秋招突击——8/15——知识补充——Socket通信

引言

• 上次面试腾讯的时候，反复提到了socket通信，不仅仅是不同机器不同进程之间的通信，同一个机器上不同进程之间的通信也是用这个，用的比较广泛，这里是我的知识盲区了，感觉面经上看到过好几次了，这里还是总结一下！补充一下
• 信息来源

正文

• Socket通信是进行端到端的通信，对于下层经过多少局域网、路由器是透明的。
• 进行Socket通信需要指定两个地方，分别是使用IP层协议和传输层协议！
  • IP层协议
    • IPv4==AF_INET
    • IPv6==AF_INET6
  • 传输层协议
    • TCP》》基于字节流》》SOCK_STREAM
    • UDP》》基于数据报》》SOCK_DGRAM

基于TCP协议的Socket通信

• 在服务端进行Socket通信时，会维护两个Socket，一个是监听的Socket，还有一个是专门用来通信的已连接的Socket通信

  • 监听Socket
    • 服务器用来监听客户端链接请求的Socket，会一直等待连接请求，常规的监听8080端口
  • 已连接Socket
    • 当某一个客户端连接到服务器后，服务器会为客户端A生成一个新的Socket

• 此后，客户端A和服务器之间的消息传输都是通过这个已有连接的Socket进行，监听Socket继续等待其他客户端的连接请求

1、服务端设置监听Socket步骤

• bind
  • 绑定IP地址和端口
• listen
  • 服务端进入监听状态，客户端可以进行发起连接，当前的监听Socket会陷入阻塞
  • 维系两个队列
    • established状态的全连接队列
    • syn_rcvd状态的半链接队列
• accept
  • 返回一个新的已经建立的Socket，进行数据传输

2、服务器端创建通信Socket过程

• accept
  • 创建一个新的socket，这个socket是表示服务器和某一个特定客户端的连接
  • 当前链接的标识[客户端IP，客户端端口，监听Socket的IP，监听Socket的端口]
• send和revc
  • 通过这三个数据进行手法数据

3、客户端发起连接创建Socket的过程

• connect
  • 通过connect发起连接，指定目标IP地址和端口号
  • 内核临时为客户端分配一个端口，进行三次握手

Socket的发送接收的底层实现

• 在Linux中是以文件的形式存在的，有对应的文件描述符，写入和读出都是通过文件描述符

  • 每一个Socket中都有两个队列，分别是发送队列和接受队列
  • 每一个队列保存完整的数据包

• 进程和文件的关系

  • 每一个进程都有自己的task_struct，指向能够操作的文件描述符数组，每一个元素是指向内核中打开的文件的列表
  • 进程通过操作对应文件结构，进行调用Socket进行发送数据和接受数据

基于UDP协议的Socket通信

• UDP通信比起TCP通信，有以下几个差异
  • 没有链接
    • 不需要三次握手，不需要在额外创建一个socket通信
  • 不用调用listen和connect
    • 直接bind即可，开启监听端口等
  • 只需要使用sendto和recvfrom进行接收即可！

服务端如何接收更多项目

• 最大连接数计算
  • 标识连接的唯一标志——四元组
  • {本机IP，本机端口，目标IP，目标端口}
  • 2的32次方，2的16次方，最大连接数是2的48次方
  • 受限因素
    • 文件描述符限制，系统中ulimit限制
    • 内存限制，每一个TCP链接都要占用内存，内存有限

多进程

• 实现

  • 每次接收到一个新的socket，就会创建一个新的子进程解决

• 具体实现

  • 父进程调用Fork创建子进程，执行如下操作
    • 复制一个文件描述符列表
    • 复制内存空间
    • 指令计数器：当前程序运行的位置
  • 父进程因为刚才accept创建的已经链接的Socket，也是一个文件描述符，同样会被子进程获得
  • 子进程完成任务，通信完毕之后，退出返回0，标识自己是子进程

多线程

• 实现

  • 每次创建一个新的连接，创建一个新的socket，就创建一个新的线程解决

• 具体实现

  • 主线程调用的pthread_create创建一个新的线程
    • 新线程共享进程的资源
  • 新线程通过通过已经连接的Socket请求，完成通信

没有办法解决C10K问题

IO多路复用==select轮询

• 实现

  • 一个线程负责所有的Socket，依次查看每一个Socket，进行读写操作

• 具体实现

  • Socket本身是文件描述符，保存在一个文件描述符集合中fd_set中
  • 调用select函数，轮询所有的文件描述符是否有变化
  • 将发生变化的文件描述符状态位设置为1

IO多路复用==epoll事件通知

• 同样都是多路复用，只不过这里的调用函数不一样，是使用epoll的方式，这里仅仅总结一下对应的差异就行了
  • 注册通知替换轮询
    • epoll_create创建监听的epoll对象
    • 通过callback函数的方式，当某一个文件描述符发生变化的时候，主动通知
  • 红黑树保存socket
    • epoll_ctl实现节点加入红黑树
    • 将需要监听的节点加入到红黑树中，快速定位发生时间的节点，然后进行监听。

使用Socket实现同一个机器上的多线程通信

服务端创建对应socket监听端口

• 使用java.net.Socket进行编程
  • 创建对应的监听Socket
  • 调用对应的accpet函数获取连接
  • 每一个连接socket都交给一个新的线程处理

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;public class Main {private static final int PORT = 12345;public static void main(String[] args) {try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(PORT)) {System.out.println("Server started on port " + PORT);while (true) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();System.out.println("New client connected: " + clientSocket.getInetAddress().getHostAddress());// 每个连接交给一个新的线程处理new Thread(new ClientHandler(clientSocket)).start();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

处理通信的线程

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;public class ClientHandler implements Runnable {private Socket clientSocket;public ClientHandler(Socket socket) {this.clientSocket = socket;}@Overridepublic void run() {try (BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);) {String message;while ((message = in.readLine()) != null) {System.out.println("Received from client: " + message);out.println("Echo: " + message);if (message.equalsIgnoreCase("exit")) {break;}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();} finally {try {clientSocket.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}
}

客户端发起对应的连接请求

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;public class Main {private static final String SERVER_ADDRESS = "localhost";private static final int SERVER_PORT = 12345;public static void main(String[] args) {try (Socket socket = new Socket(SERVER_ADDRESS, SERVER_PORT);PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true);BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));BufferedReader stdIn = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))) {String userInput;while ((userInput = stdIn.readLine()) != null) {out.println(userInput);System.out.println("Server response: " + in.readLine());if (userInput.equalsIgnoreCase("exit")) {break;}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

总结

• 今天大概了解了Socket通信的相关内容，下次再遇到类型的题目，大差不差，都有一点印象，在考到，再拿过来复习就行了！
• 主要有以下几个部分
  • Socket通信在TCP连接中的应用
  • Socket通信在UDP连接中的应用
  • 如何解决多个Socket通信的问题
  • 本地如何使用Socket通信进行通信