Linux TCP与Socket与IO多路复用（Epoll）

目录

一、背景

二、交互流程

2.1 数据流动

2.2 对象之间的关系

三、TCP

3.1 为什么需要三次握手

3.2 三次握手流程

3.3 三次握手后的产物

3.4 TCB

四、Socket

4.1 Java Socket和C++ Socket

4.2 Socket的本质

4.3 Socket和TCB的关系

4.4 通过文件描述符调用Socket的流程

五、Epoll

5.1 Epoll 结构

5.2 Epoll简要工作流程

5.3 Epoll代码

5.4 epoll_ctl过程

5.5 epoll_wait过程

5.6 水平触发（LT）与边缘触发（ET）

5.7 与Java NIO关系

一、背景

网络传输无处不在，正确理解网络传输的步骤有助于我们写出高性能的程序，也有助于我们解决程序中出现的问题。

二、交互流程

下面的不理解可以跳过 二、交互流程

2.1 数据流动

网卡 → DMA缓冲区 → 协议栈处理（IP/TCP） → TCB接收缓冲区 → recv() → 用户空间缓冲区
应用程序 → send() → 用户空间缓冲区 → 内核发送缓冲区 → 协议栈处理 → 网卡队列 → 网络

2.2 对象之间的关系

epoll→fd → struct file → struct socket → struct sock（TCB 的核心数据结构）

三、TCP

老生常谈的东西了，基本就是三次握手，但这次我会从操作系统角度，谈谈还干了什么，还包括三次握手的生成对象TCB

3.1 为什么需要三次握手

  • 第一次握手（SYN）：服务端确认客户端的发送能力正常。

  • 第二次握手（SYN-ACK）：客户端确认服务端的接收和发送能力正常。

  • 第三次握手（ACK）：服务端确认客户端的接收能力正常。

  • 只有三次握手后，双方才能确保彼此能正常收发数据。

TCP三次握手发生在网络协议的传输层

3.2 三次握手流程

  1. 客户端发起连接

    • 用户调用connect()，内核发送SYN报文（设置初始序列号ISN）。

    • 创建TCB（传输控制块）：内核为连接分配资源（如struct tcp_sock），初始化序列号（ISN）、窗口大小等参数，TCB状态变为SYN_SENT

  2. 服务端响应

    • DMA写入内存：网卡通过DMA直接将报文数据（包括TCP头、IP头、以太网帧等）写入内核预分配的接收缓冲区（如sk_buff结构）。

    • 触发软中断：随后网卡触发软中断（如Linux中的NET_RX_SOFTIRQ），通知内核有新的数据包需要处理。

    • 创建半连接：
      内核协议栈解析SYN包，创建传输控制块（TCB），初始化连接状态（如序列号、窗口大小），并将连接状态设为SYN_RCVD（半开连接）。

    • 加入半连接队列（SYN Queue）：
      该连接（TCB）被存入半连接队列，等待客户端确认。

    • 构造SYN-ACK包：
      内核生成SYN-ACK响应（设置SYN和ACK标志，分配服务器初始序列号，确认号为客户端的序列号+1）。

    • DMA发送数据：
      报文通过内核协议栈封装（TCP头→IP头→MAC头），存入网卡发送缓冲区，网卡通过DMA读取并发送。、

    • 启动重传定时器：
      为防止丢包，内核启动定时器（默认约1秒），若未收到客户端的ACK，将重传SYN-ACK

  3. 最终确认

    • 客户端收到SYN-ACK后，状态变为ESTABLISHED，发送ACK。

    • 服务端收到ACK后，做3-6步骤的操作

    • DMA与软中断：客户端的ACK包由网卡通过DMA写入内存，再次触发NET_RX_SOFTIRQ软中断。
    • 验证ACK：内核检查ACK的合法性（确认号是否为服务器序列号+1）。
    • 连接状态迁移：若验证通过，连接状态转为ESTABLISHED，并从半连接队列移至全连接队列（Accept Queue）。
    • 通知应用层：应用通过accept()系统调用从全连接队列中获取新连接，开始数据传输。

