服务器端编程心得（六）—— 关于网络编程的一些实用技巧和细节
这些年，接触了形形色色的项目，写了不少网络编程的代码，从windows到linux，跌进了不少坑，由于网络编程涉及很多细节和技巧，一直想写篇文章来总结下这方面的心得与经验，希望对来者有一点帮助，那就善莫大焉了。
本文涉及的平台包括windows和linux，下面开始啦。
一、非阻塞的的connect()函数如何编写
我们知道用connect()函数默认是阻塞的，直到三次握手建立之后，或者实在连不上超时返回，期间程序执行流一直阻塞在那里。那么如何利用connect()函数编写非阻塞的连接代码呢？
无论在windows还是linux平台都可以采取以下思路来实现：
1. 创建socket时，将socket设置成非阻塞模式，具体如何设置可参考我这个系列的文章《服务器编程心得（四）—— 如何将socket设置为非阻塞模式》；
2. 接着调用connect()进行连接，如果connect()能立即连接成功，则返回0；如果此刻不能立即连接成功，则返回-1（windows上返回SOCKET_ERROR也等于-1），这个时候错误码是WSAEWOULDBLOCK（windows平台），或者是EINPROGRESS（linux平台），表明立即暂时不能完成。
3. 接着调用select()函数在指定的时间内检测socket是否可写，如果可写表明connect()连接成功。
需要注意的是：linux平台上connect()暂时不能完成返回-1，错误码可能是EINPROGRESS，也可能是由于被信号给中断了，这个时候错误码是：EINTR。这种情况也要考虑到；而在windows平台上除了用select()函数去检测socket是否可写，也可以使用windows平台自带的函数WSAAsyncSelect或WSAEventSelect来检测。
下面是代码：
/**
*@param timeout 连接超时时间，单位为秒
*@return 连接成功返回true，反之返回false
**/
bool CSocket::Connect(int timeout)
{
//windows将socket设置成非阻塞的方式
unsigned long on = 1;
if (::ioctlsocket(m_hSocket, FIONBIO, &on) < 0)
return false;
//linux将socket设置成非阻塞的方式
//将新socket设置为non-blocking
/*
int oldflag = ::fcntl(newfd, F_GETFL, 0);
int newflag = oldflag | O_NONBLOCK;
if (::fcntl(m_hSocket, F_SETFL, newflag) == -1)
return false;
*/
struct sockaddr_in addrSrv = { 0 };
addrSrv.sin_family = AF_INET;
addrSrv.sin_addr = htonl(addr);
addrSrv.sin_port = htons((u_short)m_nPort);
int ret = ::connect(m_hSocket, (struct sockaddr*)&addrSrv, sizeof(addrSrv));
if (ret == 0)
return true;
//windows下检测WSAEWOULDBLOCK
if (ret < 0 && WSAGetLastError() != WSAEWOULDBLOCK)
return false;
//linux下需要检测EINPROGRESS和EINTR
/*
if (ret < 0 && (errno != EINPROGRESS || errno != EINTR))
return false;
*/
fd_set writeset;
FD_ZERO(&writeset);
FD_SET(m_hSocket, &writeset);
struct timeval tv;
tv.tv_sec = timeout;
//可以利用tv_usec做更小精度的超时设置
tv.tv_usec = 0;
if (::select(m_hSocket + 1, NULL, &writeset, NULL, &tv) != 1)
return false;
return true;
}
二、非阻塞socket下如何正确的收发数据
