面试爱问 | 网络编程

• 阻塞、非阻塞、同步、异步的区别？
• IO的五种模型？
• epoll/poll/select 的区别？
• epoll中ET，LT的区别？
• Reactor/Proactor模式是什么？
• 大规模连接上来后，并发模型怎么设计？
• select返回可读，但是使用read一直只能读到0字节，什么情况？
• connect函数长时间阻塞该怎么办？
• socket什么情况下可读？
• UDP通信中调用connect有什么作用？和TCP连接中的connect有什么区别？
• keepalive是什么？如何使用？
• Socket编程中，如果client断开，服务器如何快速知道？
• Socket通信流程是怎样的？
  

阻塞、非阻塞、同步、异步的区别？

阻塞/非阻塞 关注的点是 进程/线程 是否需要等待数据；阻塞代表需要等待数据，非阻塞代表不需要等待数据。

同步/异步 关注的点是 主动/被动 读取数据；同步代表需要主动读取数据，异步代表被动读取数据。

同步有阻塞和非阻塞之分，异步一定是非阻塞的。

举例说明： 假设老实人小王去书店买书，然而书店没有小王想买的书。。。。。。

• 小王一直在书店等着，直到书店有书，这是 同步阻塞。

• 小王隔一段时间就去书店看看有没有书，这是 同步非阻塞。

• 老板在书店有书的时候给小王打电话，让小王过来拿书，这是 信号驱动IO同步非阻塞

• 老板在书店有书的时候直接把书寄到小王家里，这是 异步非阻塞。

此处的小王对应用户进程，书对应数据，买书对应系统调用，书店老板对应内核。

IO的五种模型？

IO的五种模型：

• 阻塞IO
• 非阻塞IO
• IO多路复用
• 信号驱动IO
• 异步IO

讲解五种IO模型的区别，仍然用上一个问题中小王去书店买书的例子说明。

1. 阻塞IO

小王一直在书店等着，直到书店有书，这是 同步阻塞IO。

2. 非阻塞IO

小王隔一段时间就去书店看看有没有书，这是 同步非阻塞IO。

3. 多路复用IO

多路复用IO比较特别，在实际进行read/recv时并不会阻塞，但在select/poll/epoll时会阻塞。 小王来书店买书，但有一排书架，并不知道哪个书架上面有书，老板直接告诉小王哪个书架上面有书，这是多路复用IO。多路IO复用也属于同步非阻塞的一种。

4. 信号驱动IO

老板在书店有书的时候给小王打电话，让小王过来拿书，这是 信号驱动IO，也是同步非阻塞的一种。

5. 异步IO

老板在书店有书的时候直接把书寄到小王家里，这是 异步非阻塞。

以上1~4都属于同步，5属于异步。

epoll/poll/select 的区别？

select，poll，epoll都属于 IO多路复用，在本质上都属于 同步非阻塞IO。 IO多路复用的 特点在于可以同时监听多个描述符，一旦有描述符就绪，就可以进行相应的读写操作。

• select

select虽然可以同时监听多个描述符，但是select有三个比较大的缺点：

1. 每一次调用select，都需要将fd集合从用户态拷贝到内核态，若fd数量很大，将会造成很大的开销；

2. 每一次调用select，都需要在内核轮询遍历所有传递进来的fd集合，若fd数量很大，将会造成很大的开销；

3. select最多只能同时监听1024个描述符，显然不够用。

• poll

poll的内部实现原理和select类似，不过poll没有最大连接数的限制，因为它是基于链表存储的。

• epoll

epoll在select和poll上面进行了改进，解决了上面的三个问题。

1. 针对第一个缺点：epoll先通过epoll_create创建句柄，再使用epoll_ctl将fd集合拷贝进入内核，保证了fd集合只会拷贝一次。

2. 针对第二个缺点：epoll在epoll_ctl的时候将所有的fd集合拷贝进入内核之后，将其放入等待队列，并为每个fd设置一个回调函数，当有fd描述符就绪时，会调用回调函数，将其加入就绪队列链表。epoll_wait 的工作实质上就是主动在就绪链表中查看是否有就绪的fd描述符。这样直接从轮询遍历fd集合的O(N)时间复杂度变为了直接读取就绪队列链表的O(1)时间复杂度。

3. 针对第三个缺点：epoll没有监听描述符数量的上限，具体数目可以通过 cat /proc/sys/fs/file-max 命令查看

总结

• select和poll在每一次调用时都需要将所有的fd集合拷贝进入内核态，并以轮询遍历该fd集合，这两点会造成很大的开销；并且能够同时监听的最大数量为1024。

• epoll在epoll_craete时创建句柄；并在epoll_ctl时将文件描述符拷贝到内核态，再将其加入等待队列，设置相应的回调函数，当fd描述符就绪时，调用回调函数，将该描述符加入就绪链表；epoll_wait的作用就是主动在就绪链表中查看是否有就绪的fd描述符；epoll没有最大监听描述符的限制。

epoll中ET，LT的区别？

• LT(Level Triggered)

LT水平触发是缺省的工作方式，只要缓冲区有数据就会触发，支持block 和 non-block socket。

优点：缓冲区有数据内核就会一直通知，保证了数据的完整性，使得编程不容易出错；

缺点：因为缓冲区有数据时内核就会一直通知，导致内核态频繁切换到用户态，使得内核使用效率低下。

select 与 poll都是使用的LT。

• ET(Edge Triggered)

