Socket 编程
Socket 编程
一、前行必备
1.1 网络中进程之间如何通信
网络进程间的通信，首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！
在本地可以通过进程 PID 来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实 TCP/IP 协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的「IP 地址」可以唯一标识网络中的主机，而传输层的「协议 + 端口」可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。
这样利用三元组「IP 地址、协议、端口」就可以唯一标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。
使用 TCP/IP 协议的应用程序通常采用应用编程接口——Socket，来实现网络进程之间的通信。
1.2 文件描述符
在 Linux 中，一切皆文件。一个硬件设备也可以被映射为一个虚拟的文件，称为设备文件。例如，stdin 称为标准输入文件，它对应的硬件设备一般是键盘，stdout 称为标准输出文件，它对应的硬件设备一般是显示器。
「一切皆文件」的思想极大地简化了程序员的理解和操作，使得对硬件设备的处理就像普通文件一样。所有在 Linux 中创建的文件都有一个 int 类型的编号，称为文件描述符（File Descriptor，简称 FD）。使用文件时，我们只需要知道文件描述符就可以，例如，stdin 的描述符为 0，stdout 的描述符为 1。
在Linux中，socket 也被认为是文件的一种，和普通文件的操作没有区别，所以在网络数据传输过程中自然可以使用与文件 I/O 相关的函数。可以认为，两台计算机之间的通信，实际上是两个 socket 文件的相互读写。
文件描述符有时也被称为文件句柄（File Handle），但「句柄」主要是 Windows 中术语。
二、Socket 编程
2.1 总览
在开始讲解 Socket 编程前，先通过一张图片浏览一下网络进程间通信的流程：
- 服务器首先启动，稍后某个时刻客户启动，它试图连接到服务器。
- 客户通过 send() 函数给服务器发送一段数据，服务器通过 recv() 函数接收客户发送的数据，并处理该请求，之后通过 send() 函数给客户发回一个响应。
- 这个过程一直持续下去，直到客户关闭 Socket 连接，从而给服务器发送一个 EOF（文件结束）通知。服务器收到后接着也关闭与之相应的 Socket，然后结束运行或者等待新的客户连接。
2.2 socket()
2.2.1 函数介绍
为了执行网络 I/O，一个进程必须做的第一件事就是调用 socket() 函数，指定期望的通信协议类型（使用 IPv4 的 TCP、使用 IPv6 的 UDP 等）。
函数原型：int socket(int domain, int type, int protocol);
头 文 件：#include <sys/socket.h>
返 回 值：
- 调用成功后会返回一个小的非负整数（socket 描述符）。
- 调用失败返回 -1，并置 errno 为相应的错误码。。
参数描述：
-
domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有：
协议族 说明 AF_INET IPv4 协议 AF_INET6 IPv6 协议 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 32 位的 IPv4 地址与 16 位的端口号组合。
-
type：指定 socket 类型。常用的 socket 类型有：
socket 类型 说明 SOCK_STREAM 字节流套接字 SOCK_DGRAM 数据报套接字 -
protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有：
协议 说明 IPPROTO_TCP TCP 传输协议 IPPROTO_UDP UDP 传输协议 -
若将 protocol 置为 0，socket() 会自动选择 domain 和 type 对应的默认协议：
\(domain \backslash^{type}\) SOCK_STREAM SOCK_DGRAM AF_INET IPPROTO_TCP IPPROTO_UDP AF_INET6 IPPROTO_TCP IPPROTO_UDP
-
2.2.2 函数使用
int main()
{
// 创建TCP套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (-1 == sockfd)
{
printf("fail to call socket, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
exit(0);
}
}
int main()
{
// 创建UDP套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (-1 == sockfd)
{
printf("fail to call socket, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
exit(0);
}
}
当我们调用 socket() 创建一个 socket 描述符时，返回的 socket 描述符存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但还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。
2.3 bind()
2.3.1 函数介绍
socket() 函数用来创建套接字，确定套接字的各种属性，然后服务端要用 bind() 函数将套接字与特定的 IP 地址和端口绑定起来，只有这样，流经该 IP 地址和端口的数据才能交给套接字。
函数原型：int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
头 文 件：#include <sys/socket.h>
返 回 值：调用成功返回 0；出错返回 -1，并置 errno 为相应的错误码。
参数描述：
- sockfd：即 socket 描述字，它是通过 socket() 函数创建的、唯一标识一个socket。
- addr：socket 地址结构。
- addrlen：地址的长度。
大多数套接字函数都需要一个指向套接字地址结构的指针（addr）作为参数。每个协议族都定义它自己的套接字地址结构，这些结构的名字均以 sockaddr_ 开头，并以对应每个协议族的唯一后缀结尾。
2.3.2 函数使用
我们来看一个代码，将创建的套接字与 IP 地址 192.0.0.128、端口 8080 绑定：
#define IPADDR "192.0.0.128" /* IP 地址 */
#define PORT 8080 /* 端口号 */
int main()
{
// 将套接字与特定的IP地址和端口绑定起来
struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(PORT);