这里不讨论阻塞模式下，阻塞模式下send和recv函数如果tcp窗口太小或没有数据的话都是阻塞在send和recv调用处的。对于收数据，一般的流程是先用select（windows和linux平台皆可）、WSAAsyncSelect()或WSAEventSelect()（windows平台）、poll或epoll_wait（linux平台）检测socket有数据可读，然后进行收取。对于发数据，；linux平台下epoll模型存在水平模式和边缘模式两种情形，如果是边缘模式一定要一次性把socket上的数据收取干净才行，也就是一定要循环到recv函数出错，错误码是EWOULDBLOCK。而linux下的水平模式或者windows平台上可以根据业务一次性收取固定的字节数，或者收完为止。还有个区别上文也说过，就是windows下发数据的代码稍微有点不同的就是不需要检测错误码是EINTR，只需要检测是否是WSAEWOULDBLOCK。代码如下：
用于windows或linux水平模式下收取数据，这种情况下收取的数据可以小于指定大小，总之一次能收到多少是多少：
bool TcpSession::Recv()
{
//每次只收取256个字节
char buff[256];
//memset(buff, 0, sizeof(buff));
int nRecv = ::recv(clientfd_, buff, 256, 0);
if (nRecv == 0)
return false;
inputBuffer_.add(buff, (size_t)nRecv);
return true;
}如果是linux epoll边缘模式（ET），则一定要一次性收完：
bool TcpSession::RecvEtMode()
{
//每次只收取256个字节
char buff[256];
while (true)
{
//memset(buff, 0, sizeof(buff));
int nRecv = ::recv(clientfd_, buff, 256, 0);
if (nRecv == -1)
{
if (errno == EWOULDBLOCK || errno == EINTR)
return true;
return false;
}
//对端关闭了socket
else if (nRecv == 0)
return false;
inputBuffer_.add(buff, (size_t)nRecv);
}
return true;
}
用于linux平台发送数据：
bool TcpSession::Send()
{
while (true)
{
int n = ::send(clientfd_, buffer_, buffer_.length(), 0);
if (n == -1)
{
//tcp窗口容量不够, 暂且发不出去,下次再发
if (errno == EWOULDBLOCK)
break;
//被信号中断，继续发送
else if (errno == EINTR)
continue;
return false;
}
//对端关闭了连接
else if (n == 0)
return false;
buffer_.erase(n);
//全部发送完毕
if (buffer_.length() == 0)
break;
}
return true;
}
另外，收发数据还有个技巧是设置超时时间，除了用setsocketopt函数设置send和recv的超时时间以外，还可以自定义整个收发数据过程中的超时时间，思路是开始收数据前记录下时间，收取完毕后记录下时间，如果这个时间差大于超时时间，则认为超时，代码分别是：
long tmSend = 3*1000L;
long tmRecv = 3*1000L;
setsockopt(m_hSocket, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY,(LPSTR)&noDelay, sizeof(long));
setsockopt(m_hSocket, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO,(LPSTR)&tmSend, sizeof(long));
int httpclientsocket::RecvData(string& outbuf,int& pkglen)
{
if(m_fd == -1)
return -1;
pkglen = 0;
char buf[4096];
time_t tstart = time(NULL);
while(true)
{
int ret = ::recv(m_fd,buf,4096,0);
if(ret == 0)
{
Close();
return 0;//对方关闭socket了
}
else if(ret < 0)
{
if(errno == EAGAIN || errno ==EWOULDBLOCK || errno == EINTR)
{
if(time(NULL) - tstart > m_timeout)
{
Close();
return 0;
}
else
continue;
}
else
{
Close();
return ret;//接收出错
}
}
outbuf.append(buf,buf+ret);
