unix环境高级编程-------socket（套接字）

一、socket是什么？

     socket就是用来通信的，本博客所讲的socket是基于tcp/ip协议的（当然还可以采用其他不同的网络协议来通信）？首先我们来了解一下tcp/ip协议：

     首先记住，每台电脑在网络中都有一个ip地址，这个ip地址就是网络中电脑的唯一的标识，那么在网络中怎么标识网络进程呢？这个时候端口号就是派上用场了。不同的端口号对应不用的服务。所以ip+协议+端口就可以标识网络进程了。不明白的地方请查询端口号的作用。

1、什么是tcp/ip  以及udp？

            TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。    

               UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。

       T CP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层，而socket所在位置如图，Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层。

二、了解socket

         套接字是通信端点的抽象的描述。正如使用文件描述符一样，应用程序用套接字描述符访问套接字。

         套接字描述符在unix系统被当作是一种文件描述符。实事上，许多处理文件描述符的函数（read和write）可以用于处理套接字描述符。

 int  socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd

         这个函数返回的就是套接字描述符，道理和open和creat函数一样，返回的都是文件描述符。

 socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

      正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

• protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
• type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
• protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）。

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

     2、bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函数的三个参数分别为：

• sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
• addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是： 
  

  struct sockaddr_in {    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */};/* Internet address. */struct in_addr {    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */};

  ipv6对应的是： 
  

  struct sockaddr_in6 {     sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */     in_port_t       sin6_port;     /* port number */     uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */     struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */     uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ };struct in6_addr {     unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ };

  Unix域对应的是： 
  

  #define UNIX_PATH_MAX    108struct sockaddr_un {     sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */     char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ };

• addrlen：对应的是地址的长度。

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

      3、listen()、connect()函数

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

int listen(int sockfd, int backlog);int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

        4、accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd

参数sockfd

参数sockfd就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器连接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。

参数addr

这是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，当然这个地址是通过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣，那么可以把这个值设置为NULL。

参数len

如同大家所认为的，它也是结果的参数，用来接受上述addr的结构的大小的，它指明addr结构所占有的字节个数。同样的，它也可以被设置为NULL。

如果accept成功返回，则服务器与客户已经正确建立连接了，此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。

注意：

      accept默认会阻塞进程，直到有一个客户连接建立后返回，它返回的是一个新可用的套接字，这个套接字是连接套接字。

此时我们需要区分两种套接字，

       监听套接字: 监听套接字正如accept的参数sockfd，它是监听套接字，在调用listen函数之后，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字(监听套接字)

       连接套接字：一个套接字会从主动连接的套接字变身为一个监听套接字；而accept函数返回的是已连接socket描述字(一个连接套接字)，它代表着一个网络已经存在的点点连接。

        一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

        自然要问的是：为什么要有两种套接字？原因很简单，如果使用一个描述字的话，那么它的功能太多，使得使用很不直观，同时在内核确实产生了一个这样的新的描述字。

连接套接字socketfd_new 并没有占用新的端口与客户端通信，依然使用的是与监听套接字socketfd一样的端口号

     5、read()、write()等函数

万事具备只欠东风，至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！网络I/O操作有下面几组：

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto()

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：

       #include <unistd.h>       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);       #include <sys/types.h>       #include <sys/socket.h>       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);       ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);       ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或者baidu、Google，下面的例子中将使用到send/recv。

      6、close()函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include <unistd.h>int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

我们来一个实际的例子练练手：

服务端：

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<errno.h>#include<sys/types.h>#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>#include<unistd.h>#define MAXLINE 4096int main(int argc, char** argv){    int    listenfd, connfd;    struct sockaddr_in     servaddr;    char    buff[4096];    int     n;    if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){    printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);    exit(0);    }    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));    servaddr.sin_family = AF_INET;    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    servaddr.sin_port = htons(6666);    if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){    printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);    exit(0);    }    if( listen(listenfd, 10) == -1){    printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);    exit(0);    }    printf("======waiting for client's request======\n");    while(1){    if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){        printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);        continue;    }    n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);    buff[n] = '\0';    printf("recv msg from client: %s\n", buff);    close(connfd);    }    close(listenfd);}

客户端：

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<errno.h>#include<sys/types.h>#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>#include<unistd.h>#define MAXLINE 4096#include<arpa/inet.h>int main(int argc, char** argv){    int    sockfd, n;    char    recvline[4096], sendline[4096];    struct sockaddr_in    servaddr;    if( argc != 2){    printf("usage: ./client <ipaddress>\n");    exit(0);    }    if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){    printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno);    exit(0);    }    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));    servaddr.sin_family = AF_INET;    servaddr.sin_port = htons(6666);    if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){    printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]);    exit(0);    }    if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){    printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);    exit(0);    }    printf("send msg to server: \n");    fgets(sendline, 4096, stdin);    if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)    {    printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);    exit(0);    }    close(sockfd);    exit(0);}

编译

[root@chen myworkspace]# g++ server.cpp -o server

[root@chen myworkspace]# g++ client.cpp -o client

运行：在不同的终端下运行

[root@chen myworkspace]# ./server

[root@chen myworkspace]# ./client 127.0.0.1 

在来看一个例子：

服务端：

#include<stdio.h>  #include<stdlib.h>  #include<string.h>  #include<errno.h>  #include<sys/types.h>  #include<sys/socket.h>  #include<netinet/in.h>  int main(int argc, char** argv){int    socket_fd, connect_fd;struct sockaddr_in     servaddr;char    buff[4096];int     n;//初始化Socket  if ((socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);exit(0);}//初始化  memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//IP地址设置成INADDR_ANY,让系统自动获取本机的IP地址。  servaddr.sin_port = htons(8000);//设置的端口为DEFAULT_PORT  //将本地地址绑定到所创建的套接字上  if (bind(socket_fd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);exit(0);}//开始监听是否有客户端连接  if (listen(socket_fd, 10) == -1){printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);exit(0);}printf("======waiting for client's request======\n");while (1){//阻塞直到有客户端连接，不然多浪费CPU资源。  if ((connect_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){printf("accept socket error: %s(errno: %d)", strerror(errno), errno);continue;}//接受客户端传过来的数据  n = recv(connect_fd, buff, 4096, 0);//向客户端发送回应数据  if (!fork()){ /*子进程*/if (send(connect_fd, "Hello,you are connected!\n", 26, 0) == -1)perror("send error");close(connect_fd);exit(0);}buff[n] = '\0';printf("recv msg from client: %s\n", buff);close(connect_fd);}close(socket_fd);}

服务端：

#include<stdio.h>  #include<stdlib.h>  #include<string.h>  #include<errno.h>  #include<sys/types.h>  #include<sys/socket.h>  #include<netinet/in.h>  #include<unistd.h>#include<arpa/inet.h>#define MAXLINE 4096  int main(int argc, char** argv){int    sockfd, n, rec_len;char    recvline[4096], sendline[4096];char    buf[MAXLINE];struct sockaddr_in    servaddr;if (argc != 2){printf("usage: ./client <ipaddress>\n");exit(0);}if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);exit(0);}memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons(8000);if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){printf("inet_pton error for %s\n", argv[1]);exit(0);}if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){printf("connect error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);exit(0);}printf("send msg to server: \n");fgets(sendline, 4096, stdin);if (send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0){printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);exit(0);}if ((rec_len = recv(sockfd, buf, MAXLINE, 0)) == -1) {perror("recv error");exit(1);}buf[rec_len] = '\0';printf("Received : %s ", buf);close(sockfd);exit(0);}

运行同第一个例子是一样的。