作者：ITDragon龍
出處：http://www.cnblogs.com/itdragon/
Socket 的個人故事。希望通過這篇文章讓你弄懂什么是 Socket，明白 TCP 和 UDP 協(xié)議的通訊，明白長連接和短連接的優(yōu)缺點，明白 BIO、NIO、AIO的區(qū)別。
大家好，我是 Socket。很多人都知道我，但是都不清楚我。給你看一下我和大佬的合影。
我很榮幸能與 TCP/IP 五層模型中的各位大佬站在一起，但我并不屬于他們中的任何一層。我的存在只是為了讓應(yīng)用層的使用者能更簡單地將數(shù)據(jù)丟給傳輸層。他們不需要關(guān)系 TCP/IP 協(xié)議族的復(fù)雜內(nèi)容。有什么問題直接找我，我來幫你搞定。簡單來說，你們可以把我理解成是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的抽象層、函數(shù)庫。
物理層：規(guī)范傳輸介質(zhì)的規(guī)格特性（接口大小、形狀、引線數(shù)量、電壓范圍等），讓比特流能在各種傳輸媒體之間傳輸。
鏈路層：提供介質(zhì)訪問和鏈路管理，主要將源計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層來的數(shù)據(jù)可靠的傳輸?shù)较噜徆?jié)點的目標(biāo)計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)層。
網(wǎng)絡(luò)層：提供了主機(jī)到主機(jī)的通信服務(wù)和各種形式的進(jìn)程到進(jìn)程的通信。實現(xiàn)兩個端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)透明傳送，使傳輸層不需要了解網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸和交換技術(shù)。
傳輸層：主要負(fù)責(zé)向兩個主機(jī)中進(jìn)程之間的通信提供服務(wù)。
應(yīng)用層：為應(yīng)用程序提供服務(wù)。
前面介紹過，我是應(yīng)用層和傳輸層之間的抽象層。他們之間的通訊都是通過我來完成，可以把我理解成網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元。有時候通訊多了，可真把我給類壞了。比如很多時候應(yīng)用層會有多個程序往傳輸層進(jìn)行通信。這時候會有多個 TCP （UDP）連接，或者多個應(yīng)用進(jìn)程用同一個 TCP （UDP）連接。為了避免各個連接通訊混亂的問題，我可費了不少心思。
我有三寶：協(xié)議、IP地址、端口。每個 Socket 都會帶上這三寶，已確保自己能到達(dá)正確的目標(biāo)主機(jī)上。
協(xié)議：一種約定和規(guī)范。只有通訊雙方使用同一種協(xié)議才能互相通訊。
地址：目標(biāo)主機(jī)的地址。不管是客戶端還是服務(wù)端，都需要一個IP地址。
端口：用于區(qū)分網(wǎng)絡(luò)程序的唯一標(biāo)識。目標(biāo)主機(jī)上會有很多的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，他們各占一個端口，互不沖突。
TCP 傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol）是一種面向連接、可靠、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。在建立連接時需要進(jìn)行三次握手，已確保在不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能進(jìn)行可靠的傳輸。在斷開連接時需要進(jìn)行四次揮手，已確保雙方通訊的數(shù)據(jù)完整。
三次握手
第一次握手：從客服端發(fā)往服務(wù)端，發(fā) syn 包，看能否連上服務(wù)器。需要等待服務(wù)器確認(rèn)。
第二次握手：從服務(wù)端發(fā)往客戶端，發(fā) ack 包，通知客戶端你能連上我。同時發(fā)送 syn 包，看能否連上客戶端。需要等待客戶端確認(rèn)。
第三次握手：從客服端發(fā)往服務(wù)端，發(fā) ack 包，通知服務(wù)端你能連上我。
四次揮手
第一次揮手：從客戶端發(fā)往服務(wù)端，發(fā) fin 包，告知服務(wù)端要斷開連接。
第二次揮手：從服務(wù)端發(fā)往客戶端，發(fā) ack 包，通知客戶端你的請求我收到了，但是我還沒有準(zhǔn)備好，等通知。
第三次揮手：從服務(wù)端發(fā)往客戶端，發(fā) fin 包，告知客戶端我已經(jīng)要斷開連接了。