inet_aton(IPADDR, &addr.sin_addr);
int iBind = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
if (-1 == iBind)
{
printf("fail to call bind, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
close(sockfd);
exit(0);
}
}
2.3.3 sockaddr_in
在该代码中，我们使用了 IPv4 的地址结构 sockaddr_in，它的定义如下：
struct in_addr
{
in_addr_t s_addr; // network byte ordered
}
struct sockaddr_in
{
sa_family_t sin_family; // AF_INET
in_port_t sin_port; // 16-bit TCP or UDP port number
// network byte ordered
struct in_addr sin_addr; // 32-bit IPv4 address
// network byte ordered
char sin_zero[8]; // unused
}
- sin_family：和 socket() 的第一个参数的含义相同，取值也要保持一致。
- sin_port：16 位端口号，长度为 2Byte。有关端口号的赋值，有两点需要关注：
- 理论上端口号的取值范围为 0~65535，但 0~1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，例如 web 服务的端口为 70，FTP 服务的端口为 21，所以我们的程序尽量在 1024~65536 之间分配端口号。
- 通过 htons 函数将端口号转化为网络字节序。
- sin_addr：是 in_addr 结构体类型的变量，表示 32 位 IP 地址，并通过 inet_aton 函数将其转化为网络字节序。
- sin_zero：剩余的 8 个字节，没有用，一般使用 memset() 函数填充为0。
2.3.4 sockaddr
但函数 bind() 的第二个参数 sockaddr，代码中却使用了 sockaddr_in，然后再强制转换为 sockaddr，这是为什么呢？在解释之前，我们先来看一下 sockaddr 长什么样：
struct sockaddr
{
sa_family_t sa_family; // address family: AF_XXX
char sa_data[14]; // protocol-specific address
}
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 个字节，但是 sockaddr 的 sa_data 区域需要同时指定 IP 地址和端口号，例如「192.0.0.128:8080」。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 类型的变量直接赋值，所以使用 sockaddr_in 来代替。这两个结构体的长度相同，强制转换类型时也不会丢失字节，也没有多于的字节。
可以认为，sockaddr 是一个通用的套接字结构体，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。
2.4 connect()
2.4.1 函数介绍
客户端通过 connect() 函数来建立与服务端的连接
函数原型：int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
头 文 件：#include <sys/socket.h>
返 回 值：调用成功返回 0；出错返回 -1，并置 errno 为相应的错误码。
参数描述：
- sockfd：即 socket 描述字，它是通过 socket() 函数创建的、唯一标识一个socket。
- addr：socket 地址结构。
- addrlen：地址的长度。
2.4.2 函数使用
#define IPADDR "192.0.0.128" /* IP 地址 */
#define PORT 8080 /* 端口号 */
int main()
{
// 将套接字与特定的IP地址和端口号建立连接
struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(PORT);
inet_aton(IPADDR, &addr.sin_addr);
int iConn = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
if (-1 == iConn)
{
printf("fail to call connect, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
close(sockfd);
exit(0);
}
}
有关地址结构的说明，参考 bind()。
2.5 listen()
2.5.1 函数介绍
函数原型：int listen(int sockfd, int backlog);
头 文 件：#include <sys/socket.h>
返 回 值：调用成功返回 0，出错返回 -1。
参数描述：
- sockfd 为需要进入监听状态的套接字。
- backlog 为请求队列的最大长度。
- 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，只能把它先放到缓冲区中，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，而这个缓冲区，就称为请求队列。
listen() 函数仅由服务端调用，使套接字进入被动监听状态。所谓被动监听，是指在没有客户端请求时，套接字处于「睡眠」状态；只有当接收到客户端的请求时，套接字才会被「唤醒」来响应请求。
缓冲区的长度（能存放多少个客户端的请求）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，根据你的需求来定。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，客户端会受到 ECONNREFUSED 错误。
注意：listen()函数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。
2.5.2 函数使用
#define BACKLOG 10
int main()
{
// 让套接字进入被动监听状态
int iListen = listen(sockfd, BACKLOG);
if (-1 == iListen)
{
printf("fail to call listen, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
close(sockfd);
exit(0);
}
}
2.6 accept()
2.6.1 函数介绍
函数原型：int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
头 文 件：#include <sys/socket.h>
