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出版者:西安电子科技大学出版社

作者:杨育红

出品人:

页数:251

译者:

出版时间:2001-5

价格:20.0

装帧:平装

isbn号码:9787560610023

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《高性能网络应用构建指南》 引言 在当今互联互通的世界，网络应用已渗透到我们生活的方方面面，从社交媒体的即时通讯，到金融交易的实时撮合，再到云计算的弹性伸缩，其重要性不言而喻。然而，用户对网络应用的期望也越来越高，他们渴望流畅、稳定、低延迟的体验，而这背后是对高效、可靠网络程序设计能力的严峻考验。本书旨在为读者提供一套系统而深入的网络程序设计理论与实践指南，帮助开发者掌握构建高性能、可扩展、健壮的网络应用的核心技术与设计思想。我们将从网络通信的基础协议入手，逐步深入到各种高级网络模型、并发处理技术，以及实际应用中的性能优化策略，最终带领读者跨越从理论到实践的鸿沟，成为一名出色的网络应用开发者。 第一章：网络通信基石——TCP/IP协议栈详解 任何网络应用都离不开底层的通信协议。本章将从最基础的网络模型——OSI七层模型与TCP/IP四层模型出发，深入剖析TCP/IP协议栈的各个层次，包括： 链路层（数据链路层）： 探讨以太网帧格式、MAC地址、ARP协议（地址解析协议）的工作原理，以及其在局域网通信中的作用。我们将了解如何通过MAC地址进行设备的唯一识别和通信。 网络层： 详细解析IP协议（网际协议），包括IPv4和IPv6的地址结构、子网划分、路由选择机制，以及ICMP协议（互联网控制消息协议）在网络诊断和错误报告中的应用。理解IP地址分配和路由转发是构建互联网通信的基础。 传输层： 这是构建可靠通信的关键。我们将重点关注TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）的特性。 TCP： 深入理解TCP的三次握手与四次挥手过程，建立可靠连接的机制。解析TCP的滑动窗口、拥塞控制（如慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复）算法，理解其如何保证数据传输的可靠性、有序性和效率。我们将探讨TCP的流量控制与拥塞控制在网络拥堵时的重要作用。 UDP： 阐述UDP的无连接、不可靠特性，以及其在流媒体、在线游戏等对实时性要求极高但允许少量丢包的应用场景中的优势。 应用层： 介绍一些常见的应用层协议，如HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、DNS（域名系统）等，理解它们如何利用TCP/UDP提供服务。 通过本章的学习，读者将对网络通信的底层原理有扎实的理解，为后续的网络编程打下坚实的基础。 第二章：Socket编程——构建网络应用的基石 Socket（套接字）是网络通信的基本接口，是应用程序与网络协议栈进行交互的端点。本章将带领读者全面掌握Socket编程的精髓： Socket API介绍： 讲解创建Socket（`socket()`）、绑定地址（`bind()`）、监听端口（`listen()`）、接受连接（`accept()`）、建立连接（`connect()`）、发送数据（`send()`/`write()`）和接收数据（`recv()`/`read()`）等核心API函数。 TCP Socket编程： 服务端实现： 详细演示如何创建TCP服务端，绑定IP地址和端口，监听连接请求，并处理多个客户端的并发连接。我们将分析常见的服务端程序结构，如多进程、多线程模型。 客户端实现： 演示如何创建TCP客户端，连接服务端，并进行数据的发送与接收。 多线程/多进程并发模型： 深入探讨如何利用多线程或多进程技术来处理并发客户端请求，提高服务端的吞吐量和响应速度。我们将分析各种模型的优缺点，以及在不同场景下的适用性。 UDP Socket编程： 演示如何使用UDP Socket进行无连接的数据报通信，包括数据报的发送与接收。 异常处理与健壮性： 讲解在网络编程中常见的异常情况（如连接中断、数据错误等），以及如何进行有效的异常处理，确保程序的健壮性。 第三章：高级网络模型与I/O多路复用 随着网络应用规模的不断扩大，传统的阻塞式I/O和简单的多线程/多进程模型在处理海量并发连接时会面临性能瓶颈。本章将聚焦于更高效的网络I/O模型： 阻塞I/O模型： 回顾并分析其工作方式，以及存在的性能问题。 非阻塞I/O模型： 讲解如何设置Socket为非阻塞模式，以及使用轮询（Polling）方式进行I/O操作，并分析其局限性。 