biancheng-socket编程

http://c.biancheng.net/socket/

网络编程就是编写程序使两台联网的计算机相互交换数据。这就是全部内容了吗？是的！网络编程要比想象中的简单许多。

那么，这两台计算机之间用什么传输数据呢？首先需要物理连接。如今大部分计算机都已经连接到互联网，因此不用担心这一点。

在此基础上，只需要考虑如何编写数据传输程序。但实际上这点也不用愁，因为操作系统已经提供了 socket。即使对网络数据传输的原理不太熟悉，我们也能通过 socket 来编程。

什么是 socket？

socket 的原意是“插座”，在计算机通信领域，socket 被翻译为“套接字”，它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。

我们把插头插到插座上就能从电网获得电力供应，同样，为了与远程计算机进行数据传输，需要连接到因特网，而 socket 就是用来连接到因特网的工具。

socket是什么？


socket 的典型应用就是 Web 服务器和浏览器：浏览器获取用户输入的 URL，向服务器发起请求，服务器分析接收到的 URL，将对应的网页内容返回给浏览器，浏览器再经过解析和渲染，就将文字、图片、视频等元素呈现给用户。

学习 socket，也就是学习计算机之间如何通信，并编写出实用的程序。

UNIX/Linux 中的 socket 是什么？

在 UNIX/Linux 系统中，为了统一对各种硬件的操作，简化接口，不同的硬件设备也都被看成一个文件。对这些文件的操作，等同于对磁盘上普通文件的操作。

你也许听很多高手说过，UNIX/Linux 中的一切都是文件！那个家伙说的没错。

为了表示和区分已经打开的文件，UNIX/Linux 会给每个文件分配一个 ID，这个 ID 就是一个整数，被称为文件描述符（File Descriptor）。例如：

  • 通常用 0 来表示标准输入文件（stdin），它对应的硬件设备就是键盘；
  • 通常用 1 来表示标准输出文件（stdout），它对应的硬件设备就是显示器。


UNIX/Linux 程序在执行任何形式的 I/O 操作时，都是在读取或者写入一个文件描述符。一个文件描述符只是一个和打开的文件相关联的整数，它的背后可能是一个硬盘上的普通文件、FIFO、管道、终端、键盘、显示器，甚至是一个网络连接。

请注意，网络连接也是一个文件，它也有文件描述符！你必须理解这句话。

我们可以通过 socket() 函数来创建一个网络连接，或者说打开一个网络文件，socket() 的返回值就是文件描述符。有了文件描述符，我们就可以使用普通的文件操作函数来传输数据了，例如：

  • 用 read() 读取从远程计算机传来的数据；
  • 用 write() 向远程计算机写入数据。


你看，只要用 socket() 创建了连接，剩下的就是文件操作了，网络编程原来就是如此简单！

Window 系统中的 socket 是什么？

Windows 也有类似“文件描述符”的概念，但通常被称为“文件句柄”。因此，本教程如果涉及 Windows 平台将使用“句柄”，如果涉及 Linux 平台则使用“描述符”。

与 UNIX/Linux 不同的是，Windows 会区分 socket 和文件，Windows 就把 socket 当做一个网络连接来对待，因此需要调用专门针对 socket 而设计的数据传输函数，针对普通文件的输入输出函数就无效了。

根据数据的传输方式，可以将 Internet 套接字分成两种类型。通过 socket() 函数创建连接时，必须告诉它使用哪种数据传输方式。

Internet 套接字其实还有很多其它数据传输方式，但是我可不想吓到你，本教程只讲常用的两种。

流格式套接字（SOCK_STREAM）

流格式套接字（Stream Sockets）也叫“面向连接的套接字”，在代码中使用 SOCK_STREAM 表示。

SOCK_STREAM 是一种可靠的、双向的通信数据流，数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送。

