手机上的APP是如何与服务器通信的

文章转自本人公众号：机械猿，本人之前在四川某汽轮机从事结构强度设计，目前在阿里巴巴淘宝事业部担任高级开发工程师，有机械工程同行想转行IT，或者有想入职BAT的可以找我内推~

絮叨

讲解CS通信之前，先大致了解一下我们平时手机通话的流程。语音信号经过脉冲采样变成数字信号，通过手机GSM模块发送无线信号至基站进入无线接入网，根据对方手机号查询数据库后通过骨干路由器转入核心网，一连串中转之后发送到对端所属的小区，找一条空闲线路接通对方。

网络通信类似，但是也有不同，电话信号只能维持一条连接，而一个服务端可以维持多条连接，像双十一淘宝OceanBase就达到了一千万QPS的并发量。

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基础知识

了解APP通信首先要了解socket的含义。Socket是一种进程通信方式，可用于多主机之间的通信，IP地址（对应主机）和端口（对应进程）就确定了一个socket，类似于电话的插座。下面我们来实现一个基础网络示例：客户端从标准输入读取文本，发送给服务器；服务器接收后原文返回给客户端，客户端输出到标准输出。

注：标准输入STDIN位于 /dev/stdin ,一般为键盘输入，fd为0；标准输出STDOUT位于/dev/stdout，一般为终端显示器，fd为1；标准错误 STDERR位于/dev/stderr，fd为2。

TCP客户/服务端程序基本流程如下：

服务端处理流程

服务端程序如下：

#include<sys/socket.h>     /* basic socket definitions */
int main(int argc, char **argv)
{int listenfd,connfd;pid_t childpid;socklen_t clilen;struct sockaddr_incliaddr, servaddr;listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);  //创建套接字，监听端口bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family      = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr =htonl(INADDR_ANY);servaddr.sin_port        = htons(SERV_PORT);Bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));  //绑定本机地址Listen(listenfd, LISTENQ);      //监听for ( ; ; ) {clilen = sizeof(cliaddr);connfd = Accept(listenfd, (structsockaddr *) &cliaddr, &clilen);  //阻塞等待客户端SYN报文if ( (childpid = Fork()) == 0) {      /* fork一个子进程专门处理接入的客户端 */Close(listenfd);            /* 子进程关闭监听端口 */str_echo(connfd);       /* 子进程发送请求 */exit(0);}Close(connfd);                    /* 父进程关闭连接端口 */}
}

下面分析一下服务端状态机流程：

服务端创建一个监听套接字并绑定本机知名端口（如80、8080http端口），本机地址设置为INADDR_ANY是为了任何本地接口的连接都接收，一般为多网卡的场景。之后服务端阻塞在accpt调用，使用fork为每个客户端专门分配一个子进程，父进程继续监听接入的客户端。

对于已连接的客户端，使用str_echo读入客户端发送过来的数据，并直接返回回去。

void str_echo(intsockfd)
{ssize_t n;char buf[MAXLINE];again:while ( (n = read(sockfd, buf, MAXLINE))> 0)   //从标准输入读取数据Writen(sockfd, buf, n);        //发送至服务端// while循环退出说明接收到FIN包，客户端完成了数据发送if (n < 0 && errno == EINTR)goto again;                    //被信号打断，继续读取else if (n < 0)err_sys("str_echo: readerror");   //遇到其他错误结束运行
}

客户端处理流程

下面给出客户端处理状态机（省略部分socket异常处理）：

str_cli处理逻辑如下：

void str_cli(FILE* fp, int sockfd)
{charsendline[MAXLINE],recvline[MAXLINE];while (fgets(sendline, MAXLINE, fp) !=NULL) {  //从fp读入数据Writen(sockfd, sendline,strlen(sendline));  //发送给服务器if (Readline(sockfd, recvline,MAXLINE) == 0)   //接收服务器发送过来的数据err_quit("str_cli:server terminated prematurely");  //如果为0，说明服务端已关闭连接fputs(recvline, stdout);  //将接收到的数据输出到终端}   //文件读取结束时fgets返回NULL，while退出
}

运行客户端/服务端程序

服务器启动后，在客户端连接之前，使用netstat -a检查主机监听套接字状态如下：

Proto   Local Address       Foreign Address       State
TCP     *:9877               *:*                LISTEN

来启动客户端并指定服务器地址127.0.0.1（本地环回地址），客户端在connect函数中完成TCP三次握手流程，之后服务端从accept中返回，一条数据通道建立。

服务端这边握手流程较为复杂，用简图表示如下：

连接建立后，客户端阻塞于fgets等待接收键盘输入，服务端进程从accept返回后调用fork创建一个子进程专门负责这条连接，父进程继续阻塞在accept上监听新客户端的到来。此时，三个进程都阻塞：客户端进程、服务器父进程、服务器子进程。

注1：一个程序不等于一个进程，像淘宝，除了主进程进行各种数据处理外，还有push进程作为维持客户端和服务器的长连接通信，用于发送心跳包和推送消息。

注2：建立连接时，客户端阻塞在connect上，收到服务器的SYN/ACK报文即返回，而服务器需要收到ACK报文才返回，两边阻塞时间差了半个RTT。

使用netstat -a观察现在连接情况：

Proto    Local Address           Foreign Address            StateTCP     localhost:9877           localhost:47512             ESTABLISHED //服务器TCP     localhost:47512          localhost:9877              ESTABLISHED    //客户端TCP     *:9877                   *:*                         LISTEN  //服务器父进程可以看到双方socket已处于ESTABLISHED状态，接下来客户端可以和服务器进行数据收发。当客户端输入EOF字符（按下Control+Z表示终止输入）时，fgets返回空指针，客户端数据处理函数str_cli返回，客户端main函数调用exit终止进程。进程终止会关闭所有打开的文件描述符，因此客户端会发送FIN报文给服务器，服务器子进程回应ACK后也调用exit函数关闭文件描述符，发送FIN报文。

这里除了通过TCP四次挥手正常终止连接，还可以发送信号kill -9 pid终止进程。信号的处理后续剖析~

上述程序对服务器主机崩溃、主机重启、主机关机及客户端主机崩溃等异常情况都做了保护，这也是我们平时写需要注意程序健壮性的地方。

最后厚着脸皮推广一下自己的公众号：机械猿，有机械工程同行想转行IT，或者有想入职BAT的可以找我内推~