在谈《系统调用》之前,先解答上一篇留下的一些问题:
(1)发送方法返回成功后,数据一定发送到了TCP的对端么?send
方法成功返回,并不一定表示数据发送到对端,TCP是可靠的协议,如果数据遇到异常,TCP底层会重传,所以send
调用成功只是代表数据拷贝到了内核态,同时调用IP层的方法返回后,也未必就保证此时数据一定发送成功。
(2)1个socket
套接字可能被多个进程在使用,出现并发访问时,内核是怎么处理这种状况的?socket
是可能被多个进程同时访问的,所以会有内核锁锁住socket
,如下内核代码:
int tcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb)
{
...
// 是否有进程正在使用这个套接字
if (!sock_owned_by_user(sk)) {
...
} else {
// 如果进程正在操作套接字,就把skb指向的TCP报文插入到backlog队列
sk_add_backlog(sk, skb);
...
}
}
(3)若socket为默认的阻塞套接字,调用recv
方法传入的len参数,如果网络包的数据小于len,recv
会返回么?
当前问题需要分情况看,根据SO_RCVLOWAT
,tcp_low_latency
和MSG_WAITALL
参数会有不同的处理,如果SO_RCVLOWAT
为1,则只要有报文就马上返回到recv
。
(4)当socket被多进程或者多线程共享时,关闭连接时有何区别?
上一篇文章已经说过,close
是句柄引用减1,直到为0才会调用真正的关闭连接,而shutdown
不管是否被共享,直接关闭连接。
第一部分:基础API
1、主机字节序和网络字节序
我们都知道字节序分位大端和小端:
-
大端是高位字节在低地址,低位字节在高地址 -
小端是顺序字节存储,高位字节在高地址,低位字节在低地址
既然机器存在字节序不一样,那么网络传输过程中必然涉及到发出去的数据流需要转换,所以发送端会将数据转换为大端模式发送,系统提供API实现主机字节序和网络字节序的转换。
#include <netinet/in.h>
// 转换长整型
unsigned long htonl(unsigned long int hostlong);
unsigned long ntohl(unsigned long int netlong);
// 转换短整型
unsigned short htonl(unsigned short int hostshort);
unsigned short ntohl(unsigned short int netshort);
2、socket地址
(1)socket地址包含两个部分,一个是什么协议,另一个是存储数据,如下:
struct sockaddr
{
sa_family_t sa_family; // 取值:PF_UNIX(UNIX本地协议簇),PF_INET(ipv4),PF_INET6(ipv6)
char sa_data[14]; // 根据上面的协议簇存储数据(UNIX本地路径,ipv4端口和IP,ipv6端口和IP)
};
(2)各个协议簇专门的结构体
// unix本地协议簇
struct sockaddr_un
{
sa_family_t sin_family; // AF_UNIX
char sun_path[18];
};
// ipv4本地协议簇
struct sockaddr_in
{
sa_family_t sin_family; // AF_INET
u_int16_t sin_port;
struct in_addr sin_addr;
};
// ipv6本地协议簇
struct sockaddr_in6
{
sa_family_t sin_family; // AF_INET6
u_int16_t sin6_port;
u_int32_t sin6_flowinfo;
...