边沿触发的高速工作模式，只有数据到来才触发，不管原缓冲区中是否还有数据，只支持non-block socket，。

优点：内核只会为就绪的描述符发送一次通知，大大的减少了内核的资源浪费。

缺点：buffer有可能无法一次性取出缓冲区中的所有数据，导致缓冲区中有数据剩余。

Reactor/Proactor模式是什么？

Reactor模型与Proactor模型都是并发服务器模型，Reactor模型属于同步IO，Proactor模型属于异步IO。

• Reactor

Reactor模型处理请求的流程：

1. Reactor首先需要注册相关 事件处理器（Handler）。

2. 事件分离器监听就绪事件。（如epoll）

3. 当就绪事件发生时，调用相应的事件处理器，也就是回调函数。

总结一下，就是 注册->监听->调用回调函数。我下面也独自写了一个reactor模式的网络并发框架

• Proactor

Proactor模型处理数据的流程：

1. Proactor首先初始化异步程序，并注册相关的事件处理器（Handler）。

2. 事件分离器（如epoll）监听事件，但注意并不是监听 就绪 事件，而是监听 完成 事件，这是Proactor不同的一点。

3. 事件分离器在等待 完成 事件的时候，会调用内核将数据放到 缓冲区 中，当 完成事件 发生时，调用事件处理器 直接从 内存缓冲区 读写数据。这也是Proactor不同的一点，并不会进行实际的IO读写操作，而是直接从内存缓冲区读取数据。

总结一下：仍然是 异步+注册->监听完成事件->调用回调函数处理缓冲区。

• 总结 Reactor VS Proactor

1. Reactor关注的是就绪事件；Proactor关注的是完成事件。

2. Reactor 需要进行实际的读写操作；Proactor不会进行实际的读写操作，而是直接从内存缓冲区读写。

3. Reactor编程相对简单；Proactor编程相对复杂，且由于需要稳定的内存缓冲区这较难实现，同时目前Linux下的异步IO仍然是使用epoll实现的。

所以，目前Linux下实现的高并发网络编程都是以Reactor模型为主。

相关知识补充说明： Reactor的常用模型有以下几种：

1. 单Reactor单线程模型

2. 单Reactor多线程模型

3. 主从Reactor多线程模型

Reactor模型中有三大角色：

• Reactor：负责监听事件，当有事件就绪时调用相应的回调函数。（事件就绪分为 连接就绪，读就绪，写就绪）
• Acceptor：负责处理客户端的新连接，并将文件描述符传递给Reactor。
• Handler：事件处理器，是一种通过回调函数（钩子函数）实现的事件处理机制，当handle（文件描述符）上有事件发生时，便会执行该回调函数。

关于英文资料中Reactor/Proactor模型专业名词解释：

• Handle：Handle在Linux中称为文件描述符，在Windows中称句柄，含义相同。Handle是事件的发源地，发生在handle上面的事件可以有connection（连接），read for read（读就绪），read for write（写就绪）。
• Synchronous Event Demuliplexer：同步事件分离器，本质上属于系统调用。如IO多路复用 select/poll/epoll等方法。
• Event Handler：事件处理器，是一种通过回调函数（钩子函数）实现的事件处理机制，当handle上有事件发生时，便会执行该回调函数。
• Dispatcher：初始分发器，也就是reactor，提供了注册，删除，转发Event Handler的方法。当Synchronous Event Demuliplexer 检测到 handle 上面有事件发生时，便会通知dispatcher调用特定的回调函数。

大规模连接上来后，并发模型怎么设计？

采用Reactor + threadpool模型并发网络编程模型。其中epoll可以直接采用libevent。

select返回可读，但是使用read一直只能读到0字节，什么情况？

说明对端已经断开，read才会一直读到0字节，那么不用再监听该描述符。

connect函数长时间阻塞该怎么办？

1. 将socket设置为非阻塞模式，如果服务器发生错误，那么执行connect的时候就可以立刻返回。再通过select来测试socket是否可写，用来判断connect是否成功连接上。
2. 通过信号处理函数设置定时器。

socket什么情况下可读？

1. 当有新的连接时，可以通过accept返回新的套接字；

2. 只要缓冲区中有数据就默认可读，并通过read/recv读取时会返回读取数据的字节数；

3. 对方发送来FIN断开时，会不断返回0；

4. 当socket出现错误时可读，并且会返回-1。

UDP通信中调用connect有什么作用？和TCP连接中的connect有什么区别？

1. UDP进行connect后并不会建立三次握手，而是建立一对一的连接，但UDP连接的本质没有变，仍然是不可靠的连接。

2. UDP中调用connect会在内核中将对端的IP,port记录下来。记录之后，也就可以使用read/write，recv/send函数。并且UDP可以多次进行connect，实质上也就是改变对端的IP，port；但是TCP连接只能进行一次connect。

3. UDP中使用connect可以提高效率，没有使用connect的UDP则是在每一次发送报文后需要再断开并重新连接。

keepalive是什么？如何使用？

Keepalive是TCP中一个检测死连接的心跳包保活机制，原理就是TCP在空闲了一段时间后会发送数据给对方。

1. 如果对端会发送ACK，那么就认为对端是存活的；

2. 如果对端就会发送RST包，那么TCP就会撤销该连接；

3. 如果对端不发送ACK，RST，那么TCP在一段超时重传之后自动撤销连接。

Keepalive发送的时间可以通过 cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time 查看，通常为7200（2小时）。

Socket编程中，如果client断开，服务器如何快速知道？

1. 正常断开：通过recv/read等系统调用会不断接收到0字节。

2. 异常断开：使用心跳包（keepalive机制）；也就是server在一段时间没有接收到client的数据时，会向client发送keepalive packet，根据client的回复做出判断。

补充：Keepalive 相关内容见上一个问题。

Socket通信流程是怎样的？

• 以TCP通信为例：

• 三次握手过程：

• 四次挥手过程：