Linux高性能网络编程
2011-08-20 14:10一、课程目标
本次课程深入讲解Linux下的socket编程，并以此为基础，着重讨论如何提高网络服务端应用的性能，通过本次课程的学习，学员将收获以下方面的成果：
- 熟练使用socket系列函数进行网络编程；
- 深刻理解服务端应用的性能要求；
- 利用Linux提供的各种机制，有效地解决服务端应用的性能瓶颈。
二、参训要求
参加本次课程的学员须具备以下能力：
- 了解TCP/IP协议，有网络编程概念。
- 本次课程使用 C语言 教学，所以学员需拥有较好的C语言基础；
- 能熟练使用常用的Linux命令；
- 能熟练使用gcc、gdb、熟练撰写makefile；
- 最好熟练使用vi、emacs等文本编辑器其中的一种。
三、课程实践环境
- 学员自备电脑
- 操作系统：GNU/Linux 2.6+（建议使用Redhat AS 5+或Ubuntu、Fedora）
- 编译器：GCC v4.1+、GDB v7.0+
- 可选IDE：Eclipse CDT
四、课程大纲
本次课程由以下几个部分构成：
1、POSIX Thread - 多线程
- 线程管理
- 线程创建：pthread_create()
- 线程终止：pthread_exit()
- 线程连接和分离：join and detach
- 线程同步机制
- 互斥体：mutex
- 读写锁：read-write lock
- 条件变量：condition variable
- 线程属性控制
- mutex属性控制
2、Socket 简介
- Socket地址数据结构：struct sockaddr，struct sockaddr_in
- 字节序以及字节序操作：ntohl(), ntohs(), htonl(), htons()
- Internet地址操作：inet_aton(), inet_addr(), and inet_ntoa(), inet_pton(), inet_ntop()
3、TCP Socket
- socket()：创建socket
- bind()：绑定地址
- listen()：开始侦听
- accept()：接受来自客户端的连接
- connect()：连接到服务器
- getsockname()和getpeername()：获取本地和对端地址
- I/O 操作：read(), write()
- 更高效的I/O 操作：readv(), writev()
- TCP Server编程步骤
- TCP Server v1：迭代式Echo Server
- TCP Server v2：多进程并发式Echo Server，使用fork()和exec*()
- TCP Server v3：多线程并发式Echo Server，使用pthread
- TCP Client编程步骤
- TCP Client：Echo Client
4、UDP Socket
- recvfrom()和sendto()：收发UDP数据报
- UDP Echo Server
- UDP Echo Client
- 组播(Multicast)和广播(Broadcast)
5、Socket Options和 IP Options
- 常用的Socket Options
- 常用的IP Options
- Socket选项和IP选项对网络应用的影响
6、I/O多路复用：构建反应式(Reactive)网络应用
- UNIX I/O多路复用机制概要
- 为什么I/O 多路复用对于网络应用很重要
- I/O 多路复用与多线程（反应式模型和并发模型）
- select / poll
- 在TCP Server和UDP Server中使用select和poll
- Linux特有I/O 多路复用机制：Event poll (epoll)
- 在TCP Server和UDP Server中使用epoll
7、异步I/O：构建前摄式(Proactive)网络应用
- 相关概念：同步I/O和异步I/O、Proactor模式
- 异步I/O 是如何提高I/O 性能的
- 异步I/O系列操作
- 使用异步I/O的机制构建TCP Server
8、高性能网络编程讨论
- 考究高性能网络编程中应该遵循的原则，讨论并发、同步、事件多路分离等机制的适用场合
- 网络应用的瓶颈何在
- 事件多路分离 vs 一连接一线程 (Event demultiplexing vs One thread per connection)
- 同步I/O vs 异步I/O (Synchronous I/O vs Asynchronous I/O)
- 如何适当地使用多线程
- 什么时候需要多个 事件多路分离线程
9、应用层协议定义与实现
- 为什么要自定义应用层协议
- 定义应用层协议 (以XMMEP协议为例)
- 用C++实现自定义的协议 (以XMMEP协议为例)
注：XMMEP为X-Messenger Message Exchanging Protocol
五、时间安排
课程时间：2天，以每天6小时计，具体安排如下：
- Day1
- 1 - POSIX Thread - 多线程
- 2 - Socket 简介
- 3 - TCP Socket
- 4 - UDP Socket
- 5 - Socket Options和 IP Options
- Day2
- 6 - I/O多路复用：构建反应式(Reactive)网络应用
- 7 - 异步I/O：构建前摄式(Proactive)网络应用
- 8 - 高性能网络编程讨论
- 9 - 应用层协议定义与实现
- 课程回顾与总结
六、课程资源
可获取的课程资源见：教学资源。