Linux高性能网络编程十谈 | 系统调用

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。

Linux高性能网络编程十谈 | 系统调用

#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;

Linux高性能网络编程十谈 | 系统调用

第一部分：基础API

1、主机字节序和网络字节序

2、socket地址

3、socket创建

4、bind

5、listen

6、accept

7、connect

8、close和shutdown

9、读写数据

10、获取地址信息

11、一些socket选项

第二部分：I/O函数

1、pipe

2、socketpair

3、dup和dup2

4、readv和writev

5、sendfile

6、splice

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