3.3 三次握手后的产物

主要是TCB和全连接队列

全连接队列：存放已建立连接但未被accept()取出的TCB

3.4 TCB

1. 存储连接状态信息

  • 连接状态：记录 TCP 状态机的当前阶段（如 ESTABLISHED、TIME_WAIT、SYN_RECEIVED 等）。

  • 端点信息：保存本地和远端的 IP 地址及端口号，唯一标识一个 TCP 连接。

  • 序列号和确认号：维护发送和接收数据的序列号（SEQ）和确认号（ACK），保证数据有序性和可靠性。

２. 完成数据传输

  • 每个 TCP 连接由 四元组 唯一标识：
    <本地 IP, 本地端口, 远端 IP, 远端端口>
    只要四元组中任意一个元素不同，内核就会视为 不同的 TCP 连接，并为其分配独立的 TCB（传输控制块）。

    当应用程序通过socket fd执行read()/write()时，内核会通过关联的TCB完成实际的数据传输

３. 缓冲区和数据管理

  • 发送缓冲区：暂存应用层待发送的数据，直到收到对方的确认。

  • 接收缓冲区：存储已接收但尚未被应用层读取的数据。

４. 流量控制与窗口管理

  • 滑动窗口：记录接收方的可用缓冲区大小（窗口大小），控制发送速率以避免接收方溢出。

  • 发送和接收窗口：跟踪当前允许发送的数据范围和已确认的数据范围。

５. 连接生命周期管理

  • 三次握手：跟踪 SYN、SYN-ACK、ACK 的交换过程，完成连接建立。

  • 四次挥手：管理 FIN 包的交换，确保连接正常关闭或终止。

​​​​

四、Socket

4.1 Java Socket和C++ Socket

Java Socket 和 C++ Socket 在 Linux 上的本质是相同的，它们的底层实现均基于 Linux 内核提供的同一套 Socket 接口。无论是 Java 的 java.net.Socket 还是 C++ 的 sys/socket.h，最终都会通过系统调用（如 socket(), bind(), connect() 等）与内核交互。区别仅在于语言层面的封装和 API 设计。

既然是一样的，我们后面主要是在操作系统层级进行分析。

4.2 Socket的本质

Socket是文件描述符的一种类型。文件描述符可以表示多种资源（文件、管道、Socket等），Socket是其中用于网络通信的一种。

通过文件描述符操作Socket：Socket的读写、关闭等操作均可通过其关联的文件描述符完成：

使用通用I/O函数：如 read()、write()、close()。

使用Socket专用函数：如 send()、recv()、bind()、connect() 等，这些函数需要文件描述符作为参数。

4.3 Socket和TCB的关系

一一对应关系

  • 每个 TCP Socket 对应一个 TCB：

    • 当应用调用 socket() 创建一个 TCP Socket 后，内核会为这个 Socket 分配一个 TCB。

    • TCB 的生命周期与 Socket 绑定：Socket 被创建时 TCB 初始化，Socket 关闭时 TCB 释放。

  • Socket 是 TCB 的“用户态句柄”：

    • 应用通过 Socket 文件描述符操作连接（如发送数据、接收数据、关闭连接），内核根据 Socket 找到对应的 TCB，修改其状态或触发协议行为（如重传、流量控制）。

  • 发送数据：

    • 应用通过 send() 写入 Socket 的数据会暂存到 TCB 的发送缓冲区，TCP 协议根据 TCB 中的窗口和拥塞控制参数决定何时发送。

  • 接收数据：

    • 内核将收到的数据存入 TCB 的接收缓冲区，应用通过 recv() 从 Socket 读取时，数据从接收缓冲区复制到用户空间。

每个 Socket 文件描述符（fd）在内核中关联到一个 struct socket 结构，该结构指向对应的 struct sock（即 TCB 的核心数据结构）。
关系链：
fd → struct file → struct socket → struct sock（含接收缓冲区）。

4.4 通过文件描述符调用Socket的流程

对象级调用流程：

用户调用 read(sockfd, buf, len)↓
通过 sockfd 找到进程文件描述符表中的 struct file↓
struct file 的 f_op->read() 调用 Socket 的具体实现（如 sock_read()）↓
内核通过 struct file 的 private_data 找到 struct socket↓
最终操作 struct sock 的接收缓冲区（sk_receive_queue）读取数据

