谈完上一篇《Linux高性能网络编程十谈|网络篇》，我们继续探索高性能网络编程，但是我觉得在谈系统API之前可以先讲一些Linux底层的收发包过程，如下这是一个简单的socket编程代码：
int main() {
...
fd = socket(AF_INET, SOCKET_STREAM, 0);
bind(fd, ...);
listen(fd, ...);
// 如何建立连接
...
afd = accept(fd, ...);
// 如何接收数据
...
read(afd, ...);
// 如何发送数据
...
send(afd, ...);
// 如何关闭连接
...
close(fd);
...
}第一部分：如何建立连接
从上一篇文章我们介绍了网络协议，我们知道TCP/IP协议族划分了应用层、TCP传输层、IP网络层、链路层(以太层驱动)。
如上图看应用层，通常在网络编程中我们需要调用accept的API建立TCP连接，那TCP如何做的呢?
从上图的流程可以看到：
(1)client端发起TCP握手，发送syn包;
(2)内核收到包以后先将当前连接的信息插入到网络的SYN队列;
(3)插入成功后会返回握手确认(SYN+ACK);
(4)client端如果继续完成TCP握手，回复ACK确认;
(5)内核会将TCP握手完成的包，先将对应的连接信息从SYN队列取出;
(6)将连接信息丢入到ACCEPT队列;
(7)应用层sever通过系统调用accept就能拿到这个连接，整个网络套接字连接完成;
那基于这个图，我想问问读者这里会有什么问题么?
细心的读者应该可以看出：
1、这里有两个队列，必然会有满的情况，那如果遇到这种情况内核是怎么处理的呢?
(1)如果SYN队列满了，内核就会丢弃连接;
(2)如果ACCEPT队列满了，那内核不会继续将SYN队列的连接丢到ACCEPT队列，如果SYN队列足够大，client端后续收发包就会超时;
(3)如果SYN队列满了，就会和(1)一样丢弃连接;
2、如何控制SYN队列和ACCEPT队列的大小?
(1)内核2.2版本之前通过listen的backlog可以设置SYN队列(半连接状态SYN_REVD)和ACCEPT队列(完全连接状态ESTABLISHED)的上限;
(2)内核2.2版本以后backlog只是表示ACCEPT队列上限，SYN队列的上限可以通过/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog设置;
3、server端通过accept一直等，岂不是会卡住收包的线程?
在linux网络编程中我们都会追求高性能，accept如果卡住接收线程，性能会上不去，所以socket编程中就会有阻塞和非阻塞模式。
(1)阻塞模式下的accept就会卡住，当前线程什么事情都干不了;
(2)非阻塞模式下，可以通过轮询accept去处理其他的事情，如果返回EAGAIN，就是ACCEPT队列为空，如果返回连接信息，就是可以处理当前连接;
第二部分：接收数据
(1)当网卡接收到报文并判断为TCP协议后，将会调用到内核的tcp_v4_rcv方法，如果数据按顺序收到S1数据包，则直接插入receive队列中;
(2)当收到了S3数据包，在第1步结束后，应该收到S2序号，但是报文是乱序进来的，则将S3插入out_of_order队列(这个队列存储乱序报文);
(3)接下来收到S2数据包，如第1步直接进入receive队列，由于此时out_of_order队列不像第1步是空的，所以引发了接来的第4步;
(4)每次向receive队列插入报文时都会检查out_of_order队列，如果遇到期待的序号S3，则从out_of_order队列摘除，写入到receive队列;
(5)现在应用程序开始调用recv方法;
(6)经过层层封装调用，接收TCP消息最终会走到tcp_recvmsg方法;
(7)现在需要拷贝数据从内核态到用户态，如果receive队列为空，会先检查SO_RCVLOWAT这个阀值(0表示收到指定的数据返回，1表示只要读取到数据就返回，系统默认是1)，如果已经拷贝的字节数到现在还小于它，那么可能导致进程会休眠，等待拷贝更多的数据;
(8)将数据从内核态拷贝到用户态，recv返回拷贝数据的大小;
(9)为了选择降低网络包延时或者提升吞吐量，系统提供了tcp_low_latency参数，如果为0值，用户暂时没有读数据则数据包进入prequeue队列，提升吞吐量，否则不使用prequeue队列，进入tcp_v4_do_rcv，降低延时;
第三部分：发送数据
(1)假设调用send方法来发送大于一个MSS(比如2K)的数据;
(2)内核调用tcp_sendmsg，实现复制数据，写入队列和组装tcp协议头;
(3)在调用tcp_sendmsg先需要在内核获取skb，将用户态数据拷贝到内核态，内核真正执行报文的发送，与send方法的调用并不是同步的，即send方法返回成功，也不一定把IP报文都发送到网络中了。因此，需要把用户需要发送的用户态内存中的数据，拷贝到内核态内存中，不依赖于用户态内存，也使得进程可以快速释放发送数据占用的用户态内存。但这个拷贝操作并不是简单的复制，而是把待发送数据，按照MSS来划分成多个尽量达到MSS大小的分片报文段，复制到内核中的sk_buff结构来存放;
(4)将数据拷贝到发送队列中tcp_write_queue;
(5)调用tcp_push发送数据到IP层，这里主要滑动窗口，慢启动，拥塞窗口的控制和判断是否使用Nagle算法合并小报文(上一篇已经有介绍);
(6)组装IP报文头，通过经过iptables或者tcpdump等netfilter模块过滤，将数据交给邻居子系统(主要功能是查找需要发送的MAC地址，发送arp请求，封装MAC头等);
(7)调用网卡驱动程序将数据发送出去;
第四部分：关闭连接
关闭连接就是TCP挥手过程，我们都知道TCP连接是一种可靠的连接，那如何才能完整可靠的完成关闭连接呢?linux系统提供了两个函数：
close对应tcp_close方法，通过减少socket的引用次数实现关闭，仅当引用计数为0时才会触发tcp_close;
shutdown对应tcp_shutdown方法，不关心socket被引用次数，直接关闭对应的连接;
(1)shutdown可携带一个参数，取值有3个，分别意味着：只关闭读、只关闭写、同时关闭读写;
(2)若shutdown的是半打开的连接，则发出RST来关闭连接;
(3)若shutdown的是正常连接，那么关闭读其实与对端是没有关系的;
(4)若参数中有标志位为关闭写，那么下面做的事与close是一致的，发出FIN包，告诉对方本机不会再发消息了;
第五部分：思考题
基于本文留几个思考题，下一篇文章解答。
(1)发送方法返回成功后，数据一定发送到了TCP的对端么?
(调用了IP层的方法返回后，也未必就保证此时数据一定发送成功)
(2)1个socket套接字可能被多个进程在使用，出现并发访问时，内核是怎么处理这种状况的?
(3)若socket为默认的阻塞套接字，调用recv方法传入的len参数，如果网络包的数据小于len，recv会返回么?
(4)当socket被多进程或者多线程共享时，关闭连接时有何区别?
