存储方法？

4、网络编程常规函数有哪些？

二、端口复用

#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>

int getsockopt(int sockfd, int level, int optname,void *optval, socklen_t *optlen);
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,
               const void *optval, socklen_t optlen);

int opt = 1;
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
int opt = 1;
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt));

三、IO多路复用(==重难点==)

0、原理图

1、select的使用

1.1、函数接口

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
//nfds：是监听的文件描述符的个数。最大文件描述符 +1
//文件描述符对应的有读事件、写事件、以及异常事件
//fd_set:本质是位图。
//readfds、writefds、exceptfds这三个参数是三个位图的集合，可以将文件描述符对应的读事件、写事件、异常事件分别放在三个参数中。
//timeout:表示的是时间，表明等待的时间长短。
//定时阻塞监控时间，3中情况：
//1、NULL，永远等下去
//2、设置timeval，等待固定时间
//3、设置timeval里时间均为0，检查描述字后立即返回，轮询

//函数的返回值：文件描述符的个数。也就是三个位图中满足条件的文件描述符的总和，也就是三个位图中1的个数。
//如果返回是-1，那就是异常

struct timeval 
{
    long    tv_sec;         /* seconds */
    long    tv_usec;        /* microseconds */
};
 
struct timespec 
{
    long    tv_sec;         /* seconds */
    long    tv_nsec;        /* nanoseconds */
};

//将文件描述符fd从set中删除
void FD_CLR(int fd, fd_set *set);

//查看文件描述符fd是不是还在set中
int  FD_ISSET(int fd, fd_set *set);

//将文件描述符fd放在set中进行监听
void FD_SET(int fd, fd_set *set);

//将位图中的每一位全部清空为0（初始化为0）
void FD_ZERO(fd_set *set);

fd=4 0 1 2 3

fd = 4; 0 1 2 3

1.2、位图

3 5 8

readfs 3、5、8号文件描述符的读事件0 1 1

writefds 3、5号文件描述符的写事件0 1

exceptfds 3、5号文件描述符的异常事件1 0

1.3、优缺点

• 监听的文件描述符是有上限的1024。
• 当监听的文件描述符个数比较稀疏的时候（比如6， 600， 1023），循环判断比较麻烦，所以需要自定义数据结构：数组（在我们的代码中就是client数组）
• 监听集合（也就是位图）与满足监听条件的集合（也就是位图）是同一个，需要将原有集合保存（allset）
• 如果监听的文件描述符比较密集，那么select效率还是比较不错的。

2、poll的使用

2.1、函数接口

#include <poll.h>

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

//fds:是一个结构体的数组
//nfds：数组的长度
//timeout 毫秒级等待
//-1:阻塞等，#define INFTIM -1 Linux中没有定义此宏
//0:立即返回，不阻塞进程
//>0:等待指定毫秒数，如当前系统时间精度不够毫秒，向上取值。

//函数返回值：满足监听条件的文件描述符的数目
    
    
struct pollfd 
{
    int   fd;         /* file descriptor */
    short events;     /* requested events */
    short revents;    /* returned events */
};
events/revents:可以被设置为POLLIN(读)/POLLOUT(写)/POLLERR(异常)

2.2、优缺点

• 突破了文件描述符1024的上限
• 监听集合与返回的集合分离
• 监听1000个文件描述符，但是只有3个满足条件，这样也需要全部遍历，效率依旧低

3、epoll的使用

3.1、函数接口

#include <sys/epoll.h>

//创建新的文件描述符
int epoll_create(int size);
int epoll_create1(int flags);
//size:从内核版本2.6.8以后，可以将size设置为大于0的值即可
//flags:直接将其设置为0，效果与epoll_create一样
//返回值：成功返回文件描述符，该值是大于0的，失败返回-1
//以上两个函数底层会创建一个红黑树


#include <sys/epoll.h>
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
//epfd:epoll_create返回的文件描述符。
//op:可以被设置为EPOLL_CTL_ADD(添加)/EPOLL_CTL_MOD(修改)/EPOLL_CTL_DEL(删除)
//fd:传递文件描述符。
//event:该函数是一个结构体指针。

//返回值：成功返回0，失败返回-1

typedef union epoll_data 
{
    void        *ptr;
    int          fd;
    uint32_t     u32;
    uint64_t     u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event 
{
    uint32_t     events;      /* Epoll events */
    epoll_data_t data;        /* User data variable */
};
//events:可以是EPOLLIN(读)/EPOLLOUT(写)/EPOLLERR(异常)
    
    
#include <sys/epoll.h>

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
//epfd:epoll_create返回的文件描述符。       
//events:将满足条件的文件描述符存在该结构体指针中（也就是结构体数组）
//maxevents:前面的结构体的大小
//timeout:时间。timeout：是超时时间
//-1：阻塞
//=0：立即返回，非阻塞
//>0：指定毫秒

//返回值：成功返回有多少文件描述符就绪，出错返回-1

3.2、优缺点

• 文件描述符数目没有上限：通过epoll_ctl()来注册一个文件描述符，内核中使用红黑树的数据结构来管理所有需要监控的文件描述符。
• 基于事件就绪通知方式：一旦被监听的某个文件描述符就绪，内核会采用类似于callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，这样随着文件描述符数量的增加，也不会影响判定就绪的性能。
• 维护就绪队列：当文件描述符就绪，就会被放到内核中的一个就绪队列中，这样调用epoll_weit获取就绪文件描述符的时候，只要取队列中的元素即可，操作的时间复杂度恒为O(1)
• 对于大量连续文件描述符活跃的时候，epoll的效果不一定就比select强

3.3、两种模式（==了解==）

水平触发与边沿触发。

四、5种网络IO模型（==重要==）

1、阻塞式IO

2、非阻塞式IO

3、IO多路复用

4、信号驱动IO

==总结：以上四种同步IO而言，第一阶段“等待数据”阶段有区别，但是在第二阶段，都是阻塞的。==

5、异步IO

在五种网络IO模型中，同步机制的时候，第二阶段都是阻塞的，但是对于异步IO而言，第二步是非阻塞的。只有异步IO才能达到真正的非阻塞的。