流格式套接字有自己的纠错机制，在此我们就不讨论了。

SOCK_STREAM 有以下几个特征：

  • 数据在传输过程中不会消失；
  • 数据是按照顺序传输的；
  • 数据的发送和接收不是同步的（有的教程也称“不存在数据边界”）。


可以将 SOCK_STREAM 比喻成一条传送带，只要传送带本身没有问题（不会断网），就能保证数据不丢失；同时，较晚传送的数据不会先到达，较早传送的数据不会晚到达，这就保证了数据是按照顺序传递的。

将面向连接的套接字比喻成传送带


为什么流格式套接字可以达到高质量的数据传输呢？这是因为它使用了 TCP 协议（The Transmission Control Protocol，传输控制协议），TCP 协议会控制你的数据按照顺序到达并且没有错误。

你也许见过 TCP，是因为你经常听说“TCP/IP”。TCP 用来确保数据的正确性，IP（Internet Protocol，网络协议）用来控制数据如何从源头到达目的地，也就是常说的“路由”。

那么，“数据的发送和接收不同步”该如何理解呢？

假设传送带传送的是水果，接收者需要凑齐 100 个后才能装袋，但是传送带可能把这 100 个水果分批传送，比如第一批传送 20 个，第二批传送 50 个，第三批传送 30 个。接收者不需要和传送带保持同步，只要根据自己的节奏来装袋即可，不用管传送带传送了几批，也不用每到一批就装袋一次，可以等到凑够了 100 个水果再装袋。

流格式套接字的内部有一个缓冲区（也就是字符数组），通过 socket 传输的数据将保存到这个缓冲区。接收端在收到数据后并不一定立即读取，只要数据不超过缓冲区的容量，接收端有可能在缓冲区被填满以后一次性地读取，也可能分成好几次读取。

也就是说，不管数据分几次传送过来，接收端只需要根据自己的要求读取，不用非得在数据到达时立即读取。传送端有自己的节奏，接收端也有自己的节奏，它们是不一致的。

流格式套接字有什么实际的应用场景吗？浏览器所使用的 http 协议就基于面向连接的套接字，因为必须要确保数据准确无误，否则加载的 HTML 将无法解析。

数据报格式套接字（SOCK_DGRAM）

数据报格式套接字（Datagram Sockets）也叫“无连接的套接字”，在代码中使用 SOCK_DGRAM 表示。

计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。

因为数据报套接字所做的校验工作少，所以在传输效率方面比流格式套接字要高。

可以将 SOCK_DGRAM 比喻成高速移动的摩托车快递，它有以下特征：

  • 强调快速传输而非传输顺序；
  • 传输的数据可能丢失也可能损毁；
  • 限制每次传输的数据大小；
  • 数据的发送和接收是同步的（有的教程也称“存在数据边界”）。


众所周知，速度是快递行业的生命。用摩托车发往同一地点的两件包裹无需保证顺序，只要以最快的速度交给客户就行。这种方式存在损坏或丢失的风险，而且包裹大小有一定限制。因此，想要传递大量包裹，就得分配发送。

将无连接套接字比喻成摩托车快递


另外，用两辆摩托车分别发送两件包裹，那么接收者也需要分两次接收，所以“数据的发送和接收是同步的”；换句话说，接收次数应该和发送次数相同。

总之，数据报套接字是一种不可靠的、不按顺序传递的、以追求速度为目的的套接字。

数据报套接字也使用 IP 协议作路由，但是它不使用 TCP 协议，而是使用 UDP 协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。

QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK_DGRAM 来传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响。 

OSI 模型把网络通信的工作分为 7 层，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

OSI 只是存在于概念和理论上的一种模型，它的缺点是分层太多，增加了网络工作的复杂性，所以没有大规模应用。后来人们对 OSI 进行了简化，合并了一些层，最终只保留了 4 层，从下到上分别是接口层、网络层、传输层和应用层，这就是大名鼎鼎的 TCP/IP 模型。

