Socket 网络编程实践经验

简介: 目录目录相关文章Socket 与 HTTP 的区别生产实践考虑网络断开重连问题Heartbeat 心跳机制使用非阻塞模式下的 select 函数进行 Socket 连接检查会话过期问题同步还是异步问题数据缓存问题完全断开连接问题相关文章NOTE:本文假设你已经对 Socket 的使用有一定的了解。

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相关文章

NOTE:本文假设你已经对 Socket 的使用有一定的了解。

Python Module_Socket_网络编程

Socket 与 HTTP 的区别

首先通过对比法来了解两者不同的特性:

  • HTTP:超文本传输协议,首先它是一个协议,并且是基于 TCP/IP 协议(传输层)之上的应用层协议,要想通过 HTTP 来进行通信,首先需要双方建立起 TCP/IP 连接,因为TCP/IP 主要解决的问题是数据如何在网络中传输而 HTTP 协议主要解决的问题是如何包装需要传输的数据。所以 HTTP 协议能够支持使用 Header 信息来详细规定浏览器与服务器之间的通信规则。HTTP 连接是基于 Request-Response 的非持久(短)连接,其连接的生命周期通过 Request 界定,一个 Request 一个 Response,此次 HTTP 连接的生命周期结束。对于这点在 HTTP 1.1 中进行了改进,支持 Keep-alive,允许在一个 HTTP 连接的生命周期中,可以发送多个 Request,接收多个 Response,但由 Request 来界定生命周期的本质没有改变。

  • Socket:首先需要注意的是 Socket 不是一种协议,而是一种调用接口(API)或称之为 TCP/IP 的基本操作单元。Socket 实际上是对 TCP/IP 协议的封装,通过 Socket,就能够应用 TCP/IP 协议来建立连接并传输数据。Socket 连接是持久化(长)连接,这种连接的生命周期能够自主控制,也就是说客户端和服务器端一旦建立连接后,理想状态下连接会持久存在,直到一方自动发出断开指令。

生产实践考虑

下面列出在生产项目中应用 Socket 所需要注意的几点:

  1. 网络断开重连问题
  2. 连接会话和身份认证问题
  3. 同步和异步问题
  4. 数据缓存问题
  5. 完全断开连接问题

网络断开重连问题

的确,Socket 连接在理想的网络环境下是持久的长连接,但实际网络环境是复杂的,网络抖动、路由宕机等各种网络问题都会导致 Socket 连接被动断开。而且 Socket 没有提供「自动重连」的机制,所以解决网络断开重连问题,是 Socket 程序稳定性的重要保证。

思路:在 发送接收 前检查 Socket 连接是否依然生效,若不生效,则重新建立 Socket 连接。

那么首先需要解决的是:如何判断 Socket 连接状态是否 ACTIVE?

NOTE:一般的来说,「判断 Socket 连接状态是否 ACTIVE」都是服务端的功能需求,因为服务端需要以此来作为是否回收连接资源的依据。而客户端则无需特别在意,因为即便断开了连接也只需捕获异常、重新连接、重新发送即可。

Heartbeat 心跳机制

别名定义

  • 客户端 Socket == cli-socket
  • 服务端 Socket == ser-socket

一般的 Socket 应用程序逻辑中,ser-socket 应该能够感知到 cli-socket 的断开,并且执行相应的断开逻辑处理,释放相应的 Socket 连接资源。但实际是,ser-socket 无法有效的区分 cli-socket 是处于长时间空闲还是处于 offline 的状态,所以也无法确定 cli-socket 的连接是否已经断开。为解决这个问题,程序员所提出的思路就是,屏蔽「长时间空闲」的场景,让 cli-socket 看起来始终是忙碌的(不断发送「无用包」),直到其静默即表示连接断开。

这就是较为通用的用于保证连接质量的心跳机制,而 cli-socket 发送的无用包也称之为心跳包。所谓心跳包就是 cli-socket 定时发送简单的协议信息给 ser-socket,以此让 ser-socket 知道 cli-socket 依旧 online。相对的, ser-socket 就会认为 cli-socket 已经断开。注意,发包方可以是 cli-socket 也可以是 ser-socket,但出于效率的考虑(减轻服务器压力),一般由 cli-socket 承担。如果是流式 Socket(for TCP),则使用 send 发出;如果是数据报式 Socket(for UDP),则使用 sendto 发出。还有一点需要说明,心跳包实际是一个自定义协议包,由开发者制定,并在 cli-socket 和 ser-socket 中遵守。