};
3、socket创建
socket,bind,listen,accept,connect,close和shutdown作为linux网络开发必备知识, 大家应该都都耳熟能详了,所以我就简单介绍使用方式,重点介绍参数注意事项。
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
(1)domain
参数目的是告诉底层协议簇,选项(PF_INET, PF_INET6和PF_UNIX);
(2)type
指定服务类型(流数据和数据报),选项(SOCK_STREAM和SOCK_UGRAM);
(3)protocol
默认0即可;
注意:
socket的属性SOCK_NONBLOCK
和SOCK_CLOEXEC
,分别标识非阻塞和fork子进程在子进程中关闭socket;
4、bind
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sock, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);
有了socket句柄,我们需要将句柄绑定到某个IP上,所以参数分别是通过socket
创建的句柄和转换后的struct sockaddr
。
注意:
(1)返回错误errno=EACCES
:被绑定的地址是受保护的,比如端口0-1023不允许使用;
(2)返回错误errno=EADDRINUSE
:被绑定的地址正在使用,比如socket被其他已经绑定了或者TIME_WAIT
阶段;
5、listen
#include <sys/socket.h>
int listen(int sock, int backlog);
(1)sock
是socket
的句柄;
(2)backlog
在上一篇文章中讲过,是处于半连接和完全连接的sock
上限;
6、accept
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
(1)sock
是socket
的句柄;
(2)addr
用来获取建立连接后的对端的地址;
详细的accept
建立连接流程,在上一篇文章也有详细讲过(可以重新翻阅一下), 这里要注意的是accept
应该如何和与高性能结合,这里留个疑问,下一篇文章将会介绍《IO复用》会详细介绍。
7、connect
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int connect(int sock, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
client端发起连接的函数,sock
是socket
的句柄,addr
连接的唯一地址,这个函数使用的注意事项:
(1)返回ECONNREFUSED
,标识目标端口不存在,连接被拒绝;
(2)返回ETIMEOUT
,连接超时;
8、close和shutdown
#include <unistd.h>
int close(int fd);
int shutdown(int sockfd, int flag);
这两个函数的区别也在上一篇文章有提及,close
不是真正关闭连接,只有fd引用计数为0才关闭,shutdown
立即终止连接。
注意:
(1)shutdown
的flag=SHUT_RD
,关闭连接的读端,不再执行读操作,socket的缓冲区数据都被清空;
(2)shutdown
的flag=SHUT_WR
,关闭连接的写端,不再执行写操作,socket的缓冲区数据会在关闭之前全部发送出去;
(3)shutdown
的flag=SHUT_RDWR
,关闭连接的读端和写端,其缓冲区数据处理如上;
9、读写数据
TCP读写数据:
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
这里要注意的是一些flags的使用:
(1)flags=MSG_OOB
发送或者接收紧急数据;
(2)flags=MSG_DONTWAIT
对socket此次操作不阻塞;
(3)flags=MSG_WAITALL
读到指定大小的字节才返回;
(4)flags=MSG_MORE
告诉内核还有更多数据发送,让内核等数据一起发送提升性能;
UDP读写数据:
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
由于UDP是无连接的,所以不需要connect
或者accept
直接填addr地址发送或者接收数据。
10、获取地址信息
#include <sys/socket.h>
int getsockname(int sock, const struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
int getpeername(int sock, const struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
(1)getsockname
通过fd获取【本端】的socket
地址;
(2)getpeername
通过fd获取【对端】的socket
地址;
11、一些socket选项
(1)SO_REUSEADDR
强制处于TIME_WAIT
状态的socket句柄可以被bind;
(2)SO_RECVBUF
和SO_SENDBUF
设置socket句柄的发送缓冲区和接收缓冲区的大小;
(3)SO_RECVLOWAT
和SO_SNDLOWAT
设置句柄在缓冲区触发I/O事件的大小,接收低潮限度和发送低潮限度默认为1字节;(4)SO_LINGER
用于控制close
系统调用在关闭TCP连接时的行为,其结构体:
#include <sys/socket.h>
struct linger
{
int l_onoff; // 开启(非0)还是关闭(0)该选项
int l_linger; // 滞留时间
};
// 1、l_onoff等于0(关闭),此时SO_LINGER选项不起作用,close用默认行为来关闭socket;
// 2、l_onoff不为0(开启),l_linger等于0,此时close系统调用立即返回,TCP模块将丢弃被关闭的socket对应的TCP发送缓冲区中残留的数据,同时给对方发送一个复位报文段(RST);
// 3、l_onoff不为0(开启),l_linger大于0,此时close的行为取决于两个条件:一是被关闭的socket对应的TCP发送缓冲区是否还有残留的数据;二是该socket是阻塞的,还是非阻塞的,对于阻塞的socket,close将等待一段长为l_linger的时间,直到TCP模块发送完所有残留数据并得到对方的确认;如果这段时间内TCP模块没有发送完残留数据并得到对方的确认,那么close系统调用将返回-1并设置errno为EWOULDBLOCK;如果socket是非阻塞的,close将立即返回,此时我们需要根据其返回值和errno来判断残留数据是否已经发送完毕;