返 回 值：
- 调用成功后会返回一个小的非负整数（描述符）。
- 调用失败返回 -1，并置 errno 为相应的错误码。
参数描述：它的形参列表与 bind() 和 connect() 是相同的，区别在于该函数的 addr 返回的是已连接的对端的（客户端）协议地址（IP 地址和端口号），如果我们对「对端的协议地址」不感兴趣，可将 addr 和 addrlen 均置为 NULL。
accept() 函数由服务端调用。如果调用成功，将返回一个新的描述符，代表与所返回客户（addr）的TCP连接。在讨论 accept() 函数时，我们称它的第一个参数为监听套接字描述符（由 socket() 创建，随后作用于 bind() 和 listen() 的第一个参数的描述符），称它的返回值为已连接套接字描述符。
区分这两个套接字非常重要：
- 一个服务器通常仅仅创建一个「监听套接字」，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一个「已连接套接字」，当服务器完成对某个给定客户的服务时，相应的「已连接套接字」就被关闭了。
2.6.2 函数使用
用法一：不关注带对端的协议地址
int main()
{
// 当套接字处于监听状态时，可以通过 accept 函数来接收客户端的请求
int acceptfd = accept(sockfd, NULL, NULL);
if (-1 == acceptfd)
{
printf("fail to call accept, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
close(sockfd);
exit(0);
}
}
用法二：需要获取对端的协议地址
#define STRING_LEN_16 16
/* 将 IP 地址的网络字节序转化为点分十进制字符串 */
char *_inet_ntoa(struct in_addr *addr, char *ipAddr, int len)
{
if (NULL == addr || NULL == ipAddr || 16 > len)
{
printf("invalid param\n");
return NULL;
}
unsigned char *tmp = (unsigned char*)addr;
snprintf(ipAddr, len, "%d.%d.%d.%d", tmp[0], tmp[1], tmp[2], tmp[3]);
return ipAddr;
}
int main()
{
// 当套接字处于监听状态时，可以通过 accept 函数来接收客户端的请求
struct sockaddr_in peerAddr;
socklen_t peerAddrLen = sizeof(struct sockaddr_in);
int acceptfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&peerAddr, &peerAddrLen);
if (-1 == acceptfd)
{
printf("fail to call accept, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
close(sockfd);
exit(0);
}
char peerIPAddr[STRING_LEN_16];
_inet_ntoa(&peerAddr.sin_addr, peerIPAddr, STRING_LEN_16);
printf("peer client address [%s:%u]\n", peerIPAddr, ntohs(peerAddr.sin_port));
}
2.7 send()
函数原型：ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
头 文 件：#include <sys/socket.h>
返 回 值：成功返回发送的字节个数；失败返回 -1，并置 errno 为响应的错误码。
参数描述：
- sockfd：对于服务端而言，传入「已连接套接字描述符」；对于客户端而言，传入套接字描述符。
- buf：需要发送的数据。
- len：指定要发送的数据大小。
- flags：标志位，一般置为 0。
2.8 recv()
函数原型：ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
头 文 件：#include <sys/socket.h>
返 回 值：
- 成功返回接收到的字符个数。
- 失败返回 -1，并置 errno 为响应的错误码。
- 对端关闭则返回 0。
参数描述：
- sockfd：对于服务端而言，传入「已连接套接字描述符」；对于客户端而言，传入套接字描述符。
- buf：指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放接收到的数据；
- len：指定缓冲区 buf 的大小。
- flags：标志位，一般置为 0。
2.9 close()
函数原型：int close(int fd);
头 文 件：#include <unistd.h>
功 能：关闭一个文件描述符。
三、一个完整的 Demo
3.1 Server
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#define IPADDR "192.0.0.128" /* IP 地址 */
#define PORT 8080 /* 端口号 */
#define STRING_LEN_16 16
#define STRING_LEN_64 64
char *_inet_ntoa(struct in_addr *addr, char *ipAddr, int len)
{
if (NULL == addr || NULL == ipAddr || 16 > len)
{
printf("invalid param\n");
return NULL;
}
unsigned char *tmp = (unsigned char*)addr;
snprintf(ipAddr, len, "%d.%d.%d.%d", tmp[0], tmp[1], tmp[2], tmp[3]);
return ipAddr;
}
int main()
{
// 创建TCP套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (-1 == sockfd)
{
printf("fail to call socket, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
exit(0);
}
// 将套接字与特定的IP地址和端口绑定起来
struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(PORT);
inet_aton(IPADDR, &addr.sin_addr);
int iBind = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
if (-1 == iBind)
{
printf("fail to call bind, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
