《Linux C/C++ 服务器开发实践》记录

序言：该记录是一份读书笔记，因为主题需要和计算机操作系统有关，自然而然的想到Linux的学习，刚好最近找实习发现很多C++服务器方向需要熟悉Windows/Linux的多线程开发，所以就选了这本《Linux C/C++ 服务器开发实践》来看，这本书有许多工作用得上的知识，包括TCP/IP协议簇，Linux环境开发搭建，介绍基本线程进程的概念，多线程开发，基于TCP/UDP的服务器编程以及并发聊天服务器的设计类型等等。其实我还买了另一本Linux书，但是那本书不是入门书，我想要读懂还是有点难度，所以选择这本书来入门Linux。这份笔记记录了本书第1，2，3章的部分内容。使用Markdown语言编写，以博客形式上传到博客园。通过pandoc插件导出为word文档格式，以提供打印版良好的阅读体验。

参考书籍：

朱文伟,李健英.Linux C/C++服务器开发实践[M]. 清华大学出版社，202206.

1. TCP/IP基础

1.1 TCP/IP协议的分层结构

1. 应用层 ：包含FTP（传输文件），DNS（主机名映射地址），HTTP（获取互联网主页），SMTP（电子邮件收发），TELNET（远程控制）等高级互联网协议。

2. 传输层：包含TCP（连接，安全可靠）和UDP协议（非连接，快速）服务，用来连接上层应用。

3. 网络层：IP（ICMP,IGMP,ARP,RARP）协议。

4. 网络接口层（数据链路层）：是主机与网络的实际连接层，收发数据帧。

不同的协议层对数据报有不同的称呼，传输层为段（Segment），网络层为报文（或IP数据报），网络接口层为帧。

详细的了解各层的工作：

发送方：

1. 输入网址访问网页，在应用层采用了HTTP协议，浏览器组成HTTP数据发给传输层

2. 传输层将数据加上TCP首部，标记端口为80（Web服务器默认端口），将这个TCP数据段发给网络层

3. 网络层在数据段前加上自身ip和目的ip（IP报头），将这个ip数据报发给网络接口层。

4. 网络接口层在ip数据包前加上自身MAC地址和目的MAC地址，将组成好的帧以比特流的方式发送到网络

接收方：

1. 网络接口层接受到帧，去掉mac地址，再把ip数据报传给网络层

2. 网络层去掉IP，将TCP数据段交给传输层

3. 传输层接受数据段，看到TCP标记的端口为80，说明是HTTP协议，并将数据传给应用层

4. 应用层看到是HTTP协议的数据，就调用Web服务器程序，发送首页回去。

1.2 应用层

主要协议：

1. FTP：上网下载文件

2. HTTP：上网浏览网页

3. DNS服务：将域名解析为IP地址

4. SMTP,POP3:收发电子邮件

1.2.1 域名

先查找本地域名服务器；

能解析：返回结果。

不能解析：依次向上查询根服务器的域名，直到能解析为止。

1.2.2 端口

IP地址用来查找通信目标的主机，而端口地址就是用来标记目标程序

如果把IP地址比作旅馆的地址，端口就是某个房间的房号

端口号是16位无符号整数 范围从0到2^16-1，前面1024个端口号留作操作系统使用。

1.3 传输层

TCP协议：一对一，面向连接，对发送的数据报进行排序和确认，并恢复在传输过程中丢失的数据报

UDP协议：一对一或一对多，不可靠的高速通信服务

1.3.1 TCP协议

TCP是面向连接，保证可靠（数据无丢失，无乱序，无错误，无重复到达）的传输层协议。

用C语言定义TCP报头:

 typedef struct _TCP_HEADER{
     short sSourPort; //源端口号16bit
     short sDestPort; //目的端口号16bit
     unsigned int uiSequNum; //序列号32bit
     unsigned int uiAcknowledgeNum; //确认号32bit
     short sHeaderLenAndFlag; //前四位：TCP头长度，中间保留六位，后六为：标志位
     short sWindowSize; //窗口大小16bit
     short sCheckSum; //检验和16bit
     short surgentPointer; //紧急数据偏移量16bit
 }TCP_HEADER,*PTCP_HEADER

1.3.2 UDP协议

UDP是无连接，不可靠的传输层协议

用C语言定义UDP报头：

 typedef struct _UDP_HEADER{
     short m_usSourPort;//源端口号16bit
     short m_usDestPort;//目的端口号16bit
     short m_usLength; //数据报长度16bit
     short m_usCheckSum; //校验和16bit
 }UDP_HEADER,*PUDP_HEADER