图1：OSI 七层网络模型和 TCP/IP 四层网络模型的对比
这个网络模型究竟是干什么呢？简而言之就是进行数据封装的。

我们平常使用的程序（或者说软件）一般都是通过应用层来访问网络的，程序产生的数据会一层一层地往下传输，直到最后的网络接口层，就通过网线发送到互联网上去了。数据每往下走一层，就会被这一层的协议增加一层包装，等到发送到互联网上时，已经比原始数据多了四层包装。整个数据封装的过程就像俄罗斯套娃。

当另一台计算机接收到数据包时，会从网络接口层再一层一层往上传输，每传输一层就拆开一层包装，直到最后的应用层，就得到了最原始的数据，这才是程序要使用的数据。

给数据加包装的过程，实际上就是在数据的头部增加一个标志（一个数据块），表示数据经过了这一层，我已经处理过了。给数据拆包装的过程正好相反，就是去掉数据头部的标志，让它逐渐现出原形。

你看，在互联网上传输一份数据是多么地复杂啊，而我们却感受不到，这就是网络模型的厉害之处。我们只需要在代码中调用一个函数，就能让下面的所有网络层为我们工作。

我们所说的 socket 编程，是站在传输层的基础上，所以可以使用 TCP/UDP 协议，但是不能干「访问网页」这样的事情，因为访问网页所需要的 http 协议位于应用层。

两台计算机进行通信时，必须遵守以下原则：
  • 必须是同一层次进行通信，比如，A 计算机的应用层和 B 计算机的传输层就不能通信，因为它们不在一个层次，数据的拆包会遇到问题。
  • 每一层的功能都必须相同，也就是拥有完全相同的网络模型。如果网络模型都不同，那不就乱套了，谁都不认识谁。
  • 数据只能逐层传输，不能跃层。
  • 每一层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务。

TCP/IP协议族

 协议（Protocol）就是网络通信过程中的约定或者合同，通信的双方必须都遵守才能正常收发数据。协议有很多种，例如 TCP、UDP、IP 等，通信的双方必须使用同一协议才能通信。协议是一种规范，由计算机组织制定，规定了很多细节，例如，如何建立连接，如何相互识别等。
协议仅仅是一种规范，必须由计算机软件来实现。例如 IP 协议规定了如何找到目标计算机，那么各个开发商在开发自己的软件时就必须遵守该协议，不能另起炉灶。
TCP/IP 模型包含了 TCP、IP、UDP、Telnet、FTP、SMTP 等上百个互为关联的协议，其中 TCP 和 IP 是最常用的两种底层协议，所以把它们统称为“TCP/IP 协议族”。

也就是说，“TCP/IP模型”中所涉及到的协议称为“TCP/IP协议族”，你可以区分这两个概念，也可以认为它们是等价的，随便你怎么想。

本教程所讲的 socket 编程是基于 TCP 和 UDP 协议的，它们的层级关系如下图所示：

TCP/IP协议的层次图

【扩展阅读】开放式系统（Open System）

把协议分成多个层次有哪些优点？协议设计更容易？当然这也足以成为优点之一。但是还有更重要的原因，就是为了通过标准化操作设计成开放式系统。

标准本身就是对外公开的，会引导更多的人遵守规范。以多个标准为依据设计的系统称为开放式系统（Open System），我们现在学习的 TCP/IP 协议族也属于其中之一。

接下来了解一下开放式系统具有哪些优点。

路由器用来完成 IP 层的交互任务。某个网络原来使用 A 公司的路由器，现要将其替换成 B 公司的，是否可行？这并非难事，并不一定要换成同一公司的同一型号路由器，因为所有生产商都会按照 IP 层标准制造。

再举个例子。大家的计算机是否装有网络接口卡，也就是所谓的网卡？尚未安装也无妨，其实很容易买到，因为所有网卡制造商都会遵守链路层的协议标准。这就是开放式系统的优点。

标准的存在意味着高速的技术发展，这也是开放式系统设计最大的原因所在。实际上，软件工程中的“面向对象（Object Oriented）”的诞生背景中也有标准化的影子。也就是说，标准对于技术发展起着举足轻重的作用。