接收流程：

  1. 数据到达内核：
    数据包经过网卡接收、协议栈解析（IP/TCP 层处理）后，最终存入对应 TCP 连接的 TCB 接收缓冲区。该缓冲区位于内核空间，由内核管理。

  2. 应用程序调用 recv()：
    当应用程序调用 recv(fd, buf, len, flags) 时：

    • fd（文件描述符）：关联到特定的 Socket，而该 Socket 绑定到唯一的 TCB。

    • 内核操作：
      内核从该 TCB 的接收缓冲区中，复制数据到用户提供的缓冲区 buf（位于用户空间）。

    • 数据移除：
      被成功复制的数据会从 TCB 的接收缓冲区中移除，释放空间，接收窗口（rwnd）随之扩大。

  3. 返回结果：

    • 若接收缓冲区中有数据，recv() 立即返回实际读取的字节数。

    • 若接收缓冲区为空：

      • 阻塞模式：进程休眠，直到新数据到达或连接关闭。

      • 非阻塞模式：立即返回错误码（如 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）。

Q：TCB接收缓冲区的作用是什么？

（1）数据暂存与排序

  • TCB 的接收缓冲区存储已通过 TCP 协议验证的、按序排列的数据。例如：

    • 若数据包乱序到达，内核会在缓冲区中等待缺失的序列号填补后，再通知应用层读取。

    • 若数据重复（如重传包），内核直接丢弃冗余数据。

（2）流量控制的基础

  • 接收缓冲区的剩余空间决定了 TCP 的 接收窗口（rwnd）。此窗口通过 ACK 报文通告给发送方，控制其发送速率。

  • 若缓冲区满，rwnd=0，发送方暂停发送，避免数据被丢弃。

（3）内核与用户空间的桥梁

  • 数据从内核的 TCB 接收缓冲区到用户空间的 buf，必须通过 拷贝（如 copy_to_user()）。
    （注：零拷贝技术如 splice() 或 sendfile() 可绕过此步骤，但常规 recv() 需要拷贝。）

发送流程：

1. 应用程序提交数据

  • send()/write() 系统调用：
    应用程序将数据写入用户空间缓冲区，调用 send() 触发系统调用。

  • 数据拷贝到内核：
    数据从用户空间拷贝到 TCB 的发送缓冲区（内核空间）。

2. 发送缓冲区管理

  • 分片与封装：
    内核根据 MSS 将数据分片，添加 TCP/IP 头部，生成 TCP 段。

  • 发送窗口约束：
    仅允许发送窗口内的数据（已发送未确认数据 + 可发送未发送数据 ≤ 发送窗口大小）。

3. 协议栈处理

  • 滑动窗口与序列号：
    每个 TCP 段携带序列号（seq），接收方据此确认数据顺序。

  • 重传机制：
    已发送但未确认的 TCP 段保留在发送缓冲区的重传队列中，超时（RTO）或收到重复 ACK 时触发重传。

4. 网络层与网卡发送

  • IP 层处理：
    添加 IP 头部，路由选择，分片（若超过 MTU）。

  • 网卡队列：
    TCP 段交给网卡驱动，存入发送队列（如 tx_ring），通过 DMA 发送到网络。

五、Epoll

经过上面的介绍，我们对文件描述符、Socket、TCP有相应的了解，也明白了文件描述符是如何操作网络连接的。

那假如有大量的网络连接时，我们该如何管理呢？

目前主流的方法是I/O 多路复用，即单线程/少量线程监听多个socket事件

Epoll是Linux下的一种I/O多路复用机制，用于高效地处理大量文件描述符

5.1 Epoll 结构

epoll 的实现依赖于两个核心数据结构：红黑树（Red-Black Tree） 和 就绪队列（Ready List）。它们共同协作，使得 epoll 能够高效地管理海量文件描述符（FD）的 I/O 事件。

红黑树是 epoll 实例中用于 存储所有被监控的文件描述符（FD） 的数据结构。每个通过 epoll_ctl 添加的 FD（如套接字、管道等）都会在红黑树中注册为一个节点。

设计原因

  • 高效动态操作：红黑树是一种自平衡二叉搜索树，插入、删除、查找的时间复杂度均为 O(log N)，适合频繁增删 FD 的场景（例如 Web 服务器处理大量短连接）。