pkglen = GetBufLen(outbuf.data(),outbuf.length());
if(pkglen <= 0)
{//接收的数据有问题
Close();
return pkglen;
}
else if(pkglen <= (int)outbuf.length())
break;//收够了
}
return pkglen;//返回该完整包的长度
}三、如何获取当前socket对应的接收缓冲区中有多少数据可读
Windows上可以使用ioctlsocket()这个函数，代码如下：
ulong bytesToRecv;
if (ioctlsocket(clientsock, FIONREAD, &bytesToRecv) == 0)
{
//在这里，bytesToRecv的值即是当前接收缓冲区中数据字节数目
}
linux平台我没找到类似的方法。可以采用我上面说的通用方法《非阻塞socket下如何正确的收发数据》来做。当然有人说可以这么写（我在linux man手册ioctl函数栏目上并没有看到这个函数可以使用FIONREAD这样的标志，不同机器可能也有差异，具体可不可以得需要你根据你的linux系统去验证）：
ulong bytesToRecv;
if (ioctl(clientsock, FIONREAD, &bytesToRecv) == 0)
{
//在这里，bytesToRecv的值即是当前接收缓冲区中数据字节数目
}
四、上层业务如何解析和使用收到的数据包？
这个话题实际上是继上一个话题讨论的。这个问题也可以回答常用的面试题：如何解决数据的丢包、粘包、包不完整的问题。首先，因为tcp协议是可靠的，所以不存在丢包问题，也不存在包顺序错乱问题（udp会存在这个问题，这个时候需要自己使用序号之类的机制保证了，这里只讨论tcp）。一般的做法是先收取一个固定大小的包头信息，接着根据包头里面指定的包体大小来收取包体大小（这里“收取”既可以从socket上收取，也可以在已经收取的数据缓冲区里面拿取）。举个例子：
#pragma pack(push, 1)
struct msg
{
int32_t cmd; //协议号
int32_t seq; //包序列号（同一个请求包和应答包的序列号相同）
int32_t packagesize; //包体大小
int32_t reserved1; //保留字段，在应答包中内容保持不变
int32_t reserved2; //保留字段，在应答包中内容保持不变
};
/**
* 心跳包协议
**/
struct msg_heartbeat_req
{
msg header;
};
struct msg_heartbeat_resp
{
msg header;
};
/**
* 登录协议
**/
struct msg_login_req
{
msg header;
char user[32];
char password[32];
int32_t clienttype; //客户端类型
};
struct msg_login_resp
{
msg header;
int32_t status;
char user[32];
int32_t userid;
};
#pragma pack(pop)
看上面几个协议，拿登录请求来说，每次可以先收取一个包头的大小，即sizeof(msg)，然后根据msg.packagesize的大小再收取包体的大小sizeof(msg_login_req) - sizeof(msg)，这样就能保证一个包完整了，如果包头或包体大小不够，则说明数据不完整，继续等待更多的数据的到来。
因为tcp协议是流协议，对方发送10个字节给你，你可能先收到5个字节，再收到5个字节；或者先收到2个字节，再收到8个字节；或者先收到1个字节，再收到9个字节；或者先收到1个字节，再收到7个字节，再收到2个字节。总之，你可能以这10个字节的任意组合方式收取到。所以，一般在正式的项目中的做法是，先检测socket上是否有数据，有的话就收一下（至于收完不收完，上文已经说了区别），收好之后，在收到的字节中先检测够不够一个包头大小，不够下次收数据后再检测；如果够的话，再看看够不够包头中指定的包体大小，不够下次再处理；如果够的话，则取出一个包的大小，解包并交给上层业务逻辑。注意，这个时候还要继续检测是否够下一个包头和包体，如此循环下去，直到不够一个包头或者包体大小。这种情况很常见，尤其对于那些对端连续发数据包的情况下。
五、nagle算法
nagle算法的是操作系统网络通信层的一种发送数据包机制，如果开启，则一次放入网卡缓冲区中的数据（利用send或write等）较小时，可能不会立即发出去，只要当多次send或者write之后，网卡缓冲区中的数据足够多时，才会一次性被协议栈发送出去，操作系统利用这个算法减少网络通信次数，提高网络利用率。对于实时性要求比较高的应用来说，可以禁用nagle算法。这样send或write的小数据包会立刻发出去。系统默认是开启的，禁用方法如下：
