Linux网络 | 理解TCP面向字节流、打通socket与文件的关系

前言：我们经常说TCP是面向字节流的， TCP是面向字节流的。但是，到底是什么事面向字节流呢？另外，我们知道sockfd其实就是文件fd。但是，为什么sockfd是文件fd呢？这些问题都在本节内容中的到回答，同时外加一些小知识点。现在废话不多说，开始我们的学习吧！

ps：本节内容建议即便不熟悉TCP报文报头也可以学习哦！

面向字节流

什么是面向字节流

面向字节流的问题

TCP连接异常问题

进程终止

机器重启

机器掉电,网络断开

打通socket与文件fd

面向字节流

什么是面向字节流

由于缓冲区的存在，当我们写100个字节的时候可以一次发送100个字节，也可以发送100次一个字节。我们还可以一次接收100个字节或者接收100次一个字节。

换句话说就是由于缓冲区的存在，TCP程序的读和写不需要一一匹配。

而面向数据报就是类似于我们的发邮件，发快递，就是我们发送端发送了几次报文，接收方就得接收几次报文。并且发多少接受多少。

就比如上层有四个请求，一个请求40个字节。当应用层将数据发送到内核缓冲区的时候内核
缓冲区不关心有几个报文，它只关心一共多少个字节。就比如现在是160个字节。然后TCP发送
的时候要做的，就是把这160个字节安全稳定的发送到对面！对方的内核缓冲区也只关心一共有
多少个字节的数据要接收！至于报文有多少，报头和有效载荷分离那是上层用户要关心的，下层不关心。

这其中，TCP传输层只关心字节的流动，所以叫做面向字节流。

面向字节流的问题

用户层才有报文的概念，我们发送方是发送多个请求，接收方就是对报文一个一个的处理
将字节流变成一个一个的请求。这个时候就有数据报粘包问题。

什么是数据粘包问题——当上层进行读取时，如果不对报文进行一个一个的分离，就可能会多处理或者少处理请求，这种情况，叫做数据报粘包问题。

这个数据报粘包问题，是相对于用户层的概念。解决粘报: 定协议。
这个定协议其实就是我们在写tcp协议序列化反序列化的时候那个encode和decode。encode和decode的目的就是为了解决粘报问题。

所以，我们以后如何解决数据报的粘报问题?——核心思想就是明确报文和报文之间的边界。

        1、定长报文
        2、使用特殊字符。就比如今天的报文没有换行符。所以为了区分报文与报文，我们就可以使用 n来进行区分
        3、使用自描述字段 + 定长报头
        4、使用自描述字段 + 特殊字符

所以，面向字节流衍生出了数据报粘报问题，为了解决这个问题，就要使用特定的方案。

TCP连接异常问题

进程终止

我们的客户端假设此时和服务端三次握手建立了链接，但是此时客户端突然终止了。那么链接要怎么样?这里我们就要知道，链接和进程 (客户端服务器)之间本身没什么关系，链接和文件是直接相关的。但是我们曾经讲过文件生命周期是随进程的。所以链接本质是随进程的。
所以，结论就是: 对于一个进程来说，它是正常退出还是异常退出，对于操作系统来说都是退出。那么进程终止，链接就要断开。就要进行四次挥手。即: 链接正常自动断开。

机器重启

当我们进行关机的时候，是不是所有的进程都要先关闭? windows有的时候就会问我们是否关闭这些进程，所以，关机的时候，就要先杀掉所有的进程。对于tc来说，本质也是要断开连接。

机器掉电,网络断开

客户端一旦将网线拔掉，客户端时没有机会向服务器中进行四次挥手。因为报文发不出去了。所以服务器不知道客户端已经挂了，他的链接是正常维护的。当客户端再重新联网，就要重新进行连接，这也是认知不一致问题。

当服务端发现客户端长时间不发消息，也不回。那么服务端也不能一直保持连接，这就用到了一个叫做:保活机制。就是一旦时间太长，那么服务端就要认为客户端断开连接了，就要将连接断掉。

打通socket与文件fd

这是我们的进程：

假如此时打开了一个文件struct file。然后struct file对象里面包含了函数方法以及缓冲区(对于网络来说不重要)以及一个函数指针:private_date。

当我们创建网络套接字时，在我们的操作系统当中，会为我们创建很多数据结构，其中一个就叫做socket 。那private.data就会指向socket这个文件。

这个socket结构体里面也有一个变量file,能够回指向我们的网络文件。

所以，在我们的进程层面上，我们只需要利用fd找到对应的文件，就能找到对应的socket全部信息。

然后这里有一个wait等待队列，这个就是当我们的网络不就虚的时候，就将改网络文件连接到等待队列里。

socket结构体也有对应的成员函数，也就是说struct file和socket都有自己的方法集。

sock也是一个重要的属性。这个sk指针就是指向的sock,这个sock是UDP或者TCP协议结构体的一个成员。什么意思？意思就是说UDP和TCP本身还有一个关于sock的结构体。即udp_sock和tcp_sock。然后，实际上在我们创建tcp套接字时，在底层其实创建的tcp_sock，在我们创建tcp套接字时，在底层其实创建的是udp_sock；然后sock指向的其实是udp_sock或者tcp_sock里面的sock结构体。