大麦植发婉之网络通信基础socket

大麦植发婉之网络通信基础socket

各位兄弟，网络编程之前，最好先学习计算机网络基础知识，至少您要知道计算机网络是怎么回事，知道ip地址和通信端口等基本概念。

一、网络通信socket

socket就是插座（中文翻译成套接字有点莫名其妙），运行在计算机中的两个程序通过socket建立起一个通道，数据在通道中传输。

     

socket把复杂的TCP/IP协议族隐藏了起来，对程序员来说，只要用好socket相关的函数，就可以完成网络通信。

二、socket的分类

socket提供了流（stream）和数据报（datagram）两种通信机制，即流socket和数据报socket。

流socket基于TCP协议，是一个有序、可靠、双向字节流的通道，传输数据不会丢失、不会重复、顺序也不会错乱。就像两个人在打电话，接通后就在线了，您一句我一句的聊天。

数据报socket基于UDP协议，不需要建立和维持连接，可能会丢失或错乱。UDP不是一个可靠的协议，对数据的长度有限制，但是它的速度比较高。就像短信功能，一个人向另一个人发短信，对方不一定能收到。

在实际开发中，数据报socket的应用场景极少，本教程只介绍流socket。

三、客户/服务端模式

在TCP/IP网络应用中，两个程序之间通信模式是客户/服务端模式（client/server），客户/服务端也叫作客户/服务器，各人习惯。

1、服务端的工作流程

1）创建服务端的socket。

2）把服务端用于通信的地址和端口绑定到socket上。

3）把socket设置为监听模式。

4）接受客户端的连接。

5）与客户端通信，接收客户端发过来的报文后，回复处理结果。

6）不断的重复第5）步，直到客户端断开连接。

7）关闭socket，释放资源。

服务端示例（server.cpp）

/*
 * 程序名：server.cpp，此程序用于演示socket通信的服务端
 * 作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
 
int main(int argc,char *argv[])
{
  if (argc!=2)
  {
    printf("Using:./server port\nExample:./server 5005\n\n"); return -1;
  }
 
  // 第1步：创建服务端的socket。
  int listenfd;
  if ( (listenfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) { perror("socket"); return -1; }
 
  // 第2步：把服务端用于通信的地址和端口绑定到socket上。
  struct sockaddr_in servaddr;    // 服务端地址信息的数据结构。
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;  // 协议族，在socket编程中只能是AF_INET。
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);          // 任意ip地址。
  //servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.190.134"); // 指定ip地址。
  servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));  // 指定通信端口。
  if (bind(listenfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0 )
  { perror("bind"); close(listenfd); return -1; }
 
  // 第3步：把socket设置为监听模式。
  if (listen(listenfd,5) != 0 ) { perror("listen"); close(listenfd); return -1; }
 
  // 第4步：接受客户端的连接。
  int  clientfd;                  // 客户端的socket。
  int  socklen=sizeof(struct sockaddr_in); // struct sockaddr_in的大小
  struct sockaddr_in clientaddr;  // 客户端的地址信息。
  clientfd=accept(listenfd,(struct sockaddr *)&clientaddr,(socklen_t*)&socklen);
  printf("客户端（%s）已连接。\n",inet_ntoa(clientaddr.sin_addr));
 
  // 第5步：与客户端通信，接收客户端发过来的报文后，回复ok。
  char buffer[1024];
  while (1)
  {
    int iret;
    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
    if ( (iret=recv(clientfd,buffer,sizeof(buffer),0))<=0) // 接收客户端的请求报文。
    {
       printf("iret=%d\n",iret); break;  
    }
    printf("接收：%s\n",buffer);
 
    strcpy(buffer,"ok");
    if ( (iret=send(clientfd,buffer,strlen(buffer),0))<=0) // 向客户端发送响应结果。
    { perror("send"); break; }
    printf("发送：%s\n",buffer);
  }
 
  // 第6步：关闭socket，释放资源。
  close(listenfd); close(clientfd);
}

2、客户端的工作流程

1）创建客户端的socket。

2）向服务器发起连接请求。

3）与服务端通信，发送一个报文后等待回复，然后再发下一个报文。

4）不断的重复第3）步，直到全部的数据被发送完。

5）第4步：关闭socket，释放资源。

客户端示例（client.cpp）

/*
 * 程序名：client.cpp，此程序用于演示socket的客户端
 * 作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
 
int main(int argc,char *argv[])
{
  if (argc!=3)
  {
    printf("Using:./client ip port\nExample:./client 127.0.0.1 5005\n\n"); return -1;
  }
 
  // 第1步：创建客户端的socket。
  int sockfd;
  if ( (sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) { perror("socket"); return -1; }
 