IP地址

IP地址是 Internet Protocol Address 的缩写，译为“网际协议地址”。

目前大部分软件使用 IPv4 地址，但 IPv6 也正在被人们接受，尤其是在教育网中，已经大量使用。

一台计算机可以拥有一个独立的 IP 地址，一个局域网也可以拥有一个独立的 IP 地址（对外就好像只有一台计算机）。对于目前广泛使用 IPv4 地址，它的资源是非常有限的，一台计算机一个 IP 地址是不现实的，往往是一个局域网才拥有一个 IP 地址。

在因特网上进行通信时，必须要知道对方的 IP 地址。实际上数据包中已经附带了 IP 地址，把数据包发送给路由器以后，路由器会根据 IP 地址找到对方的地里位置，完成一次数据的传递。路由器有非常高效和智能的算法，很快就会找到目标计算机。

MAC地址

现实的情况是，一个局域网往往才能拥有一个独立的 IP；换句话说，IP 地址只能定位到一个局域网，无法定位到具体的一台计算机。这可怎么办呀？这样也没法通信啊。

其实，真正能唯一标识一台计算机的是 MAC 地址，每个网卡的 MAC 地址在全世界都是独一无二的。计算机出厂时，MAC 地址已经被写死到网卡里面了（当然通过某些“奇巧淫技”也是可以修改的）。局域网中的路由器/交换机会记录每台计算机的 MAC 地址。
MAC 地址是 Media Access Control Address 的缩写，直译为“媒体访问控制地址”，也称为局域网地址（LAN Address），以太网地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address）。
数据包中除了会附带对方的 IP 地址，还会附带对方的 MAC 地址，当数据包达到局域网以后，路由器/交换机会根据数据包中的 MAC 地址找到对应的计算机，然后把数据包转交给它，这样就完成了数据的传递。

端口号

有了 IP 地址和 MAC 地址，虽然可以找到目标计算机，但仍然不能进行通信。一台计算机可以同时提供多种网络服务，例如 Web 服务（网站）、FTP 服务（文件传输服务）、SMTP 服务（邮箱服务）等，仅有 IP 地址和 MAC 地址，计算机虽然可以正确接收到数据包，但是却不知道要将数据包交给哪个网络程序来处理，所以通信失败。

为了区分不同的网络程序，计算机会为每个网络程序分配一个独一无二的端口号（Port Number），例如，Web 服务的端口号是 80，FTP 服务的端口号是 21，SMTP 服务的端口号是 25。

端口（Port）是一个虚拟的、逻辑上的概念。可以将端口理解为一道门，数据通过这道门流入流出，每道门有不同的编号，就是端口号。如下图所示：
 

socket()函数用法详解：创建套接字

Linux 中的一切都是文件，每个文件都有一个整数类型的文件描述符；socket 也是一个文件，也有文件描述符。使用 socket() 函数创建套接字以后，返回值就是一个 int 类型的文件描述符。

Windows 会区分 socket 和普通文件，它把 socket 当做一个网络连接来对待，调用 socket() 以后，返回值是 SOCKET 类型，用来表示一个套接字。

Linux 下的 socket() 函数

在 Linux 下使用 <sys/socket.h> 头文件中 socket() 函数来创建套接字，原型为： 
int socket(int af, int type, int protocol);
1) af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet”的简写。AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。

大家需要记住127.0.0.1，它是一个特殊IP地址，表示本机地址，后面的教程会经常用到。
你也可以使用 PF 前缀，PF 是“Protocol Family”的简写，它和 AF 是一样的。例如，PF_INET 等价于 AF_INET，PF_INET6 等价于 AF_INET6。
2) type 为数据传输方式/套接字类型，常用的有 SOCK_STREAM（流格式套接字/面向连接的套接字） 和 SOCK_DGRAM（数据报套接字/无连接的套接字），我们已经在《套接字有哪些类型》一节中进行了介绍。

3) protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。

有了地址类型和数据传输方式，还不足以决定采用哪种协议吗？为什么还需要第三个参数呢？

正如大家所想，一般情况下有了 af 和 type 两个参数就可以创建套接字了，操作系统会自动推演出协议类型，除非遇到这样的情况：有两种不同的协议支持同一种地址类型和数据传输类型。如果我们不指明使用哪种协议，操作系统是没办法自动推演的。

本教程使用 IPv4 地址，参数 af 的值为 PF_INET。如果使用 SOCK_STREAM 传输数据，那么满足这两个条件的协议只有 TCP，因此可以这样来调用 socket() 函数： 
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  //IPPROTO_TCP表示TCP协议
这种套接字称为 TCP 套接字。

如果使用 SOCK_DGRAM 传输方式，那么满足这两个条件的协议只有 UDP，因此可以这样来调用 socket() 函数： 
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);  //IPPROTO_UDP表示UDP协议
这种套接字称为 UDP 套接字。

上面两种情况都只有一种协议满足条件，可以将 protocol 的值设为 0，系统会自动推演出应该使用什么协议，如下所示： 
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //创建TCP套接字
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  //创建UDP套接字
后面的教程中多采用这种简化写法。

在Windows下创建socket

Windows 下也使用 socket() 函数来创建套接字，原型为： 
SOCKET socket(int af, int type, int protocol);
除了返回值类型不同，其他都是相同的。Windows 不把套接字作为普通文件对待，而是返回 SOCKET 类型的句柄。请看下面的例子： 
SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //创建TCP套接字
 

bind() 函数

bind() 函数的原型为：

int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);  //Linux
int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen);  //Windows
下面以 Linux 为例进行讲解，Windows 与此类似。

sock 为 socket 文件描述符，addr 为 sockaddr 结构体变量的指针，addrlen 为 addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。

下面的代码，将创建的套接字与IP地址 127.0.0.1、端口 1234 绑定：

  1. //创建套接字
  2. int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
  4. //创建sockaddr_in结构体变量
  5. struct sockaddr_in serv_addr;
  6. memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr)); //每个字节都用0填充
  7. serv_addr.sin_family = AF_INET; //使用IPv4地址
  8. serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //具体的IP地址
  9. serv_addr.sin_port = htons(1234); //端口
  11. //将套接字和IP、端口绑定
  12. bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

这里我们使用 sockaddr_in 结构体，然后再强制转换为 sockaddr 类型，后边会讲解为什么这样做。

sockaddr_in 结构体

接下来不妨先看一下 sockaddr_in 结构体，它的成员变量如下：

  1. struct sockaddr_in{
  2. sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址类型
  3. uint16_t sin_port; //16位的端口号
  4. struct in_addr sin_addr; //32位IP地址
  5. char sin_zero[8]; //不使用，一般用0填充
  6. };

1) sin_family 和 socket() 的第一个参数的含义相同，取值也要保持一致。

2) sin_prot 为端口号。uint16_t 的长度为两个字节，理论上端口号的取值范围为 0~65536，但 0~1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，例如 Web 服务的端口号为 80，FTP 服务的端口号为 21，所以我们的程序要尽量在 1024~65536 之间分配端口号。

端口号需要用 htons() 函数转换，后面会讲解为什么。

3) sin_addr 是 struct in_addr 结构体类型的变量，下面会详细讲解。

4) sin_zero[8] 是多余的8个字节，没有用，一般使用 memset() 函数填充为 0。上面的代码中，先用 memset() 将结构体的全部字节填充为 0，再给前3个成员赋值，剩下的 sin_zero 自然就是 0 了。

in_addr 结构体

sockaddr_in 的第3个成员是 in_addr 类型的结构体，该结构体只包含一个成员，如下所示：

  1. struct in_addr{
  2. in_addr_t s_addr; //32位的IP地址
  3. };

in_addr_t 在头文件 <netinet/in.h> 中定义，等价于 unsigned long，长度为4个字节。也就是说，s_addr 是一个整数，而IP地址是一个字符串，所以需要 inet_addr() 函数进行转换，例如：

