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网络通讯核心知识

news 2025/8/16 6:32:03

网络通讯核心知识

一、核心概念

1. Socket

是什么：进程间通信(IPC)的扩展机制
用途：建立网络通信通道（TCP/UDP）
流程：

服务端：socket → bind → listen → accept
客户端：socket → connect → write/read → close
注意事项：需处理字节序转换(htonl/ntohl)

2. TCP vs UDP

特性	TCP	UDP
连接方式	面向连接（三次握手）	无连接
可靠性	可靠传输（重传机制）	不可靠传输
数据形式	流式套接字	数据报套接字
适用场景	文件传输、网页浏览	实时视频、DNS查询

二、服务器模型

1. 迭代服务器

缺陷：单线程阻塞，无法并发处理请求

2. 进程/线程模型

进程方案：

需用waitpid()避免僵尸进程
注意：子进程结束需父进程回收资源

僵尸进程处理详解：

产生原因：
- 子进程终止但未被父进程wait()
- 会占用系统进程表资源

处理方法：

同步回收：
```
waitpid(pid, NULL, 0); // 阻塞等待
```

异步回收（推荐）：

signal(SIGCHLD, [](int) {while(waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
});

特殊情形：
- 父进程先终止时，僵尸进程由init进程接管并回收
- 批量回收时需循环调用waitpid()

线程方案：

需处理共享变量加锁问题
线程同步更复杂（临界区/锁机制）

3. 进程池优化

类型	特点
静态进程池	预创建进程，限制并发上限
动态进程池	维护最小/最大空闲进程数

三、高性能I/O模型

1. 传统阻塞模型

特点：

单线程阻塞等待I/O就绪
资源利用率低

2. Select/Poll

特性	Select	Poll
实现原理	位图轮询FD(描述符集)	链表轮询FD(描述符集)
最大连接数	1024（FD_SETSIZE限制）	无硬性限制
效率缺陷	O(n)线性扫描	O(n)线性扫描
跨平台性	所有平台支持	所有平台支持

3. Epoll

核心机制：

事件注册：通过epoll_ctl维护红黑树
就绪列表：内核维护就绪FD双向链表
触发模式：
- LT（Level Trigger）：类似Poll的触发方式
- ET（Edge Trigger）：状态变化时单次通知

性能优势：

O(1)事件通知复杂度
百万级连接支持（C1000K场景）

4. NIO（Non-blocking I/O）

核心组件：

Channel：全双工通信管道（SocketChannel/FileChannel）
Buffer：结构化数据容器（ByteBuffer/CharBuffer）
Selector：多路复用器（基于系统epoll/kqueue实现）

工作流程：

start
: 创建Selector;
: 注册Channel到Selector;
repeat: select()查询就绪事件;: 处理SelectionKey事件;
repeat while (有事件?) 
stop

5. AIO（Asynchronous I/O）

实现原理：

内核完成I/O操作后主动回调
无需用户线程轮询

典型场景：

大文件异步读写
高延迟网络操作

6. 完整对比表

模型	阻塞性	线程要求	触发方式	适用场景
阻塞I/O	完全阻塞	1:1	-	低并发简单场景
Select	非阻塞	1:N	轮询通知	跨平台中等并发
Poll	非阻塞	1:N	轮询通知	连接数<10K
Epoll	非阻塞	1:N	事件驱动	Linux高并发系统
NIO	非阻塞	1:N	就绪选择	高吞吐应用
AIO	异步	0:1	完成回调	延迟敏感型操作

补充说明

内核支持：
- Windows：IOCP是真正的异步I/O
- Linux：5.1+内核的io_uring接近真异步
性能临界点：
- C10K：Select/Poll达到性能瓶颈
- C100K：必须使用Epoll/NIO
- C1000K：需要Epoll+零拷贝优化
编程复杂度：
- 阻塞I/O < Select < Poll < Epoll < NIO < AIO