第四次握手：從客戶端發(fā)往服務(wù)端，發(fā) ack 包，通知服務(wù)端你的請求我收到了，如果你不回我消息，我也斷開連接了。
TCP Socket 通訊流程圖如下。
首先，服務(wù)端和客戶端都需要調(diào)用 socket 函數(shù)。用來生成一個用于通信的套接字文件描述符 sockfd。
隨后，服務(wù)端需要調(diào)用 bind 函數(shù)。開始將服務(wù)器 IP 和 PORT 綁定到第一步創(chuàng)建的 sockfd 上。
然后，服務(wù)器便可以調(diào)用 listen 函數(shù)。此時的套接字狀態(tài)從 CLOSE 轉(zhuǎn)變?yōu)?LISTEN，成為一個對外提供 TCP 連接的窗口。監(jiān)聽著客戶端的連接請求。
一旦，服務(wù)端監(jiān)聽到客戶端的連接請求后，服務(wù)端便開始調(diào)用 accept 函數(shù)。接收請求了一些包括客戶端傳來的 IP 和 PORT。若接收成功，還會再創(chuàng)建一個新的 sockfd 與客戶端進(jìn)行 IO 操作。
最后，在通訊結(jié)束后調(diào)用 close 函數(shù)。與客戶端進(jìn)行四次揮手后關(guān)閉，釋放資源。
連接，客戶端發(fā)起連接時需要調(diào)用 connect 函數(shù)。將帶上自身的 IP、隨機(jī)的 PORT 和 sockfd 向目標(biāo)服務(wù)器開始三次握手建立連接。
UDP 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol）是無連接的，面向消息的，提供高效率服務(wù)。UDP 不需要連接，少了三次握手和四次揮手的操作，從而對資源的占用率更少、處理的網(wǎng)絡(luò)請求和響應(yīng)效率更快。但他不能保障在極端的情況下載通訊不會丟失。
UDP 在綁定目標(biāo)主機(jī)地址后，便可以通過 Sendto 和 Recvfrom 發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。
長連接：通訊雙方在有數(shù)據(jù)交互時建立一個 TCP 連接，并一直保持連接狀態(tài)。
短連接：通訊雙方在有數(shù)據(jù)交互時就建立一個 TCP 連接，數(shù)據(jù)交互完成后斷開連接。
長連接不需要頻發(fā)建立連接，適用于頻繁請求的客戶。減少了短連接頻繁創(chuàng)建連接帶來的資源開銷。但是長連接如果過多也會多服務(wù)器帶來很大的壓力。長連接的應(yīng)用場景相比短連接要少點。使用建議定時發(fā)送心跳包，以維持連接的狀態(tài)。且長連接的數(shù)量不宜過多。
短連接對于服務(wù)器而言比較簡單，每個連接都是有用的，不需要像長連接一樣需要額外維護(hù)。
BIO 全稱Block-IO 是一種阻塞同步的通信模式。我們常說的Stock IO 一般指的是BIO。是一個比較傳統(tǒng)的通信方式，模式簡單，使用方便。但并發(fā)處理能力低，通信耗時，依賴網(wǎng)速。
NIO 全稱New IO，也叫Non-Block IO 是一種非阻塞同步的通信模式。
AIO 也叫NIO2.0 是一種非阻塞異步的通信模式。在NIO的基礎(chǔ)上引入了新的異步通道的概念，并提供了異步文件通道和異步套接字通道的實現(xiàn)。
BIO 設(shè)計原理：
服務(wù)器通過一個Acceptor線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽客戶端請求和為每個客戶端創(chuàng)建一個新的線程進(jìn)行鏈路處理。典型的一請求一應(yīng)答模式。若客戶端數(shù)量增多，頻繁地創(chuàng)建和銷毀線程會給服務(wù)器打開很大的壓力。后改良為用線程池的方式代替新增線程，被稱為偽異步IO。
服務(wù)器提供IP地址和監(jiān)聽的端口，客戶端通過TCP的三次握手與服務(wù)器連接，連接成功后，雙放才能通過套接字(Stock)通信。
NIO 設(shè)計原理：
NIO 相對于BIO來說一大進(jìn)步?？蛻舳撕头?wù)器之間通過Channel通信。NIO可以在Channel進(jìn)行讀寫操作。這些Channel都會被注冊在Selector多路復(fù)用器上。Selector通過一個線程不停的輪詢這些Channel。找出已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的Channel執(zhí)行IO操作。
NIO 通過一個線程輪詢，實現(xiàn)千萬個客戶端的請求，這就是非阻塞NIO的特點。
AIO 設(shè)計原理：
AIO 并沒有采用NIO的多路復(fù)用器，而是使用異步通道的概念。其read，write方法的返回類型都是Future對象。而Future模型是異步的，其核心思想是：去主函數(shù)等待時間。