1.4 网络层

IP协议封装上层数据包后进行传输，若太大可进行分片再传输以适应不同网络环境的需求

1.4.1 IP协议特点

IP协议不可靠，无连接（每个数据报独立进行路线选择到达目的地），无状态（通信双方不清楚数据报的状态信息，如是否乱序和重复）

IP协议在传输数据报时，会把长度超过MTU（物理网络最大传送数据长度）的数据报分片传输，并在母的系统中进行重组

1.4.2 ARP协议

适用于局域网，数据报中只有IP地址，而找到最终目标主机需要MAC地址，ARP协议就是用来将IP地址转化为MAC地址的

工作过程：

1. 本地主机广播ARP请求，请求中包含目的主机的IP地址。

2. 目的主机收到请求，用ARP协议解析请求，识别出是询问MAC地址，于是发送ARP应答报，包含IP地址和对应MAC地址

1.4.3 RARP协议

向RARP服务器请求自己的IP地址。

1.4.4 ICMP协议

探测网络是否联通，主机是否可达，路由是否可用，查询诊断网络。

ICMP报文可分为两大类别：差错报告报文和查询报文。

1.5 数据链路层

1.5.1 基本概念

传输网络层的数据

解决三个问题：

1. 如何将数据组合为帧。

2. 如何控制帧的传输，处理传输差错。如何调节发送速率以使接收方发送方匹配。

3. 建立数据链路，维持和释放。

1.5.2 主要功能

1. 为网络层提供服务。

   • 无确定的无连接服务。适用于实时通信要求较高的场景，比如以太网

   • 有确定的无连接服务。适用于误码率较高的场景，比如无线通信

   • 有确认的面向连接服务。适用于通信安全要求较高的场合。

2. 成帧，帧定界，帧同步，透明传输技术

3. 差错控制

4. 流量控制

5. 链路管理

6. MAC寻址

2. 搭建Linux开发环境

2.1 准备虚拟机环境

因为我之前学习计算机图形学已经安装过Ubuntu，所以这里略过一些内容。

一些常用的命令或者知识点

1. 设置root用户密码：

   在终端输入 sudo passwd root,然后输入两次设置的密码。

2. 拍摄快照：

   可以把当前虚拟机的状态保存下来，以便以后出错了恢复。

3. 多线程基本编程

多线程的编程功力直接决定了服务器性能的优异。

所以提升编程功力能够实打实的提升服务器性能

3.1 使用多线程的好处

1. 响应速度更灵敏：指的是将单线程的多个任务顺序执行，变为由多个线程共享CPU的时间执行，即使任务未完成也会让出CPU给其他线程，从用户体验看，好像几个任务是同时进行的。就能改善用户体验。

2. 运行效率更高：让空余的内核被线程占满，运行效率翻好几倍

3. 通信更高效：同一进程的线程共享该进程的地址空间，可以访问相同的数据，所以线程间的通信效率比进程间的通信效率高。

4. 开销更小：创建线程，切换线程等操作所带来的开销比进程的类似操作的所需开销小得多。

   因为线程共享进程资源。创建线程时不再需要分配内存空间等资源。

3.2 多线程编程的基本概念

Windows是支持多进程，多线程的操作系统。

UNIX是支持多进程，单线程的操作系统。

管理线程：POSIX API 函数，C++自带的线程类。

3.2.2 线程的基本概念

每个进程至少有一个线程，CPU执行的是线程，线程是程序的最小执行单位，是操作系统分配CPU时间的最小实体。一个进程的所有线程共享进程的公共资源，如虚拟地址空间和全局变量等，也可以拥有自己私有的资源。

线程在某个进程环境中创建，并在进程退出时被全部销毁。

3.2.3 线程的状态（生命周期）

线程从创建到结束，共有4个状态：

1. 就绪态

   线程刚被创建，刚从阻塞态恢复，被其他进程抢占，都会导致进入就绪态。处理根据调度策略来把就绪态的线程调度到处理器中运行。

2. 运行态

3. 阻塞态

   等待处理器之外的其他条件，无法运行。这里的条件包括I/O操作，互斥锁的释放，条配件变量的改变等。

4. 终止态

   线程运行已经结束，所占资源未被回收，可以被重新激活，应避免长时间处于该状态，及时进行资源回收。

3.2.4 线程函数

线程函数就是线程创建后进入运行态所要执行的函数。

在创建线程时将定义好的线程函数传给线程创建函数。

线程函数可以是一个全局函数或者时类的静态函数。

3.2.5 线程标识

线程创建成功后返回唯一的ID，从创建开始存在，线程结束后才消失。

3.3 利用POSIX多线程API函数进行多线程开发

使用这些API函数需要包含头文件pthread.h,编译的时候需要加上库pthread。表示包含多线程库文件。

为了防止主线程比子线程先一步执行完的情况，需要使用join使主线程等待。