0、前言

0.1、IP、域名、端口号

0.1.1、IP

IPv4使用4个字节（一个字节8位）表示，一个字节表示范围（0~255）。
ip地址的组成=网络地址+主机地址，比如：192.168.16.92。
IPv6使用16个字节表示，是IPv4地址长度的四倍。
Ipv4地址分类：

0.1.2、域名

例如：www.baidu.com。
好处：为了方便记忆，解决记ip的困难。
概念：将ip地址映射成域名。

0.1.3、端口号

用于标识计算机上某个特定的网络程序。
范围：0~65535（常见的：mysql3306，tomcat8080，http80，…）。

0.1.4、数据进入协议栈的封装过程

在这里插入图片描述

0.2、Socket是什么？

Socket（套接字）开发网络应用程序被广泛采用，以至于称为事实标准。
通信的两端都要有Socket，是两台机器之间通信的断点。
网络通信本质就是Socket通信。
SOcket允许程序把网络连接当成一个流，数据在两个Socket之间通过IO传输。
一般主动发起通信的应用程序属于客户端，等待通信请求的为服务端。
通过Socket可以实现通信的读写数据。
一定要关闭socket，否则一旦连接过多，之后新的客户端再想连接就无法连接成功。
服务端指定端口号进行监听，客户端也会被随机分配一个端口进行通信，该端口是TCP/IP来分配的，是不确定的，随机的。

1、I/O是什么？

I/O就是input和output的缩写，即：输入/输出。
磁盘I/O指的是硬盘和内存之间的输入和输出。
读取本地文件的时候，要将磁盘的数据拷贝到内存中，修改本地文件的时候，需要把修改后的数据拷贝到磁盘中。
当网络上的数据到来时，网卡需要将数据拷贝到内存中。当要发送数据给网络上的其他人时，需要将数据从内存拷贝到网卡里。
那为什么都要跟内存交互呢?
我们的指令最终是由 CPU 执行的，究其原因是 CPU 与内存交互的速度远高于 CPU 和这些外部设备直接交互的速度。
因此都是和内存交互，当然假设没有内存，让 CPU 直接和外部设备交互，那也算 I/O。
总结下：I/O 就是指内存与外部设备之间的交互（数据拷贝）。

1.1 阻塞式I/O

在这里插入图片描述

package com.morris.bio;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class BioSingleThreadServer {

    public static final int PORT = 8899;

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(); // socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 5
        //表示使用IPv6，使用字节流套接字，使用IP协议

        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(PORT)); // bind(5, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(8899), inet_pton(AF_INET6, "::", &sin6_addr), sin6_flowinfo=htonl(0), sin6_scope_id=0}, 28) = 0
        // bind()里面会调用listen方法 listen(5, 50)

        System.out.println("server is start at " + PORT); //

        while (true) {
            try {
                Socket socket = serverSocket.accept(); // accept(3, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(34270), inet_pton(AF_INET6, "::ffff:127.0.0.1", &sin6_addr), sin6_flowinfo=htonl(0), sin6_scope_id=0}, [28]) = 5
                InputStream inputStream = socket.getInputStream();
                System.out.println("connect success " + socket.getPort());

                BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));

                System.out.println("receive from client: " + reader.readLine()); // recv(5, "hello\r\n", 8192, 0)           = 7

                socket.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
}

1.1.1、创建socket（服务端）

创建socket：首先服务端需要先创建一个socket。在Linux中一切都是文件，那么socket也是文件，每个文件都有一个整型的文件描述符（fd）来指代这个文件。
```
int socket(int domain, int type, int protocol);
```
1. domain：这个参数用于选择通信的协议族，比如选择 IPv4 通信，还是 IPv6 通信等等
2. type：选择套接字类型，可选字节流套接字、数据报套接字等等。
3. protocol：指定使用的协议。通常可以设置为0，因为可以由前面两个参数推出说需要使用的协议。
4. 比如socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);，表明使用 IPv4 ，且使用字节流套接字，可以判断使用的协议为 TCP 协议。
5. 返回值为int，就是创建的socket的id。

1.1.2、bind（服务端）

此时创建了一个socket，但还没有地址指向这个socket。
服务器应用需要指明IP和端口，这样客户端才能指定与服务器那个端口进行通讯。此时需要指定一个地址和端口来与这个socket绑定。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);，参数里面的sockfd就是创建的socket的文件描述符，执行了bind参数之后，socket被访问更近一步了。

1.1.3、listen（服务端）

此时socket还处于closed状态，即：不对外监听的，需要调用listen方法让socket进入被动监听的状态。
int listen(int sockfd, int backlog);，sockfd是socket的的文件描述符，此时还要指明backlog。backlog就是队列的大小（socket有一个队列，同时存放已经完成的连接和半连接，backlog为这个队列的大小）。

1.1.4、accept（服务端）

初始化好监听套接字，此时会有客户端连接上来，需要处理这些已经完成建连的连接。
三次握手的连接会被加入到已完成连接队列中，此时需要从已经完成连接队列中拿到连接进行处理，拿取的动作由accept完成。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
如果已经完成连接队列没有连接可以取，那么调用accept的线程就会阻塞等待。

1.1.5、connect（客户端）

客户端也需要创建一个socket，也就是调用socket()。
客户端创建完socket并调用connect之后，连接就处于SYN_SEND状态，当收到服务端回传的连接确认报文段之后，连接就变为ESTABLISHED状态，此时三次握手完毕。
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);，调用connect需要指定远程的地址和端口进行建立连接，三次握手完毕之后就可以开始通信了。
客户端这边是不需要调用bind操作，默认会选择源IP和随机端口

此时从连接角度看，就有两个阻塞的点：

connect：需要阻塞等待三次握手完成。
accept：需要等待可用的已完成的连接，如果已完成连接队列为空，则被阻塞。

1.1.6、read、write

连接建立好之后就要进行读写数据。
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read 为读数据，从服务端来看就是等待客户端的请求，如果客户端不发请求，那么调用 read 会处于阻塞等待状态，没有数据可以读，这个应该很好理解。
write 为写数据，一般而言服务端接受客户端的请求之后，会进行一些逻辑处理，然后再把结果返回给客户端，这个写入也可能会被阻塞。
由于采用TCP协议，TCP协议需要保证数据可靠、有序传输，并且给予段与段之间的流量控制，所以说发送不是直接发出去，它有个发送缓冲区，我们需要把数据先拷贝到 TCP 的发送缓冲区，由 TCP 自行控制发送的时间和逻辑，有可能还有重传什么的。
如果我们发的过快，导致接收方处理不过来，那么接收方就会通过 TCP 协议告知：别发了！忙不过来了。发送缓存区是有大小限制的，由于无法发送，还不断调用 write 那么缓存区就满了，满了就不然你 write 了，所以 write 也会发生阻塞。