【详解】换一个角度看Socket的数据读写

前言

　　以前对IO、NIO还算了解，也写过Netty的项目。但是对底层的数据传递不是很了解，一直存有这方面的疑惑。但是由于有其他事情就被打断了。前阵子因为想要了解volatile关键字的原理，学习了下JMM（Java内存模型），了解到对象数据是如何存储的。后来又想知道Tomcat是如何传递Http报文的，源码翻着翻着就到了Socket，想来Socket还有些东西没学清楚，就干脆乘着兴致查阅了不少资料。

这里就以数据读写位置为中心，整理分享一下相关内容吧。

整体视图

从“互联网” 到“本机网卡”

网卡会判断网络数据报是否是给本机的，如果是则接收，否则丢弃。它是如何判断的？数据报中有目的地址，如果为本机IP地址，则接收下来。

网卡的存储空间

网卡是有存储空间的，不过很小，只有几KB。它只能作为临时缓冲用的，一般需要存入内存。

从“本机网卡”到“内核空间”

网卡会使用DMA把数据报写入到内核空间中，这个过程不需要CPU干预。

DMA写数据是以块为单位的，也就是一堆字节。

内核空间与用户空间

内存分为两大块，用户空间和内核空间。内核空间是归属于操作系统使用的，为了安全，用户空间中的程序只能访问分配给它的地址空间，一般不能访问内核空间。

地址空间：也就是操作系统分配给进程的内存空间，它只能访问自己的内存空间，不能干预其他进程。即指针只能在一定范围内活动。地址空间是可以扩容的，这是后话了。

Socket的读写队列

每个Socket都在内核空间中都有与之相关联的读写队列（存储空间），一个读队列，一个写队列。且读队列的大小一般要大于写队列。Socket要读数据就从对应的读队列中读，写数据就写到相应的写队列。

数据报如何正确地写入到相关的Socket队列中？

换句话说，如何知道数据报是归属于哪个socket。首先IP地址肯定有了，其次TCP/UDP数据报中就有"目的端口"的字段，这自然就能映射到相关的Socket了，因为本机中的socket就是用占用的端口来彼此区分的。

Linux如何查看读写队列大小

相关信息在这两个配置文件中，内容依次是最小，默认，最大

/proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem (读队列大小配置)
/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem (写队列大小配置)

从“内核空间”到“用户空间”

socket对象调用read方法，就是从内核空间中读取数据到用户空间。

系统调用

前面说了，用户空间的程序一般是不能访问内核空间的。但是程序要运行，有时候不得不访问磁盘和网络数据。于是乎，操作系统就提供一些库函数，用户程序可以调用这些库函数来间接使用操作系统的功能。

注：这里与socket相关的操作都是系统调用

如果读队列没有数据可读会怎样？

这取决于socket的mode，默认是阻塞的。也就是说，如果读队列中没有数据可读，那么当前执行这个read函数的线程将被挂起，然后等到内核空间来数据的时候再唤醒这个线程开始读数据，这就是同步阻塞。当然也有非阻塞式的，就是说，如果没有数据可读，执行线程不会被挂起，而是完成read函数，返回一个"-1"的错误码。同步非阻塞，说的就是，反复调用read函数直到成功。

待解决：内核空间如何唤醒这个线程，用的是什么机制。

读出来的数据放在哪里？

一般，我们会分配一个空间来存储，也就是创建一个byte数组来缓存读取进来的数据。为什么说是缓存？因为我们使用socket肯定不是简单的把数据读出来，肯定还要进行下一步的处理，byte数组只是用来暂时存储数据的。

IO复用的思想

前面说的，不管是同步阻塞，还是同步非阻塞。根本上都是说，线程要等到可以读写的时候，才开始读写操作。这样看来，这段等待的时间就算是浪费了。（不管你等待的方式是挂起，还是轮询），IO复用的思想就是认为，这段等待的时间可以利用起来，去执行其他socket的IO操作（当然是满足读写状态的socket）。或者说，就是只有你满足读写条件后，你准备好后，我（也就是线程）才来处理你的读写操作，而不是我来了，还要等你梳妆打扮半小时才能出发。

select、poll、epoll等函数的使用

IO复用中，一个线程同时负责多个socket连接的读写。select、poll、epoll函数简单地说，就是把满足读写状态的socket挑选出来。不同的是，它们挑选的方式不同而已。这里由于博主涉猎不深，也就不展开介绍了。

FAQ 常见问题

说是常见问题，其实只是我个人想到的，看客可能会存在的疑惑。

1.Java的socket API与window或linux底层的socket API是什么关系？

Java的socket是上层封装的API，它使得不管什么平台，都能使用同一套API。它的底层实现还是c语言的库函数。到底用哪个看运行环境，如果是window，那底层用的就是windows的socket api，否则就是linux的socket api。其实你装JDK的时候就已经确定了，因为下jdk的时候就已经选择了windows/linux。

2.如果读队列已满，发送方继续发送的数据会丢失吗？

这就涉及到TCP的拥塞控制了，当队列已满的时候，新来的数据不会被确认。没有确认收到的数据，它是会重新发的。读者可以往拥塞控制（congestion control）方向去看。

这跟拥塞控制无关，应该跟TCP滑动窗口有关。当接收方的接收窗口已满的时候，发送方不会再继续发送数据。

注：滑动窗口是缓冲队列的一部分，相当于一个游标。

3.数据发送出去后，万一丢失了呢，如果要重发数据从哪里来？

实际上，当内核空间中发送缓冲区的数据发出时，该数据并没有立即从队列中删除，也就是说它还在发送方的电脑里。只有收到接收方的确认后，该数据才会被删除。如果等待时间超过超时时间，则会重发数据。

注意：TCP协议实现是操作系统提供的，怎么移动滑动窗口，怎么保证可靠性，怎么控制端到端的流量，怎么防止网络拥塞，这些底层都已经是实现好的。

4.Socket建立连接的过程做了什么，为什么要建立连接？

很多人可能会疑惑，因为socket连接建立后，并没有建立一条实际的通信路径。熟悉TCP/IP的都知道，TCP数据报到了网络层被封装成IP数据报。这时候，数据报往哪条路走是不固定的，路由器会根据实际的网络情况进行路由。

建立连接到底都做了些什么，我暂时也不是很了解。但是我已知晓的就有序号的协商。TCP接收或发送的队列中每个字节数据都是要编号的，但是初始序号并不是0。建立连接的过程会确定双方每对"发送-接收"队列的起始序号。

参考资料

1.How TCP Socket works

2.Network Interface Controller

3.Network Socket

4.How to find the socket buffer size of Linux?

5.system call about socket