  // 第2步：向服务器发起连接请求。
  struct hostent* h;
  if ( (h = gethostbyname(argv[1])) == 0 )   // 指定服务端的ip地址。
  { printf("gethostbyname failed.\n"); close(sockfd); return -1; }
  struct sockaddr_in servaddr;
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;
  servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); // 指定服务端的通信端口。
  memcpy(&servaddr.sin_addr,h->h_addr,h->h_length);
  if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0)  // 向服务端发起连接清求。
  { perror("connect"); close(sockfd); return -1; }
 
  char buffer[1024];
 
  // 第3步：与服务端通信，发送一个报文后等待回复，然后再发下一个报文。
  for (int ii=0;ii<3;ii++)
  {
    int iret;
    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
    sprintf(buffer,"这是第%d个超级女生，编号%03d。",ii+1,ii+1);
    if ( (iret=send(sockfd,buffer,strlen(buffer),0))<=0) // 向服务端发送请求报文。
    { perror("send"); break; }
    printf("发送：%s\n",buffer);
 
    memset(buffer,0,sizeof(buffer));
    if ( (iret=recv(sockfd,buffer,sizeof(buffer),0))<=0) // 接收服务端的回应报文。
    {
       printf("iret=%d\n",iret); break;
    }
    printf("接收：%s\n",buffer);
  }
 
  // 第4步：关闭socket，释放资源。
  close(sockfd);
}

在运行程序之前，必须保证服务器的防火墙已经开通了网络访问策略（云服务器还需要登录云控制平台开通访问策略）。

先启动服务端程序server，服务端启动后，进入等待客户端连接状态，然后启动客户端。

客户端的输出如下：

服务端的输出如下：

四、注意事项

 

在socket通信的客户端和服务器的程序里，出现了多种数据结构，调用了多个函数，涉及到很多方面的知识，对初学者来说，更重要的是了解socket通信的过程、每段代码的用途和函数调用的功能，不要去纠缠这些结构体和函数的参数，这些函数和参数虽然比较多，但可以修改的非常少，别抄错就可以了，需要注意的地方我会提出。

1、socket文件描述符

 

在UNIX系统中，一切输入输出设备皆文件，socket()函数的返回值其本质是一个文件描述符，是一个整数。

2、服务端程序绑定地址

如果服务器有多个网卡，多个IP地址，socket通信可以指定用其中一个地址来进行通信，也可以任意ip地址。

1）指定ip地址的代码

  m_servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.149.129");  // 指定ip地址

2）任意ip地址的代码

  m_servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 本主机的任意ip地址

在实际开发中，采用任意ip地址的方式比较多。

3、服务端程序绑定的通信端口

  m_servaddr.sin_port = htons(5000);  // 通信端口

4、客户端程序指定服务端的ip地址

  struct hostent* h;
  if ( (h = gethostbyname("118.89.50.198")) == 0 )   // 指定服务端的ip地址。
  { printf("gethostbyname failed.\n"); close(sockfd); return -1; }

5、客户端程序指定服务端的通信端口

  servaddr.sin_port = htons(5000);

6、send函数

send函数用于把数据通过socket发送给对端。不论是客户端还是服务端，应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据。

函数声明：

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

sockfd为已建立好连接的socket。

buf为需要发送的数据的内存地址，可以是C语言基本数据类型变量的地址，也可以数组、结构体、字符串，内存中有什么就发送什么。

len需要发送的数据的长度，为buf中有效数据的长度。

flags填0, 其他数值意义不大。

函数返回已发送的字符数。出错时返回-1，错误信息errno被标记。

注意，就算是网络断开，或socket已被对端关闭，send函数不会立即报错，要过几秒才会报错。

如果send函数返回的错误（<=0），表示通信链路已不可用。

7、recv函数

recv函数用于接收对端socket发送过来的数据。

recv函数用于接收对端通过socket发送过来的数据。不论是客户端还是服务端，应用程序都用recv函数接收来自TCP连接的另一端发送过来数据。

函数声明：

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

sockfd为已建立好连接的socket。

buf为用于接收数据的内存地址，可以是C语言基本数据类型变量的地址，也可以数组、结构体、字符串，只要是一块内存就行了。

len需要接收数据的长度，不能超过buf的大小，否则内存溢出。

flags填0, 其他数值意义不大。

函数返回已接收的字符数。出错时返回-1，失败时不会设置errno的值。

如果socket的对端没有发送数据，recv函数就会等待，如果对端发送了数据，函数返回接收到的字符数。出错时返回-1。如果socket被对端关闭，返回值为0。

如果recv函数返回的错误（<=0），表示通信通道已不可用。

8、服务端有两个socket

对服务端来说，有两个socket，一个是用于监听的socket，还有一个就是客户端连接成功后，由accept函数创建的用于与客户端收发报文的socket。

9、程序退出时先关闭socket

socket是系统资源，操作系统打开的socket数量是有限的，在程序退出之前必须关闭已打开的socket，就像关闭文件指针一样，就像delete已分配的内存一样，极其重要。

值得注意的是，关闭socket的代码不能只在main函数的最后，那是程序运行的理想状态，还应该在main函数的每个return之前关闭。

五、相关的库函数

1、socket函数

socket函数用于创建一个新的socket，也就是向系统申请一个socket资源。socket函数用户客户端和服务端。

函数声明：

int socket(int domain, int type, int protocol);