I/O多路复用技术： `select()`： 介绍`select()`函数的工作原理，如何通过监视多个文件描述符来等待I/O事件。分析其在文件描述符数量限制上的不足。 `poll()`： 讲解`poll()`函数，它是`select()`的改进，克服了文件描述符数量的限制。 `epoll()`（Linux特有）： 深入剖析`epoll()`的工作机制，包括事件驱动（Edge-Triggered）与水平触发（Level-Triggered）模式，以及其在Linux系统上的高性能表现。我们将重点介绍`epoll_create()`、`epoll_ctl()`、`epoll_wait()`等关键API。 Reactor模式： 介绍基于事件驱动的Reactor设计模式，它如何与I/O多路复用技术相结合，实现高效的事件处理。 Proactor模式： 介绍Proactor模式，与Reactor模式进行对比，理解其异步I/O的处理方式。 通过学习本章内容，读者将能够设计出能够高效处理大量并发连接的网络服务。 第四章：并发处理技术的深入探讨 除了I/O多路复用，并发处理还需要高效的线程管理和任务调度。本章将深入探讨： 线程池（Thread Pool）： 讲解线程池的工作原理，如何通过预先创建和管理一组线程来避免频繁创建和销毁线程的开销，从而提高性能。我们将讨论线程池的创建、任务提交、线程复用等关键点。 进程池（Process Pool）： 类似线程池，但用于管理进程。分析其在某些场景下的优势，例如内存隔离。 协程（Coroutines）： 介绍协程这一轻量级的用户态线程，它们如何通过协作实现并发，以及在某些语言（如Python、Go）中如何被广泛应用。 异步I/O与事件循环（Event Loop）： 结合I/O多路复用，深入理解事件循环的工作方式，以及如何在事件循环中管理异步操作。 并发安全与同步机制： 讲解多线程/多进程环境下可能出现的竞态条件、死锁等问题，以及如何使用互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）、条件变量（Condition Variable）等同步机制来保证并发安全。 第五章：网络应用性能优化策略 构建高性能网络应用不仅仅是技术选型，更需要精细化的性能调优。本章将聚焦于各种优化手段： 缓冲区优化： 讲解如何合理地设置Socket的发送缓冲区和接收缓冲区大小，以减少系统调用次数和提高数据传输效率。 零拷贝（Zero-copy）技术： 介绍零拷贝的概念，以及`sendfile()`等系统调用如何避免数据在用户空间和内核空间之间的不必要拷贝，大幅提升文件传输性能。 内存管理： 讨论在网络编程中高效的内存分配与回收策略，避免内存泄漏和碎片化。 连接管理： 探讨连接复用（如HTTP Keep-Alive）、连接池等技术，以减少建立和关闭连接的开销。 序列化与反序列化： 分析不同序列化格式（如JSON、Protocol Buffers、MessagePack）的性能差异，并选择适合应用场景的序列化方案。 负载均衡（Load Balancing）： 简要介绍负载均衡的概念及其重要性，以及常见的负载均衡算法。 网络协议优化： 探讨HTTP/2、HTTP/3等新一代协议在性能上的改进，以及何时适合采用这些协议。 第六章：实际应用与案例分析 理论结合实践是提升技能的最佳途径。本章将通过实际的案例分析，巩固所学知识： 高并发Web服务器设计： 分析如何利用I/O多路复用、线程池等技术设计一个能够处理高并发请求的Web服务器。 实时聊天应用开发： 探讨如何构建一个支持海量用户同时在线的即时通讯系统，关注消息的可靠传输、低延迟和消息队列的应用。 分布式系统中的网络通信： 介绍在构建分布式系统时，网络通信面临的挑战，如RPC（远程过程调用）框架的选择与实现。 性能瓶颈分析与定位： 讲解如何使用网络抓包工具（如Wireshark）、性能监控工具等来分析和定位网络应用的性能瓶颈。 第七章：网络安全基础 在构建网络应用时，安全性是不可忽视的重要环节。本章将简要介绍网络安全的基础知识： 常见的网络攻击： DDoS攻击、SQL注入、跨站脚本攻击（XSS）等。 SSL/TLS加密： 介绍SSL/TLS协议的工作原理，如何实现数据在传输过程中的加密和身份验证。 防火墙与访问控制： 简要介绍防火墙的作用以及配置策略。 结论 网络程序设计是一门博大精深的学问，它既需要深厚的理论基础，也需要丰富的实践经验。本书从网络通信的底层协议到高级并发模型，再到性能优化和安全防护，系统地梳理了构建高性能网络应用所需的关键知识体系。希望通过本书的学习，读者能够建立起对网络程序设计的全面认知，掌握构建健壮、高效、可扩展网络应用的核心技能，在日益激烈的技术竞争中脱颖而出，创造出更多有价值的网络产品。

