Linux网络编程

clearwwu

于 2025-08-06 16:41:14 发布

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分类专栏： c++面试文章标签： linux 网络 c++

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Linux网络编程

🌟 前言

想象一下，网络编程就像是在繁忙的城市中建立通信系统。我们需要让不同地方的人能够互相交流，传递信息。Linux网络编程正是解决这个问题的艺术。本文将用通俗易懂的方式，带你深入理解Linux网络编程的核心技术。

📡 1. Socket编程：网络通信的基石

什么是Socket？

把Socket想象成电话系统：

Socket = 电话机
IP地址 = 电话号码
端口 = 分机号码
协议 = 通话规则（普通话、英语等）

TCP vs UDP：两种不同的通信方式

TCP - 可靠的"挂号信"

特点：

📞 面向连接：就像打电话，需要先拨号建立连接
✅ 可靠传输：确保数据完整到达，就像挂号信
🔄 有序到达：数据按发送顺序到达
🐌 速度相对慢：需要确认机制

使用场景：

网页浏览（HTTP/HTTPS）
文件传输（FTP）
邮件发送（SMTP）

TCP三次握手过程：

UDP - 快速的"明信片"

特点：

📮 无连接：直接发送，就像寄明信片
⚡ 速度快：没有连接建立过程
❓ 不可靠：可能丢失或乱序
💨 开销小：头部信息少

使用场景：

在线游戏
视频直播
DNS查询

UDP通信对比：

⚡ 2. I/O多路复用：高效处理多个连接

传统模型的问题

想象一个餐厅服务员的工作模式：

传统阻塞模型 = 一个服务员只能服务一桌客人：

服务员给第一桌点菜 → 等待厨房出菜 → 上菜 → 才能去服务第二桌
效率低下，客人等待时间长

I/O多路复用 = 一个服务员同时服务多桌客人：

给第一桌点菜 → 给第二桌点菜 → 给第三桌点菜 → 哪桌菜好了就去上菜
效率高，资源利用率好

三种I/O多路复用技术对比

select、poll、epoll性能对比

连接数与性能关系：

技术	100个连接	1000个连接	10000个连接	跨平台
select	⭐⭐⭐⭐	⭐⭐⭐	❌不支持	✅
poll	⭐⭐⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐⭐	✅
epoll	⭐⭐⭐⭐⭐	⭐⭐⭐⭐⭐	⭐⭐⭐⭐⭐	❌Linux专用

实际应用场景：

select: 适合连接数少、跨平台的应用
poll: 适合中等规模的应用
epoll: 适合大规模、高并发的Linux服务器

🏗️ 3. Reactor和Proactor模式

Reactor模式 - “服务员模式”

就像餐厅里的服务员：

监听器：门口的迎宾员，发现有客人来了
事件分发器：大堂经理，决定把客人安排给哪个服务员
事件处理器：具体的服务员，负责点菜、上菜

Reactor特点：

✅ 同步非阻塞：服务员主动去看菜是否做好
✅ 单线程处理：一个服务员处理多桌
✅ 事件驱动：有事件才处理

Proactor模式 - “外卖模式”

就像外卖平台：

客户下单后就去做其他事情
餐厅做好菜后主动通知客户
客户收到通知后去取餐

Proactor特点：

✅ 异步非阻塞：系统主动通知结果
✅ 高效：不需要主动轮询
❌ 复杂：需要操作系统支持

Reactor vs Proactor 对比

特性	Reactor	Proactor
工作方式	我去问"菜做好了吗？"	菜做好了会通知我
I/O处理	应用程序处理I/O	操作系统处理I/O
适用场景	大部分Linux应用	Windows IOCP
复杂度	相对简单	相对复杂
性能	高并发下表现好	理论上更高效

🚀 4. 高并发服务器架构

服务器架构演进史

单进程单线程模式

就像一个人的小餐馆：

问题： 一次只能服务一个客户，其他客户要排队等待

多进程/多线程模式

就像雇了多个服务员的餐馆：

优点： 可以同时服务多个客户
问题：

创建进程/线程开销大
内存消耗多
上下文切换频繁

事件驱动模式（推荐）

就像一个超级服务员管理整个餐厅：

现代高并发服务器架构设计

经典的Master-Worker模式

特点：

Master进程：负责管理和调度，不处理具体业务
Worker进程：专门处理客户端请求
故障隔离：一个Worker崩溃不影响其他Worker

常见的服务器架构模式

1. Nginx架构（事件驱动）

2. Apache架构（进程/线程池）

高并发优化策略

1. 连接管理优化

mindmap
  root)连接管理(
    连接池
      预创建连接
      复用连接
      监控连接状态
    超时管理
      连接超时
      读写超时
      空闲连接清理
    负载均衡
      轮询算法
      加权轮询
      最少连接数

2. 内存管理优化

内存池：预分配大块内存，减少malloc/free调用
零拷贝：sendfile()系统调用，避免数据在内核和用户空间的拷贝
缓存机制：热点数据缓存，减少磁盘I/O

3. 性能监控指标

指标类型	关键指标	目标值	监控工具
吞吐量	QPS (每秒请求数)	>10000	wrk, ab
延迟	平均响应时间	<50ms	tcpdump, wireshark
并发	同时连接数	>100000	netstat, ss
资源	CPU/内存使用率	<80%	top, htop