close(sockfd);
exit(0);
}
// 让套接字进入被动监听状态
int iListen = listen(sockfd, 10);
if (-1 == iListen)
{
printf("fail to call listen, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
close(sockfd);
exit(0);
}
// 当套接字处于监听状态时，可以通过 accept 函数来接收客户端的请求
struct sockaddr_in peerAddr;
socklen_t peerAddrLen = sizeof(struct sockaddr_in);
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&peerAddr, &peerAddrLen);
if (-1 == connfd)
{
printf("fail to call accept, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
close(sockfd);
exit(0);
}
char peerIPAddr[STRING_LEN_16];
_inet_ntoa(&peerAddr.sin_addr, peerIPAddr, STRING_LEN_16);
printf("peer client address [%s:%u]\n", peerIPAddr, ntohs(peerAddr.sin_port));
while (1)
{
// 读取客户端发送的数据
char buf[STRING_LEN_64];
int n = recv(connfd, buf, STRING_LEN_64 - 1, 0);
buf[n] = '\0';
if (0 == n) // n为0表示对端关闭
{
printf("peer close\n");
break;
}
printf("recv msg from client : %s\n", buf);
sleep(2);
// 向客户端发送数据
char str[] = "recved~";
printf("send msg to client : %s\n", str);
send(connfd, str, strlen(str), 0);
}
// 交互结束，关闭套接字
close(connfd);
close(sockfd);
return 0;
}
3.2 Client
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#define IPADDR "192.0.0.128" /* 服务端 IP 地址 */
#define PORT 8080 /* 服务端 端口号 */
#define STRING_LEN_64 64
int main()
{
// 创建TCP套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
printf("sockfd = %d\n", sockfd);
if (-1 == sockfd)
{
printf("fail to call socket, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
exit(0);
}
// 将套接字与特定的IP地址和端口号建立连接
struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(PORT);
inet_aton(IPADDR, &addr.sin_addr);
int iConn = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
if (-1 == iConn)
{
printf("fail to call connect, errno[%d, %s]\n", errno, strerror(errno));
close(sockfd);
exit(0);
}
// 向服务端发送数据
char str[] = "hello world";
printf("send msg to server : %s\n", str);
send(sockfd, str, strlen(str), 0);
// 接收服务端相应的数据
char buf[STRING_LEN_64];
int n = recv(sockfd, buf, STRING_LEN_64 - 1, 0);
buf[n] = '\0';
printf("recv msg from server : %s\n", buf);
// 交互结束，关闭套接字
close(sockfd);
return 0;
}
3.3 客户端 connect 调用报 113 错误
运行环境：
- 虚拟机 CentOS 7 运行 Server
- 虚拟机 CentOS 6 运行 Client
当 CentOS 6 启动 Client 时，运行到 connect 函数报错：fail to call connect, errno[113, No route to host]。排查了一下，报这个错误的原因是运行服务端的 CentOS 7 未关闭防火墙，相关指令如下：
-
firewall-cmd --state：查看防火墙状态-
running 表示防火墙处于开启状态
-
not running 表示防火墙处于关闭状态
-
-
systemctl stop firewalld.service：关闭防火墙 -
systemctl start firewalld.service：打开防火墙
CentOS 6，相关指令如下：
service iptables status：查看防火墙状态- 如果防火墙处于关闭状态，则提示：iptables：未运行防火墙。
service iptables stop：关闭防火墙service iptables start：打开防火墙
四、POSIX 规范要求的数据类型
最后，附上 POSIX 规范要求的数据类型。
头文件：#include <netinet/in.h>
| 数据类型 | 说明 | 大小 |
|---|---|---|
| int8_t | 带符号的 8 位整数 | 1 Byte |
| uint8_t | 无符号的 8 位整数 | 1 Byte |
| int16_t | 带符号的 16 位整数 | 2 Byte |
| uint16_t | 无符号的 16 位整数 | 2 Byte |
| int32_t | 带符号的 32 位整数 | 4 Byte |
| uint32_t | 无符号的 32 位整数 | 4 Byte |
| sa_family_t | 套接字地址结构的地址族 | 2 Byte |
| socklen_t | 套接字地址结构的长度，一般为 uint32_t | 4 Byte |
| in_addr_t | IPv4 地址，一般为 uint32_t | 4 Byte |
| in_port_t | TCP 或 UDP 端口号，一般为 uint16_t | 2 Byte |
| ssize_t | 有符号整型；在 32位 机器上等同与 int，在 64 位机器上等同与 long int。 |
