Linux下的Socket网络编程
Linux平台下的SOCKET网络通信
1，什么是SOCKET
Socket即为套接字，是计算机之间进行网络通信的一种方式，基于计算机网络中的TCP(UDP)/IP层
在linux中，socket被视为一个文件，即在完成一系列操作后，可以用类似读写文件的方式对socket进行操作，实现与网络通信
2，SOCKET的种类
对于不同的协议，存在不同的SOCKET种类
1，TCP：SOCKET_STREAM
2，UPD：SOCKET_DGRAM
3，IP：SOCKET_RAW（原始套接字，不常用）
3，套接字的使用（以SOCKET_STREAM为例）
先上一个示例
服务端程序
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
const char APPMESSAGE[] = "Scoket Network Programming Test String!\n";
int main(int argc, char *argv[]) {
int simpleSocket = 0;
int simplePort = 0;
int returnStatus = 0;
struct sockaddr_in simpleServer;
if (2 != argc) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
simpleSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (simpleSocket == -1) {
fprintf(stderr, "Could not create a socket!\n");
exit(1);
}
else {
fprintf(stderr, "Socket created!\n");
}
/* retrieve the port number for listening */
simplePort = atoi(argv[1]);
/* setup the address structure */
/* use INADDR_ANY to bind to all local addresses */
bzero(&simpleServer, sizeof(simpleServer));
simpleServer.sin_family = AF_INET;
simpleServer.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
simpleServer.sin_port = htons(simplePort);
/* bind to the address and port with our socket */
returnStatus = bind(simpleSocket,(struct sockaddr *)&simpleServer,sizeof(simpleServer));
if (returnStatus == 0) {
fprintf(stderr, "Bind completed!\n");
}
else {
fprintf(stderr, "Could not bind to address!\n");
close(simpleSocket);
exit(1);
}
/* lets listen on the socket for connections */
returnStatus = listen(simpleSocket, 5);
if (returnStatus == -1) {
fprintf(stderr, "Cannot listen on socket!\n");
close(simpleSocket);
exit(1);
}
while (1)
{
struct sockaddr_in clientName = { 0 };
int simpleChildSocket = 0;
int clientNameLength = sizeof(clientName);
/* wait here */
simpleChildSocket = accept(simpleSocket,(struct sockaddr *)&clientName, &clientNameLength);
if (simpleChildSocket == -1) {
fprintf(stderr, "Cannot accept connections!\n");
close(simpleSocket);
exit(1);
}
/* handle the new connection request */
/* write out our message to the client */
write(simpleChildSocket, APPMESSAGE, strlen(APPMESSAGE));
close(simpleChildSocket);
}
close(simpleSocket);
return 0;
}
客户端
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
int simpleSocket = 0;
int simplePort = 0;
int returnStatus = 0;
char buffer[256] = "";
struct sockaddr_in simpleServer;
if (3 != argc) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <server> <port>\n", argv[0]);
exit(1);
}
/* create a streaming socket */
simpleSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (simpleSocket == -1) {
fprintf(stderr, "Could not create a socket!\n");
exit(1);
}
else {
fprintf(stderr, "Socket created!\n");
}
/* retrieve the port number for connecting */
simplePort = atoi(argv[2]);
/* setup the address structure */
/* use the IP address sent as an argument for the server address */
bzero(&simpleServer, sizeof(simpleServer));
simpleServer.sin_family = AF_INET;
inet_addr(argv[2], &simpleServer.sin_addr.s_addr);
simpleServer.sin_port = htons(simplePort);
/* connect to the address and port with our socket */
returnStatus = connect(simpleSocket, (struct sockaddr *)&simpleServer, sizeof(simpleServer));
if (returnStatus == 0) {
fprintf(stderr, "Connect successful!\n");
}
else {
fprintf(stderr, "Could not connect to address!\n");
close(simpleSocket);
exit(1);
}
/* get the message from the server */
returnStatus = read(simpleSocket, buffer, sizeof(buffer));
if ( returnStatus > 0 ) {
printf("%d: %s", returnStatus, buffer);
} else {
fprintf(stderr, "Return Status = %d \n", returnStatus);
}
close(simpleSocket);
return 0;
}
4，参数详解
4.1，socket()
int socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回文件描述符
作用：获取SOCKET的文件描述符
- 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）。
- 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
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。
当获取一个SOCKET文件描述符的时候，就可以对其进行一系列的操作了
4.2，bind()
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);//返回0则表示绑定成功，非0则失败
作用：将SOCKET与特定的套接字绑定
-
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 */ };
注：
网络字节序与主机字节序
主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：
a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
网络字节序：4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。
所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。
4.3，listen()，connect()
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。
4.4，accept()
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
4.5，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。
4.6，close()
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。