long noDelay = 1;
setsockopt(m_hSocket, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY,(LPSTR)&noDelay, sizeof(long));noDelay为1禁用nagle算法，为0启用nagle算法。
六、select函数的第一个参数问题
select函数的原型是：
int select(
_In_ int nfds,
_Inout_ fd_set *readfds,
_Inout_ fd_set *writefds,
_Inout_ fd_set *exceptfds,
_In_ const struct timeval *timeout
);
使用示例：
fd_set writeset;
FD_ZERO(&writeset);
FD_SET(m_hSocket, &writeset);
struct timeval tv;
tv.tv_sec = 3;
tv.tv_usec = 100;
select(m_hSocket + 1, NULL, &writeset, NULL, &tv)
无论linux还是windows，这个函数都源于Berkeley 套接字。其中readfds、writefds和exceptfds都是一个含有socket描述符句柄数组的结构体。在linux下，第一个参数必须设置成这三个参数中，所有socket描述符句柄中的最大值加1；windows虽然不使用这个参数，却为了保持与Berkeley 套接字兼容，保留了这个参数，所以windows平台上这个参数可以填写任意值。
七、关于bind函数的绑定地址
使用bind函数时，我们需要绑定一个地址。示例如下：
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str());
servaddr.sin_port = htons(port_);
bind(listenfd_, (sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));这里的ip地址，我们一般写0.0.0.0（即windows上的宏INADDR_ANY），或者127.0.0.1。这二者还是有什么区别？如果是前者，那么bind会绑定该机器上的任意网卡地址（特别是存在多个网卡地址的情况下），如果是后者，只会绑定本地回环地址127.0.0.1。这样，使用前者绑定，可以使用connect去连接任意一个本地的网卡地址，而后者只能连接127.0.0.1。举个例子：
上文中，机器有三个网卡地址，如果使用bind到0.0.0.0上的话，则可以使用192.168.27.19或 192.168.56.1或 192.168.247.1任意地址去connect，如果bind到127.0.0.1，则只能使用127.0.0.1这个地址去connect。
八、关于SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT
使用方法如下：
int on = 1;
setsockopt(listenfd_, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&on, sizeof(on));
setsockopt(listenfd_, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, (char *)&on, sizeof(on));这两个socket选项，一般服务器程序用的特别多，主要是为了解决一个socket被系统回收以后，在一个最大存活期（MSL，大约2分钟）内，该socket绑定的地址和端口号不能被重复利用的情况。tcp断开连接时，需要进行四次挥手，为了保证最后一步处于time_wait状态的socket能收到ACK应答，操作系统将socket的生命周期延长至一个MSL。但是这对于服务器程序来说，尤其是重启的情况下，由于重启之后，该地址和端口号不能立刻被使用，导致bind函数调用失败。所以开发者要不变更地址和端口号，要不等待几分钟。这其中任意一个选择都无法承受的。所以可以设置这个选项来避免这个问题。
但是windows上和linux上实现稍有差别，windows上是一个socket回收后，在MSL期间内，其使用的地址和端口号组合其他进程不可以使用，但本进程可以继续重复利用；而linux实现是所有进程在MSL期间内都不能使用，包括本进程。
九、心跳包机制
为了维持一个tcp连接的正常，通常一个连接长时间没有数据来往会被系统的防火墙关闭。这个时候，如果再想通过这个连接发送数据就会出错，所以需要通过心跳机制来维持。虽然tcp协议栈有自己的keepalive机制，但是，我们应该更多的通过应用层心跳包来维持连接存活。那么多长时间发一次心跳包合适呢？在我的过往项目经验中，真是众说纷纭啊，也因此被坑了不少次。后来，我找到了一种比较科学的时间间隔：
