接下来一段时间会对大家进行网络通信的魔鬼训练-理解socket

引子

下一篇标题是《深入理解MQ生产端的底层通信过程》，建议文章读完之前、或者读完之后，再读一遍我之前写的《RabbitMQ设计原理解析》，结合理解一下。

我大学时流行过一个韩剧《大长今》，大女主长今是个女厨。她升级打怪的过程中，中国明朝来了个官员，是个吃货。那时候大明八方来朝，威风凛凛。那小朝鲜国可不敢怠慢，理论上应该大鱼大肉。人家长今凭借女主光环，给官员上了一桌素餐。官员勃然大怒，要把长今拉去砍头。长今解释说：官员脾胃失和，不适合大鱼大肉，让官员给她一段时间，天天吃她做的菜，他吃着吃着就会觉得素餐好吃了。官员就和她签了对赌协议。吃了一段时间素餐之后，官员向长今道歉，说明知道自己身体不适合大鱼大肉，但是管不住嘴，长今帮了他大忙。

其实要讲《深入理解MQ生产端的底层通信过程》这一篇之前我也做了很多的铺垫：从《架构师之路-https底层原理》的https协议，到《一个http请求进来都经过了什么(2021版)》实际上经过的物理通道，然后深入理解三次握手《懂得三境界-使用dubbo时请求超过问题》。有的文章读起来有点难度，我希望大家能像那位中国的官员一样，虽然不情愿但还是坚持一段时间，相信对于多数人来言对底层通信的理解会提升一个层次。

接下来是网络编程的干货时间，是下一篇文章的预备知识，不用担心，浅显易懂(多读几遍的话)。

socket编程究竟是什么？

socket的本质

socket的本质就是一种类型的文件，所以一个socket在进行读写操作时会对应一个文件描述符fd(file descriptor)。

socket的作用

上图是四层TCP/IP网络标准中，TCP/IP协议族的主要成员。今天只看上面两层。

最上层的应用层，涉及的协议封装的命令平时工作中也很常用，比如：ping、telnet。也有一些不是通过命令但也非常常用，比如：http。下一层的应用层有可靠的TCP协议和不可靠的UDP协议。平时工作中，常见的中间件如zookeeper、redis、dubbo这些都是使用TCP协议，因为这个内部封装完善，使用更简单。

要注意的是传输层操作是在内核空间完成的，就是说不是靠咱们平时的应用编码可以直接介入的。咱们平时直接用的就是应用层协议。想通过应用层操作传输层怎么办呢？这就用到了socket编程。

socket的简单原理

Socket位于TCP/IP之上，通过Socket可以方便的进行通信连接。对外屏蔽了复杂的TCP/IP。它是一种"打开—读/写—关闭"模式的实现，服务器和客户端各自维护一个"文件"（有对应的文件描述符fd），在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。

要注意的是，想建立通信连接，需要一对socket。一个是客户端的socket，另外一个是服务端的socket。每个socket对应一个文件描述符fd。读和写都是通过这个fd完成的。但是一个socket对应两个缓冲区。一个读缓冲区，对应接收端；一个写缓冲区，对应发送端。

再次理解三次握手和四次挥手

上面是TCP下通信调用Linux Socket API流程。

服务端一启动，就要先调用socket函数建立socket，socket会调用bind函数绑定对应的IP和端口。之后listen函数的作用可能和大多数人理解都不同，它的主要作用是设置监听上限。就是允许多少个客户端进行连接。accept函数是以监听客户端请求的。调用了这个函数就相当于咱们平时的thrift服务端启动了。具备了三次握手的条件。

这时候客户端也建立一个套接字，调用connect函数执行三次握手。成功后，服务端调用accept函数新建立一个socket专门用来和这个客户端进行通信。之前的老socket用来监听别的请求。这里注意：客户端套接字和服务端套接字是成对出现。但是这里一共出现了三个套接字。因为客户端和服务端正式握手时，服务端使用的是新建的socket来处理这个客户端的通信。因为老的socket还需要监听是否有其他的客户端。

接下来的send、recv和write函数都是处理数据的，这里不过多解释。

客户端使用close函数进行四次挥手关闭与服务端的连接。服务端使用recv函数接收到了关闭请求执行挥手。

程序理解

Linux Socket API很多语言都有对它的实现，差不多的。这里因为我本人更熟悉Java，这里用Java做说明。

这里使用我自己之前写的《懂了！国际算法体系对称算法DES原理》中的代码，去掉加解密的部分：

public void client() throws Exception {
    int i = 1;
    while (i <= 2) {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 520);
        //向服务器端第一次发送字符串
               OutputStream netOut = socket.getOutputStream();
        InputStream io = socket.getInputStream();
        String msg = i == 1 ? "客户端：我知道我是任性太任性，伤透了你的心。我是追梦的人，追一生的缘分。" :
                "客户端：我愿意嫁给你，你却不能答应我。";
        System.out.println(msg);
        netOut.write(msg.getBytes());
        netOut.flush();
        byte[] bytes = new byte[i == 1 ? 104 : 64];
        io.read(bytes);
        String response = new String(bytes);
        System.out.println(response);
        netOut.close();
        io.close();
        socket.close();
        i++;
    }
}