  • 快速定位 FD：当某个 FD 发生事件（如可读、可写）时，内核需要快速找到该 FD 的监控信息（例如用户关注的事件类型），红黑树的特性确保了这一过程的效率。

  • 避免重复注册：红黑树的唯一性保证同一个 FD 不会被重复添加，避免资源浪费。

就绪队列是 epoll 实例中用于 临时存储已触发事件的 FD 的链表结构。当某个被监控的 FD 发生事件（例如套接字收到数据），内核会将该 FD 添加到就绪队列中。

设计原因

  • 快速事件通知：用户调用 epoll_wait 时，内核无需遍历所有被监控的 FD，而是直接检查就绪队列，时间复杂度接近 O(1)。

  • 事件去重与合并：如果同一 FD 的多个事件连续触发（如多次可读），就绪队列会合并这些事件，避免重复通知。

  • 支持边缘触发（Edge-Triggered, ET）模式：在 ET 模式下，事件仅在状态变化时触发一次，就绪队列确保事件不会被遗漏。

工作流程

  1. 事件触发：当某个 FD 发生事件（如数据到达），内核调用与该 FD 关联的回调函数。

  2. 加入就绪队列：回调函数将 FD 插入就绪队列，并标记触发的事件类型。

  3. 用户获取事件：用户调用 epoll_wait 时，内核将就绪队列中的事件拷贝到用户空间，并清空队列（取决于触发模式）。

5.2 Epoll简要工作流程

  1. 创建epoll实例

    • 使用 epoll_create1() 创建epoll文件描述符。

  2. 创建并配置监听Socket

    • 创建TCP Socket，设置为非阻塞模式，绑定地址并开始监听。

  3. 注册监听Socket到epoll

    • 通过 epoll_ctl() 将监听Socket加入epoll监控，关注 EPOLLIN 事件（新连接事件）。

  4. 事件循环

    • 使用 epoll_wait() 阻塞等待事件发生。

    • 遍历就绪事件列表，处理不同类型的事件：

      • 新连接：接受连接，将新Socket加入epoll监控。

      • 数据可读：读取数据并处理，必要时注册 EPOLLOUT 事件准备写入。

      • 数据可写：发送数据，完成后取消 EPOLLOUT 监控。

      • 错误/关闭：移除并关闭Socket。

  5. 清理资源

    • 关闭所有Socket和epoll实例。

5.3 Epoll代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>#define MAX_EVENTS 10
#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 1024// 设置文件描述符为非阻塞模式
void set_nonblocking(int fd) {int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
}int main() {int listen_fd, epoll_fd, nfds;struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];struct sockaddr_in addr;// 1. 创建监听Socketlisten_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listen_fd == -1) {perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}// 绑定并监听memset(&addr, 0, sizeof(addr));addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);addr.sin_port = htons(PORT);if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) {perror("bind");close(listen_fd);exit(EXIT_FAILURE);}if (listen(listen_fd, SOMAXCONN)) {perror("listen");close(listen_fd);exit(EXIT_FAILURE);}set_nonblocking(listen_fd); // 非阻塞模式// 2. 创建epoll实例epoll_fd = epoll_create1(0);if (epoll_fd == -1) {perror("epoll_create1");close(listen_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 3. 注册监听Socket到epollev.events = EPOLLIN; // 关注可读事件ev.data.fd = listen_fd;if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ev)) {perror("epoll_ctl: listen_fd");close(listen_fd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("Server listening on port %d...\n", PORT);// 4. 事件循环while (1) {nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);if (nfds == -1) {perror("epoll_wait");break;}for (int i = 0; i < nfds; i++) {int fd = events[i].data.fd;// 处理新连接if (fd == listen_fd) {struct sockaddr_in client_addr;socklen_t addrlen = sizeof(client_addr);int client_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &addrlen);if (client_fd == -1) {perror("accept");continue;}set_nonblocking(client_fd); // 新Socket设为非阻塞ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 边缘触发模式（可选）ev.data.fd = client_fd;if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &ev) == -1) {perror("epoll_ctl: client_fd");close(client_fd);}printf("New connection: fd %d\n", client_fd);// 处理数据可读} else if (events[i].events & EPOLLIN) {char buffer[BUFFER_SIZE];ssize_t nread = recv(fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);if (nread > 0) {printf("Received from fd %d: %.*s\n", fd, (int)nread, buffer);// 回显数据（示例）send(fd, buffer, nread, 0);} else if (nread == 0 || (nread == -1 && errno != EAGAIN)) {// 关闭连接printf("Closing fd %d\n", fd);epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);close(fd);}}// 处理其他事件（如EPOLLOUT、EPOLLERR等）}}// 清理资源close(listen_fd);close(epoll_fd);return 0;
}