先假设每隔30秒给对端发送一个心跳数据包，这样需要开启一个定时器，定时器是每过30秒发送一个心跳数据包。
除了心跳包外，与对端也会有正常的数据来往（非心跳包数据包），那么记下这些数据的send和recv时刻。也就是说，如果最近的30秒内，发送过或者收到过非心跳包外的数据包，那么30秒后就不要发心跳包数据。也就是说，心跳包发送一定是在两端没有数据来往后的30秒才需要发送。这样不仅可以减轻服务器的压力，同时也减少了网络通信流量，尤其对于流量昂贵的移动设备。
当然，心跳包不仅可以用来维持连接正常，也可以携带一些数据，比如定期得到某些数据的最新值，这个时候，上面的方案可能就不太合适了，还是需要每隔30秒发送一次。具体采取哪种，可以根据实际的项目需求来决定。
另外，需要补充一点的时，心跳包一般由客户端发给服务器端，也就是说客户端检测自己是否保持与服务器连接，而不是服务器主动发给客户端。用程序的术语来讲就是调用connect函数的一方发送心跳包，调用listen的一方接收心跳包。
拓展一下，这种思路也可以用于保持与数据库的连接。比如在30秒内没有执行数据库操作后，定期执行一条sql，用以保持连接不断开，比如一条简单的sql：select 1 from user;
十、重连机制
在我早些年的软件开发生涯中，我用connect函数连接一个对端，如果连接不上，那么我会再次重试，如果还是连接不上，会接着重试。如此一直反复下去，虽然这种重连动作放在一个专门的线程里面（对于客户端软件，千万不要放在UI线程里面，不然你的界面将会卡死）。但是如果对端始终连不上，比如因为网络断开。这种尝试其实是毫无意义的，不如不做。其实最合理的重连方式应该是结合下面的两种方案：
1. 如果connect连接不上，那么n秒后再重试，如果还是连接不上2n秒之后再重试，以此类推，4n，8n，16n......
但是上述方案，也存在问题，就是如果当重试间隔时间变的很长，网络突然畅通了，这个时候，需要很长时间才能连接服务器，这个时候，就应该采取方法2。
2. 在网络状态发生变化时，尝试重连。比如一款通讯软件，由于网络故障现在处于掉线状态，突然网络恢复了，这个时候就应该尝试重连。windows下检测网络状态发生变化的API是IsNetworkAlive。示例代码如下：
BOOL IUIsNetworkAlive()
{
DWORD dwFlags; //上网方式
BOOL bAlive = TRUE; //是否在线
bAlive = ::IsNetworkAlive(&dwFlags);
return bAlive;
}
十一、关于错误码EINTR
这个错误码是linux平台下的。对于很多linux网络函数，如connect、send、recv、epoll_wait等，当这些函数出错时，一定要检测错误是不是EINTR，因为如果是这种错误，其实只是被信号中断了，函数调用并没用出错，这个时候要么重试，如send、recv、epoll_wait，要么利用其他方式检测完成情况，如利用select检测connect是否成功。千万不要草草认定这些调用失败，而做出错误逻辑判断。
十二、尽量减少系统调用
对于高性能的服务器程序来说，尽量减少系统调用也是一个值得优化的地方。每一次系统调用就意味着一次从用户空间到内核空间的切换。例如，在libevent网络库，在主循环里面，对于时间的获取是一次获取后就立刻缓存下来，以后如果需要这个时间，就取缓存的。但是有人说，在x86机器上gettimeofday不是系统调用，所以libevent没必要这么做。有没有必要，我们借鉴一下这个减少系统调用的思想而已。
十三、忽略linux信号SIGPIPE
SIGPIPE这个信号针对linux平台的，什么情况下会产生这个信号呢？在 TCP 通信双方中，为了描述方便，以下将通信双方用 A 和 B 代替。当 A “关闭”连接时，若 B 继续给 A 发数据，根据 TCP 协议的规定，B 会收到 A 的一个 RST 报文响应，如 B 继续再往这个服务器发送数据，系统会产生一个 SIGPIPE 信号给该 B 进程，告诉该进程这个连接已经断开了，不要再写了。系统对 SIGPIPE 信号的默认处理行为是让 B 进程退出。
所以应该捕获或者忽略掉这个信号，忽略该信号的代码如下：
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
关于SIGPIPE具体情况可以参考这篇文章：http://blog.csdn.net/lmh12506/article/details/8457772
暂且就整理这么多吧，欢迎交流，欢迎指出文中错乱之处。
更新记录：
zhangyl 于 2017.04.05 增加条款十一。
zhangyl 于 2018.02.01 增加条款三。