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C++学习笔记（55）

article 2024/10/10 14:58:46

351、三次握手与四次挥手
TCP 是面向连接的、可靠的协议，建立 TCP 连接需要三次对话（三次握手），拆除 TCP 连接需要四
次对话（四次握/挥手）。
一、三次握手
服务端调用 listen()函数后进入监听（等待连接）状态，这时候，客户端就可以调用 connect()函数
发起 TCP 连接请求，connect()函数会触发三次握手，三次握手完成后，客户端和服务端将建立一个双向
的传输通道。
情景类似：
1、客户端对服务端说：我可以给你发送数据吗？
2、服务端回复：ok，不过，我也要给你发送数据。（这时候，客户端至服务端的单向传输通道已建
立）
3、客户端回复：ok。（这时候，服务端至客户端的单向传输通道已建立）
细节：
1）客户端的 socket 也有端口号，对程序员来说，不必关心客户端 socket 的端口号，所以系统随机
分配。（socket 通讯中的地址包括 ip 和端口号，但是，习惯中的地址仅指 ip 地址）
2）服务端的 bind()函数，普通用户只能使用 1024 以上的端口，root 用户可以使用任意端口。
3）listen()函数的第二个参数+1 为已连接队列（ESTABLISHED 状态，三次握手已完成但是没有被
accept()的 socket，只存在于服务端）的大小。（在高并发的服务程序中，该参数应该调大一些）
4）SYN_RECV 状态的连接也称为半连接。
5）CLOSED 是假想状态，实际上不存在。二、四次挥手（握手）
断开一个 TCP 连接时，客户端和服务端需要相互总共发送四个包以确认连接的断开。在 socket 编程
中，这一过程由客户端或服务端任一方执行 close()函数触发。
情景类似：
1）一端（A）对另一端（B）说：我不会给你发数据了，断开连接吧。
2）B 回复：ok。（这时候 A 不能对 B 发数据了，但是，B 仍可以对 A 发数据）
3）B 发完数据了，对 A 说：我也不会给你发数据了。（这时候 B 也不能对 A 发数据了）。
4、A 回复：ok。
细节：
1）主动断开的端在四次挥手后，socket 的状态为 TIME_WAIT，该状态将持续 2MSL（30 秒/1 分
钟/2 分钟）。 MSL（Maximum Segment Lifetime）报文在网络上存在的最长时间，超过这个时间报
文将被丢弃。
2）如果是客户端主动断开，TIME_WAIT 状态的 socket 几乎不会造成危害。a）客户端程序的 socket
很少，服务端程序的 socket 很多（成千上万）；b）客户端的端口是随机分配的，不存在重用的问题。
3）如果是服务端主动断开，有两方面的危害：a）socket 没有立即释放；b）端口号只能在 2MSL
后才能重用。
在服务端程序中，用 setsockopt()函数设置 socket 的属性（一定要放在 bind()之前）。
int opt = 1;
setsockopt(m_listenfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));
352、TCP 缓存
系统为每个 socket 创建了发送缓冲区和接收缓冲区，应用程序调用 send()/write()函数发送数据的
时候，内核把数据从应用进程拷贝 socket 的发送缓冲区中；应用程序调用 recv()/read()函数接收数据的
时候，内核把数据从 socket 的接收缓冲区拷贝应用进程中。
发送数据即把数据放入发送缓冲区中。
接收数据即从接收缓冲区中取数据。
查看 socket 缓存的大小：
int bufsize = 0;
socklen_t optlen = sizeof(bufsize);
getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &bufsize, &optlen); // 获取发送缓冲区的大小。
cout << "send bufsize=" << bufsize << endl;
getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &bufsize, &optlen); // 获取接收缓冲区的大小。
cout << "recv bufsize=" << bufsize << endl;
问题：
1）send()函数有可能会阻塞吗？如果自己的发送缓冲区和对端的接收缓冲区都满了，会阻塞。
2）向 socket 中写入数据后，如果关闭了 socket，对端还能接收到数据吗？
Nagle 算法
在 TCP 协议中，无论发送多少数据，都要在数据前面加上协议头，同时，对方收到数据后，也需要
回复ACK表示确认。为了尽可能的利用网络带宽，TCP希望每次都能够以MSS（Maximum Segment Size，
最大报文长度）的数据块来发送数据。
Nagle 算法就是为了尽可能发送大块的数据，避免网络中充斥着小数据块。
Nagle 算法的定义是：任意时刻，最多只能有一个未被确认的小段，小段是指小于 MSS 的数据块，
未被确认是指一个数据块发送出去后，没有收到对端回复的 ACK。
举个例子：发送端调用 send()函数将一个 int 型数据（称之为 A 数据块）写入到 socket 中，A 数据
块会被马上发送到接收端，接着，发送端又调用 send()函数写入一个 int 型数据（称之为 B 数据块），
这时候，A 块的 ACK 没有返回（已经存在了一个未被确认的小段），所以 B 块不会立即被发送，而是等
A 块的 ACK 返回之后（大概 40ms）才发送。
TCP 协议中不仅仅有 Nagle 算法，还有一个 ACK 延迟机制：当接收端收到数据之后，并不会马上向
发送端回复 ACK，而是延迟 40ms 后再回复，它希望在 40ms 内接收端会向发送端回复应答数据，这样
ACK 就可以和应答数据一起发送，把 ACK 捎带过去。
如果 TCP 连接的一端启用了 Nagle 算法，另一端启用了 ACK 延时机制，而发送的数据包又比较小，
则可能会出现这样的情况：发送端在等待上一个包的 ACK，而接收端正好延迟了此 ACK，那么这个正要
被发送的包就会延迟 40ms。
解决方案
开启 TCP_NODELAY 选项，这个选项的作用就是禁用 Nagle 算法。
#include <netinet/tcp.h> // 注意，要包含这个头文件。
int opt = 1;
setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY,&opt,sizeof(opt));
对时效要求很高的系统，例如联机游戏、证券交易，一般会禁用 Nagle 算法。