5.4 epoll_ctl过程

当通过 epoll_ctl(EPOLL_CTL_ADD) 将一个fd（如Socket）添加到epoll实例时，内核会执行以下操作：

(1) 注册回调函数到fd的等待队列

  1. 为fd创建epoll条目（epitem）：包含fd的信息和关注的事件（如EPOLLIN）。

  2. 将回调函数 ep_poll_callback 注册到fd的等待队列：

    • 调用fd的 poll 方法（如Socket的 sock_poll）。

    • poll 方法将 ep_poll_callback 添加到fd的等待队列中。

(2) 事件触发时的回调流程

  1. 数据到达触发硬件中断：网卡接收数据后，内核协议栈处理数据并标记Socket为可读。

  2. 唤醒等待队列：

    • 内核调用Socket等待队列中的回调函数 ep_poll_callback。

    • ep_poll_callback 将对应的fd（封装为 epitem）加入epoll的就绪队列（rdllist）。

  3. 通知用户程序：

    • 如果用户程序阻塞在 epoll_wait，内核唤醒该线程，使其从 epoll_wait 返回并处理就绪事件。

5.5 epoll_wait过程

epoll_wait 是 epoll 机制的核心函数，它负责 等待并获取已就绪的事件。

步骤 1：进入内核态

  • 用户程序调用 epoll_wait 时，会从用户态切换到内核态。

  • 内核访问 epoll 实例的数据结构（包括 红黑树 和 就绪队列）。

步骤 2：检查就绪队列

  • epoll 实例维护一个 就绪队列（ready list），其中保存所有已触发事件的fd。

  • 如果就绪队列非空，内核直接从中取出事件，填充到用户空间的 events 数组。

  • 如果队列为空，且 timeout=-1，线程阻塞在此处，直到有新事件到来或信号中断。

步骤 3：监控fd状态（若就绪队列为空）

  • 若就绪队列为空，内核通过 回调机制 监控所有注册的fd：

    • 当某个fd发生事件（如socket接收数据），内核会将该fd添加到就绪队列。

    • 这一过程由内核的 事件驱动机制 实现，无需轮询所有fd，效率极高。

步骤 4：返回就绪事件

  • 将就绪队列中的事件复制到用户空间的 events 数组。

  • 返回就绪事件的数量 nfds，用户程序通过遍历 events[0..nfds-1] 处理事件。

  • 如果此时有线程阻塞在 epoll_wait，内核会唤醒该线程

5.6 水平触发（LT）与边缘触发（ET）

行为水平触发（LT）边缘触发（ET）
触发时机只要缓冲区有数据/可写，持续触发仅在缓冲区状态变化时触发一次（如新数据到达）
数据未读尽的后果下次 epoll_wait 继续报告事件不再触发事件，可能导致数据滞留
编程复杂度较低（无需一次性处理所有数据）较高（需循环读写至 EAGAIN）
适用场景简单场景、小数据量高性能场景、需精细化控制

5.7 与Java NIO关系

Java NIO 在不同的操作系统和 JDK 版本中确实会使用不同的底层实现，其中在 Linux 系统上，Java NIO 的 Selector（多路复用机制）默认是基于 epoll 实现的

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开源 OIDC（OpenID Connect）身份提供方（IdP）、iam选型

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第三十二天打卡

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作业&#xff1a;参考pdpbox官方文档中的其他类&#xff0c;绘制相应的图&#xff0c;任选即可 1. 安装并导入库 确保安装与文档版本一致的 pdpbox&#xff08;此处以 0.3.0 为例&#xff09;&#xff1a; bash 复制 下载 pip install pdpbox0.3.0 导入所需库&#xff1a…
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