NOTE:如果仅为了确定 ser-socket 是否 online,可以用 TCP 协议自带的心跳包,应用 socket.socket.setsockopt 的 SO_KEEPALIVE 属性,来设置发包时间间隔。SO_KEEPALIVE 是操作系统的底层机制,用于维护每一个 TCP 连接。但SO_KEEPALIVE 并不能用于替代心跳机制,因为其仅能确保 ser-socket 一方的连接状态。

使用非阻塞模式下的 select 函数进行 Socket 连接检查

以异步(非阻塞)模式建立连接 s.setblocking(0),如果 select 函数返回的值为 1 (表示 Socket 可读),但使用 recv 函数读取到的数据长度为 0,并且 errno != EINTR and errno != EAGAIN,则说明该 Socket 已经断开

NOTE:需要注意的是,在非阻塞模式下,即便 recv 函数的返回值小于等于 0,依旧不足以证明问题。此时还需要继续判断 errno ?= EINTR,如果 Yes,则说明此次 recv 是由于程序接收到 EINTR 中断信号后返回的,Socket 连接仍然正常。除此之外,如果 write 写的太快,很有可能会把 Buffer 写满,这时的 errno == EAGAIN。根据实际需要,如果 errno == EAGAIN 的话,建议重试几次。当然,Read 也有类似的情况。

会话过期问题

如果服务端程序应用了 Session 机制,那么在实现客户端程序时除了需要考虑 Socket 连接的问题之外,还需要考虑 Session 是否过期的问题。

发送接收 前首先检查连接是否有效,然后检查会话是否过期:

  • 连接失效:则重新建立连接,并且重新创建 session
  • 连接有效,但会话过期:则重新创建 session
  • 连接有效,会话有效:PASS

同步还是异步问题

选择同步还是异步模式是非常重要的,使用了错误的连接模式将无法达到预期效果。例如高并发需求没能达到,例如程序的稳定性没能提高等等,如何进行选择需要结合实际的应用场景:

  • 在高并发且不关注执行结果的场景中使用异步模式。
  • 在对程序执行的稳定性,对执行结果响应的准确性都有很高要求的场景下使用同步模式,并且需要保证一次 send 和 recv 的原子性。

NOTE:对于后者,应该尽可以能仅保证 send 和 recv 原子操作是同步的,以此来优化效率。

数据缓存问题

Socket 的 recv 具有缓存功能,如果其中一方发送的数据量超过了另一方 recv 所允许一次接受的最大数据量,数据会被截短,并将剩余的数据缓冲在接收端。再次调用 recv 时,剩余的数据会从缓冲区取出并删除。这一特性与 HTTP 连接方式有很大区别,表示 Socket 连接无法像 HTTP 连接那般,一次 Request 对应的一次 Response 就能完成一次操作单元,而是很可能需要任意次的 send 以及任意次的 recv 才能完成。换句话说就是,需要开发者来保证 send 和 recv 的完整性,你需要手动的整理、组合出完整的发送和响应结果数据。经常的,为了得到一个完整的响应结果可能需要进行多次 recv。

完全断开连接问题

调用 Socket 的 close 函数并不会马上断开 Socket 连接,一般的我们会在 close 之前调用 shutdown 函数来确保连接会被正常关闭。而且 shutdown 提供了多种不同的关闭方式:

  • SHUT_RD:关闭读,不能使用 read/recv
  • SHUT_WR:关闭写,不能使用 send/write
  • SHUT_RDWR:关闭读写,不能使用 send/write/recv/read

NOTE:在客户端程序中,一般我们会选择使用 SHUT_WR 方式,立即停止写操作,但可以继续将响应数据读完。而在服务端程序中一般会选择 SHUT_RD 模式,立即停止对客户端请求的读取,但会继续完成响应。当然了,在某些对精度要求不要的场景中,SHUT_RDWR 是不错的选择。

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