  1. unsigned long ip = inet_addr("127.0.0.1");
  2. printf("%ld\n", ip);

运行结果：
16777343


图解 sockaddr_in 结构体


为什么要搞这么复杂，结构体中嵌套结构体，而不用 sockaddr_in 的一个成员变量来指明IP地址呢？socket() 函数的第一个参数已经指明了地址类型，为什么在 sockaddr_in 结构体中还要再说明一次呢，这不是啰嗦吗？

这些繁琐的细节确实给初学者带来了一定的障碍，我想，这或许是历史原因吧，后面的接口总要兼容前面的代码。各位读者一定要有耐心，暂时不理解没有关系，根据教程中的代码“照猫画虎”即可，时间久了自然会接受。

为什么使用 sockaddr_in 而不使用 sockaddr

bind() 第二个参数的类型为 sockaddr，而代码中却使用 sockaddr_in，然后再强制转换为 sockaddr，这是为什么呢？

sockaddr 结构体的定义如下：

  1. struct sockaddr{
  2. sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址类型
  3. char sa_data[14]; //IP地址和端口号
  4. };

下图是 sockaddr 与 sockaddr_in 的对比（括号中的数字表示所占用的字节数）：


sockaddr 和 sockaddr_in 的长度相同，都是16字节，只是将IP地址和端口号合并到一起，用一个成员 sa_data 表示。要想给 sa_data 赋值，必须同时指明IP地址和端口号，例如”127.0.0.1:80“，遗憾的是，没有相关函数将这个字符串转换成需要的形式，也就很难给 sockaddr 类型的变量赋值，所以使用 sockaddr_in 来代替。这两个结构体的长度相同，强制转换类型时不会丢失字节，也没有多余的字节。

可以认为，sockaddr 是一种通用的结构体，可以用来保存多种类型的IP地址和端口号，而 sockaddr_in 是专门用来保存 IPv4 地址的结构体。另外还有 sockaddr_in6，用来保存 IPv6 地址，它的定义如下：

  1. struct sockaddr_in6 {
  2. sa_family_t sin6_family; //(2)地址类型，取值为AF_INET6
  3. in_port_t sin6_port; //(2)16位端口号
  4. uint32_t sin6_flowinfo; //(4)IPv6流信息
  5. struct in6_addr sin6_addr; //(4)具体的IPv6地址
  6. uint32_t sin6_scope_id; //(4)接口范围ID
  7. };

正是由于通用结构体 sockaddr 使用不便，才针对不同的地址类型定义了不同的结构体。

connect() 函数

connect() 函数用来建立连接，它的原型为：

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);  //Linux
int connect(SOCKET sock, const struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);  //Windows

各个参数的说明和 bind() 相同，不再赘述。

listen() 函数

通过 listen() 函数可以让套接字进入被动监听状态，它的原型为：

  1. int listen(int sock, int backlog); //Linux
  2. int listen(SOCKET sock, int backlog); //Windows

sock 为需要进入监听状态的套接字，backlog 为请求队列的最大长度。

所谓被动监听，是指当没有客户端请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到客户端请求时，套接字才会被“唤醒”来响应请求。

请求队列

当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直到缓冲区满。这个缓冲区，就称为请求队列（Request Queue）。

缓冲区的长度（能存放多少个客户端请求）可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定，但究竟为多少并没有什么标准，可以根据你的需求来定，并发量小的话可以是10或者20。

如果将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN，就由系统来决定请求队列长度，这个值一般比较大，可能是几百，或者更多。

当请求队列满时，就不再接收新的请求，对于 Linux，客户端会收到 ECONNREFUSED 错误，对于 Windows，客户端会收到 WSAECONNREFUSED 错误。