如果不开服务端，只执行客户端代码，则报异常：

java.net.ConnectException: Connection refused: connect

咱们来看这个代码做了什么：启动客户端，与服务端建立连接，理论上要调用linux的socket和connect两个函数。这个动作在new Socket实例化的时候是做了的：

private Socket(SocketAddress address, SocketAddress localAddr,
               boolean stream) throws IOException {
    setImpl();
    // backward compatibility
    if (address == null)
        throw new NullPointerException();
    try {
        createImpl(stream);
        if (localAddr != null)
            bind(localAddr);

connect(address);

} catch (IOException | IllegalArgumentException | SecurityException e) {

try {
            close();
        } catch (IOException ce) {
            e.addSuppressed(ce);
        }
        throw e;
    }
}

然后咱们看服务端代码：

@Test
public void server() throws Exception {
    ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(520);
    int i = 1;
    while (i <= 2) {
        String msg = i == 1 ? "服务端：我知道你是任性太任性，伤透了我的心。同是追梦的人，难舍难分。" :
                "服务端：你愿意嫁给你，我却不能向你承诺。";
        Socket socket = serverSocket.accept();
        InputStream io = socket.getInputStream();
        byte[] bytes = new byte[i == 1 ? 112 : 64];
        io.read(bytes);
        System.out.println(new String(bytes));
        OutputStream os = socket.getOutputStream();
        System.out.println(msg);
        byte[] outBytes = msg.getBytes();
        os.write(outBytes);
        os.flush();
        os.close();
        io.close();
        i++;
    }
}

如果客户端没有启动，只启动服务端。上面提到会进入监听状态，这里程序用的是最简单的阻塞式监听。

如上所示，在执行accept方法时，server开始打圈圈，阻塞了。客户端启动后，server进行到了下面读取数据的阶段：

执行完后客户端和服务端都正常返回结果：

客户端：我知道我是任性太任性，伤透了你的心。我是追梦的人，追一生的缘分。

服务端：我知道你是任性太任性，伤透了我的心。同是追梦的人，难舍难分。

客户端：我愿意嫁给你，你却不能答应我。

服务端：你愿意嫁给你，我却不能向你承诺。

/**
 * Create a server with the specified port, listen backlog, and
 * local IP address to bind to.  The <i>bindAddr</i> argument
 * can be used on a multi-homed host for a ServerSocket that
 * will only accept connect requests to one of its addresses.
 * If <i>bindAddr</i> is null, it will default accepting
 * connections on any/all local addresses.
 * The port must be between 0 and 65535, inclusive.
 * A port number of {@code 0} means that the port number is
 * automatically allocated, typically from an ephemeral port range.
 * This port number can then be retrieved by calling
 * {@link #getLocalPort getLocalPort}.
 *
 * <P>If there is a security manager, this method
 * calls its {@code checkListen} method
 * with the {@code port} argument
 * as its argument to ensure the operation is allowed.
 * This could result in a SecurityException.
 *
 * The {@code backlog} argument is the requested maximum number of
 * pending connections on the socket. Its exact semantics are implementation
 * specific. In particular, an implementation may impose a maximum length
 * or may choose to ignore the parameter altogther. The value provided
 * should be greater than {@code 0}. If it is less than or equal to
 * {@code 0}, then an implementation specific default will be used.
 * <P>
 * @param port  the port number, or {@code 0} to use a port
 *              number that is automatically allocated.
 * @param backlog requested maximum length of the queue of incoming
 *                connections.
 * @param bindAddr the local InetAddress the server will bind to
 *
 * @throws  SecurityException if a security manager exists and
 * its {@code checkListen} method doesn't allow the operation.
 *
 * @throws  IOException if an I/O error occurs when opening the socket.
 * @exception  IllegalArgumentException if the port parameter is outside
 *             the specified range of valid port values, which is between
 *             0 and 65535, inclusive.
 *
 * @see SocketOptions
 * @see SocketImpl
 * @see SecurityManager#checkListen
 * @since   JDK1.1
 */
public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException {
    setImpl();
    if (port < 0 || port > 0xFFFF)
        throw new IllegalArgumentException(
                   "Port value out of range: " + port);
    if (backlog < 1)
      backlog = 50;
    try {
        bind(new InetSocketAddress(bindAddr, port), backlog);
    } catch(SecurityException e) {
        close();
        throw e;
    } catch(IOException e) {
        close();
        throw e;
    }
}

这是服务端ServerSocket的实例化过程，注意一下backlog这个参数，就是《懂得三境界-使用dubbo时请求超过问题》里产生问题的罪魁祸首。

这里注释已经说的很明白了，我就直接翻译成中文：

创建一个指定端口的服务端，监听backlog和绑定的本地IP。bindAddr参数可以用于多个网络端口的主机。但是一个服务端Socket只能连接到其中一个地址。如果bindAddr参数为空，它会默认连接本机。端口值必须介于0到65535之间。端口号通常是从临时端口段(1024之后)动态指定的，可以通过getLocalPort方法把值取出来。

如果有安全管理(在上面代码里看不到安全管理是因为这段代码在bind方法里面)，则会对端口进行权限检查，确保操作是允许的。这一步可能引发安全检查异常。

backlog参数是这个socket等待连接的最大允许请求量。它的精确语义和实现有关。需要重点来说的是，这个实现可以选择自己指定一个上限同时选择忽略这个参数，并且这个自己指定的上线还要比这里的backlog参数值大。如果实现里是小于等于这里的backlog参数的，就会直接使用实现的默认值。

总结

强烈建议读完本文再次读一遍《懂得三境界-使用dubbo时请求超过问题》，深入理解backlog问题。

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