第二部分:I/O函数
1、pipe
pipe
作为IPC的一部分,其参数如下:
#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);
通过fd[0]和fd[1]组成了管道的两端,fd[0]只能读出数据,fd[1]只能写入数据,配合read
和write
使用,当然管道的容量是有限制的(默认是65536字节),可以通过fnctl修改大小。
2、socketpair
对比管道,我觉得socketpair
更加方便,其参数如下:
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
int socketpair(int domain, int type, int protocol, int fd[2]);
其中fd[2]和pipe
一样,不同的是可以读也可以写,domain参数设置为AF_UNIX
。
3、dup和dup2
#include<unistd.h>
int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd);
dup
函数创建一个新的文件描述符,该新文件描述符和原有文件描述符oldfd
指向相同的文件、管道或者网络连接。并且dup
返回的文件描述符总是取系统当前可用的最小整数值;dup2
和dup
类似,不过它将返回第一个不小于newfd
的整数值的文件描述符,并且newfd这个文件描述符也将会指向oldfd
指向的文件,原来的newfd
指向的文件将会被关闭(除非newfd
和oldfd
相同),相比于dup
函数,dup2
函数它的优势就是可以指定新的文件描述符的大小,用法比较灵活;
样例如下:
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#define FILENAME "test.txt"
int main(void)
{
int fd1 = -1, fd2 = -1;
fd1 = open(FILENAME, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
if (fd1 < 0)
{
return -1;
}
printf("fd1 = %d.n", fd1);
fd2 = dup2(fd1, 10);
printf("fd2 = %d.n", fd2);
close(fd1);
return 0;
}
// 输出
fd2 = 10
4、readv和writev
#include <sys/uio.h>
ssize_t readv(int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt);
ssize_t writev(int fd, const struct iovec *iov, int iovcnt);
struct iovec { /* Scatter/gather array items */
void *iov_base; /* Starting address */
size_t iov_len; /* Number of bytes to transfer */
};
fd
被操作的目标文件描述符,iov
是iovec类型的数组,iovcnt
是iov数组的长度,iovec
结构体封装了一块内存的起始位置和长度。readv
和writev
的目的将分散的内存数据集中读写到文件描述符中,可以提升性能。
writev样例如下:
...
char *str0 = "this is 0 ";
char *str1 = "this is 1";
struct iovec iov[2];
ssize_t nwritten;
iov[0].iov_base = str0;
iov[0].iov_len = strlen(str0);
iov[1].iov_base = str1;
iov[1].iov_len = strlen(str1);
nwritten = writev(STDOUT_FILENO, iov, sizeof(iov));
...
readv样例如下:
...
char buf1[8] = { 0 };
char buf2[8] = { 0 };
struct iovec iov[2];
ssize_t nread;
iov[0].iov_base = buf1;
iov[0].iov_len = sizeof(buf1) - 1;
iov[1].iov_base = buf2;
iov[1].iov_len = sizeof(buf2) - 1;
nread = readv(STDIN_FILENO, iov, 2);
...
5、sendfile
通常对于文件的读写然后发送出去,会经过磁盘->内核态拷贝->用户态read->用户态write->内核态拷贝->DMA,那么这里经过多次上下文切换和拷贝,所以sendfile系统函数为了避免这些问题,实现零拷贝。
#include <sys/sendfile.h>
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
(1)out_fd
待读出的文件fd,必须是一个socket句柄;
(2)in_fd
待写入的文件fd,必须是文件描述符,不能是管道或者socket句柄;
6、splice
splice用于在两个文件描述符之间移动数据,也是一种重要零拷贝技术。
#include <fcntl.h>
ssize_t splice(int fd_in, loff_t *off_in, int fd_out, loff_t *off_out, size_t len, unsigned int flags);
(1)fd_in
待输入数据的文件描述符,如果fd_in
是一个管道文件,那么off_in
必须被设置为NULL;如果不是,那么off_in
表示从输入数据流的何处开始读取数据,此时,若off_in
被设置为NULL,则表示从输入数据流的当前偏移位置读入;若off_in
不为NULL,则将指出具体的偏移位置;
(2)fd_out/off_out
参数含义与fd_in/off_in
相同,不过用于输出流;
参考
(1)《Linux高性能服务器编程》
原文始发于微信公众号(周末程序猿):Linux高性能网络编程十谈|系统调用
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