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这本书的语言风格，简直是一股清流。它摆脱了传统技术书籍那种刻板、教条式的陈述，反而充满了知识分子的幽默感和对技术哲学的思考。作者在讲解复杂的并发控制问题时，常常会引用一些历史典故或者生活中的小事来阐述原理，使得原本晦涩难懂的概念变得生动有趣，让人在会心一笑中就掌握了核心要点。例如，他对“死锁”的描述，就仿佛在讲述一出精妙的戏剧，每一个角色（线程）的动机和行为都被刻画得入木三分。这种将技术与人文结合的方式，极大地降低了学习的心理负担，也让阅读过程变成了一种享受。这本书证明了，即便是最硬核的技术主题，也可以用一种引人入胜、充满温度的方式来呈现。我毫不犹豫地认为，这本书是近年来技术写作的典范之作。

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这本书最让我惊喜的地方，在于它对“未来趋势”的把握。它并未沉溺于对老旧技术的怀旧，而是将大量的笔墨放在了新兴的网络范式上，比如服务网格、边缘计算对传统架构的冲击，以及下一代互联网协议的一些前瞻性思考。作者的论述充满洞察力，他没有简单地罗列这些技术名词，而是深入分析了驱动这些变革的根本原因——对低延迟、高弹性和数据主权的不断追求。这种前瞻性视角，让这本书的“保质期”大大延长。读完后，我感觉自己站在了一个更高的技术制高点上，能够更清晰地预判行业的发展方向。它不仅巩固了我的基础知识，更点燃了我对探索未知领域的激情。这本书是连接当前实践与未来图景的一座坚实桥梁。

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这本书的阅读体验，说实话，比我预期的要丰富得多。我本以为会是一本枯燥的技术手册，结果它像是一部关于现代互联网底层逻辑的深度纪录片。作者的叙述方式非常生动，没有过多地堆砌那些令人望而生畏的专业术语，而是通过大量的实际案例和类比，将那些抽象的网络协议和架构概念具象化了。比如，书中对TCP/IP协议栈的解析，不再是冷冰冰的RFC文档复述，而是描绘了一场数据包在广阔互联网海洋中航行的史诗。我特别欣赏作者对于“延迟”这一概念的探讨，他不仅仅停留在技术层面，还延伸到了用户体验和商业模式的构建上，这让我开始以一种全新的视角去审视我日常使用的每一个网络服务。读完之后，我感觉自己对“网络”这个词汇的理解，从一个模糊的“有网”概念，跃升到了对数据流、拥塞控制和安全策略的深刻洞察。这本书的价值，不在于它教你如何写出性能最好的代码，而在于它帮你建立起一个坚固的、能支撑未来学习和思考的网络知识框架。

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坦率地说，这本书的阅读门槛并不低，但如果你愿意投入精力，回报将是巨大的。它不是那种可以囫囵吞枣的书籍，每一个章节都需要细细品味，甚至需要配合一些辅助性的工具来进行验证。我个人花了大量时间去研究作者在书中提到的某些经典算法和数据结构的实现细节，这比我之前在其他教材上看到的讲解要深刻和实用得多。作者对于“可靠性”的执着，贯穿了全书的主线，这在充斥着“快速迭代”口号的开发环境中显得尤为可贵。他清晰地展示了，一个真正健壮的系统，是如何通过精巧的错误处理和容错机制来对抗不可预测的网络环境的。这本书更像是一本“内功心法”，它教会你如何培养一种对系统稳定性的敬畏之心，而不是仅仅停留在实现功能的层面。我推荐给那些对底层原理有强烈好奇心，并且不畏惧挑战的读者。

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这本书的结构安排，简直是为有志于深入理解分布式系统和现代应用架构的人量身定做的。它的章节过渡非常自然，从基础的物理层和链路层开始，稳步攀升到应用层协议的设计哲学，每一步都像是为下一次飞跃做好了充分的准备。我尤其赞赏作者在讲解“性能优化”这一章节时所展现的严谨性。他没有提供那些一劳永逸的“银弹”方案，而是深入剖析了不同优化策略背后的取舍——时间与空间的交换，一致性与可用性的权衡。这种辩证的思维方式，对于我们这些长期在复杂系统中摸索的开发者来说，是极其宝贵的。读这本书的过程中，我感觉自己像是在一位经验丰富的老工程师的指导下，进行一次高强度的“内功”修炼。它迫使你去思考，为什么某些设计是必要的，而不是仅仅满足于“能跑起来”的最低标准。

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