参数说明：

domain：协议域，又称协议族（family）。常用的协议族有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域Socket）、AF_ROUTE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。流式socket（SOCK_STREAM）是一种面向连接的socket，针对于面向连接的TCP服务应用。数据报式socket（SOCK_DGRAM）是一种无连接的socket，对应于无连接的UDP服务应用。

protocol：指定协议。常用协议有IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_STCP、IPPROTO_TIPC等，分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。

说了一大堆废话，第一个参数只能填AF_INET，第二个参数只能填SOCK_STREAM，第三个参数只能填0。

除非系统资料耗尽，socket函数一般不会返回失败。

返回值：成功则返回一个socket，失败返回-1，错误原因存于errno 中。

2、gethostbyname函数

把ip地址或域名转换为hostent 结构体表达的地址。

函数声明：

struct hostent *gethostbyname(const char *name);

参数name，域名或者主机名，例如"192.168.1.3"、"www.freecplus.net"等。

返回值：如果成功，返回一个hostent结构指针，失败返回NULL。

gethostbyname只用于客户端。

gethostbyname只是把字符串的ip地址转换为结构体的ip地址，只要地址格式没错，一般不会返回错误。失败时不会设置errno的值。

3、connect函数

向服务器发起连接请求。

函数声明：

int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr, int addrlen);

函数说明：connect函数用于将参数sockfd 的socket 连至参数serv_addr 指定的服务端，参数addrlen为sockaddr的结构长度。

返回值：成功则返回0，失败返回-1，错误原因存于errno 中。

connect函数只用于客户端。

如果服务端的地址错了，或端口错了，或服务端没有启动，connect一定会失败。

4、bind函数

服务端把用于通信的地址和端口绑定到socket上。

函数声明：

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

参数sockfd，需要绑定的socket。

参数addr，存放了服务端用于通信的地址和端口。

参数addrlen表示addr结构体的大小。

返回值：成功则返回0，失败返回-1，错误原因存于errno 中。

如果绑定的地址错误，或端口已被占用，bind函数一定会报错，否则一般不会返回错误。

5、listen函数

listen函数把主动连接socket变为被动连接的socket，使得这个socket可以接受其它socket的连接请求，从而成为一个服务端的socket。

函数声明：

int listen(int sockfd, int backlog);

返回：0-成功， -1-失败

 参数sockfd是已经被bind过的socket。socket函数返回的socket是一个主动连接的socket，在服务端的编程中，程序员希望这个socket可以接受外来的连接请求，也就是被动等待客户端来连接。由于系统默认时认为一个socket是主动连接的，所以需要通过某种方式来告诉系统，程序员通过调用listen函数来完成这件事。

参数backlog，这个参数涉及到一些网络的细节，比较麻烦，填5、10都行，一般不超过30。

 当调用listen之后，服务端的socket就可以调用accept来接受客户端的连接请求。

返回值：成功则返回0，失败返回-1，错误原因存于errno 中。

listen函数一般不会返回错误。

6、accept函数

服务端接受客户端的连接。

函数声明：

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

参数sockfd是已经被listen过的socket。

参数addr用于存放客户端的地址信息，用sockaddr结构体表达，如果不需要客户端的地址，可以填0。

参数addrlen用于存放addr参数的长度，如果addr为0，addrlen也填0。

accept函数等待客户端的连接，如果没有客户端连上来，它就一直等待，这种方式称之为阻塞。

accept等待到客户端的连接后，创建一个新的socket，函数返回值就是这个新的socket，服务端使用这个新的socket和客户端进行报文的收发。

返回值：成功则返回0，失败返回-1，错误原因存于errno 中。

accept在等待的过程中，如果被中断或其它的原因，函数返回-1，表示失败，如果失败，可以重新accept。

7、函数小结

服务端函数调用的流程是：socket->bind->listen->accept->recv/send->close

客户端函数调用的流程是：socket->connect->send/recv->close

其中send/recv可以进行多次交互。

六、课后作业

1）把client.cpp和server.cpp抄下来，编译运行，试试修改参数再运行。

2）client.cpp和server.cpp程序中，有些代码不能动，有些代码可以动，把能动的都动一下，就算是抄代码，也要抄个明白。

3）服务端的accept函数会阻塞，阻塞是专业名词，即等待，可以用代码测试一下。

4）不管是服务端还是客户端recv函数也会阻塞，可以用代码测试一下。

5）修改client.cpp和server.cpp，实现点对点的聊天功能，用户在客户端输入一个字符串，然后发送给服务端，服务端收到客户端的报文后，也提示用户输入一个字符串，返回给客户端，如果服务端收到客户端的报文是“bye”通信结束。

6）如果以上作业都能完成，建议再把本文章的内容再看一次，对文章开始部分的理论知识将有新的理解。

 

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来源：C语言技术网

作者：码农有道