注意：listen() 只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。

accept() 函数

当套接字处于监听状态时，可以通过 accept() 函数来接收客户端请求。它的原型为：

纯文本复制
  1. int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //Linux
  2. SOCKET accept(SOCKET sock, struct sockaddr *addr, int *addrlen); //Windows

它的参数与 listen() 和 connect() 是相同的：sock 为服务器端套接字，addr 为 sockaddr_in 结构体变量，addrlen 为参数 addr 的长度，可由 sizeof() 求得。

accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信，addr 保存了客户端的IP地址和端口号，而 sock 是服务器端的套接字，大家注意区分。后面和客户端通信时，要使用这个新生成的套接字，而不是原来服务器端的套接字。

最后需要说明的是：listen() 只是让套接字进入监听状态，并没有真正接收客户端请求，listen() 后面的代码会继续执行，直到遇到 accept()。accept() 会阻塞程序执行（后面代码不能被执行），直到有新的请求到来。

Linux下数据的接收和发送

Linux 不区分套接字文件和普通文件，使用 write() 可以向套接字中写入数据，使用 read() 可以从套接字中读取数据。

前面我们说过，两台计算机之间的通信相当于两个套接字之间的通信，在服务器端用 write() 向套接字写入数据，客户端就能收到，然后再使用 read() 从套接字中读取出来，就完成了一次通信。

write() 的原型为：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);

fd 为要写入的文件的描述符，buf 为要写入的数据的缓冲区地址，nbytes 为要写入的数据的字节数。

size_t 是通过 typedef 声明的 unsigned int 类型；ssize_t 在 "size_t" 前面加了一个"s"，代表 signed，即 ssize_t 是通过 typedef 声明的 signed int 类型。

write() 函数会将缓冲区 buf 中的 nbytes 个字节写入文件 fd，成功则返回写入的字节数，失败则返回 -1。

read() 的原型为：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

fd 为要读取的文件的描述符，buf 为要接收数据的缓冲区地址，nbytes 为要读取的数据的字节数。

read() 函数会从 fd 文件中读取 nbytes 个字节并保存到缓冲区 buf，成功则返回读取到的字节数（但遇到文件结尾则返回0），失败则返回 -1。

Windows下数据的接收和发送

Windows 和 Linux 不同，Windows 区分普通文件和套接字，并定义了专门的接收和发送的函数。

从服务器端发送数据使用 send() 函数，它的原型为：

int send(SOCKET sock, const char *buf, int len, int flags);

sock 为要发送数据的套接字，buf 为要发送的数据的缓冲区地址，len 为要发送的数据的字节数，flags 为发送数据时的选项。

返回值和前三个参数不再赘述，最后的 flags 参数一般设置为 0 或 NULL，初学者不必深究。

在客户端接收数据使用 recv() 函数，它的原型为：

int recv(SOCKET sock, char *buf, int len, int flags);

socket缓冲区

每个 socket 被创建后，都会分配两个缓冲区，输入缓冲区和输出缓冲区。

write()/send() 并不立即向网络中传输数据，而是先将数据写入缓冲区中，再由TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦将数据写入到缓冲区，函数就可以成功返回，不管它们有没有到达目标机器，也不管它们何时被发送到网络，这些都是TCP协议负责的事情。

TCP协议独立于 write()/send() 函数，数据有可能刚被写入缓冲区就发送到网络，也可能在缓冲区中不断积压，多次写入的数据被一次性发送到网络，这取决于当时的网络情况、当前线程是否空闲等诸多因素，不由程序员控制。

read()/recv() 函数也是如此，也从输入缓冲区中读取数据，而不是直接从网络中读取。

TCP套接字的I/O缓冲区示意图
图：TCP套接字的I/O缓冲区示意图


这些I/O缓冲区特性可整理如下：

  • I/O缓冲区在每个TCP套接字中单独存在；
  • I/O缓冲区在创建套接字时自动生成；
  • 即使关闭套接字也会继续传送输出缓冲区中遗留的数据；
  • 关闭套接字将丢失输入缓冲区中的数据。


输入输出缓冲区的默认大小一般都是 8K，可以通过 getsockopt() 函数获取：

  1. unsigned optVal;
  2. int optLen = sizeof(int);
  3. getsockopt(servSock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (char*)&optVal, &optLen);
  4. printf("Buffer length: %d\n", optVal);

运行结果：
Buffer length: 8192

这里仅给出示例，后面会详细讲解。

阻塞模式

对于TCP套接字（默认情况下），当使用 write()/send() 发送数据时：
1) 首先会检查缓冲区，如果缓冲区的可用空间长度小于要发送的数据，那么 write()/send() 会被阻塞（暂停执行），直到缓冲区中的数据被发送到目标机器，腾出足够的空间，才唤醒 write()/send() 函数继续写入数据。

2) 如果TCP协议正在向网络发送数据，那么输出缓冲区会被锁定，不允许写入，write()/send() 也会被阻塞，直到数据发送完毕缓冲区解锁，write()/send() 才会被唤醒。

3) 如果要写入的数据大于缓冲区的最大长度，那么将分批写入。

4) 直到所有数据被写入缓冲区 write()/send() 才能返回。

当使用 read()/recv() 读取数据时：
1) 首先会检查缓冲区，如果缓冲区中有数据，那么就读取，否则函数会被阻塞，直到网络上有数据到来。

2) 如果要读取的数据长度小于缓冲区中的数据长度，那么就不能一次性将缓冲区中的所有数据读出，剩余数据将不断积压，直到有 read()/recv() 函数再次读取。

3) 直到读取到数据后 read()/recv() 函数才会返回，否则就一直被阻塞。

这就是TCP套接字的阻塞模式。所谓阻塞，就是上一步动作没有完成，下一步动作将暂停，直到上一步动作完成后才能继续，以保持同步性。

TCP套接字默认情况下是阻塞模式，也是最常用的。当然你也可以更改为非阻塞模式，后续我们会讲解。

UDP和TCP

TCP 是面向连接的传输协议，建立连接时要经过三次握手，断开连接时要经过四次握手，中间传输数据时也要回复 ACK 包确认，多种机制保证了数据能够正确到达，不会丢失或出错。

UDP 是非连接的传输协议，没有建立连接和断开连接的过程，它只是简单地把数据丢到网络中，也不需要 ACK 包确认。

UDP 传输数据就好像我们邮寄包裹，邮寄前需要填好寄件人和收件人地址，之后送到快递公司即可，但包裹是否正确送达、是否损坏我们无法得知，也无法保证。UDP 协议也是如此，它只管把数据包发送到网络，然后就不管了，如果数据丢失或损坏，发送端是无法知道的，当然也不会重发。

既然如此，TCP 应该是更加优质的传输协议吧？

如果只考虑可靠性，TCP 的确比 UDP 好。但 UDP 在结构上比 TCP 更加简洁，不会发送 ACK 的应答消息，也不会给数据包分配 Seq 序号，所以 UDP 的传输效率有时会比 TCP 高出很多，编程中实现 UDP 也比 TCP 简单。

UDP 的可靠性虽然比不上TCP，但也不会像想象中那么频繁地发生数据损毁，在更加重视传输效率而非可靠性的情况下，UDP 是一种很好的选择。比如视频通信或音频通信，就非常适合采用 UDP 协议；通信时数据必须高效传输才不会产生“卡顿”现象，用户体验才更加流畅，如果丢失几个数据包，视频画面可能会出现“雪花”，音频可能会夹带一些杂音，这些都是无妨的。

与 UDP 相比，TCP 的生命在于流控制，这保证了数据传输的正确性。

最后需要说明的是：TCP 的速度无法超越 UDP，但在收发某些类型的数据时有可能接近 UDP。例如，每次交换的数据量越大，TCP 的传输速率就越接近于 UDP。

 

posted @ 2023-02-06 09:17  hanease  阅读(34)  评论(0)  编辑  收藏  举报