Linux Socket编程附实例.docx
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LinuxSocket编程附实例
转帖：
LinuxSocket编程（不限Linux）（有修改）
原链接：
“一切皆Socket！
”
话虽些许夸张，但是事实也是，现在的网络编程几乎都是用的socket。
——有感于实际编程和开源项目研究。
我们深谙信息交流的价值，那网络中进程之间如何通信，如我们每天打开浏览器浏览网页时，浏览器的进程怎么与web服务器通信的？
当你用QQ聊天时，QQ进程怎么与服务器或你好友所在的QQ进程通信？
这些都得靠socket？
那什么是socket？
socket的类型有哪些？
还有socket的基本函数，这些都是本文想介绍的。
本文的主要内容如下：
1、网络中进程之间如何通信？
2、Socket是什么？
3、socket的基本操作
3.1、socket（）函数
3.2、bind（）函数
3.3、listen（）、connect（）函数
3.4、accept（）函数
3.5、read（）、write（）函数等
3.6、close（）函数
4、socket中TCP的三次握手建立连接详解
5、socket中TCP的四次握手释放连接详解
6、一个例子（实践一下）
7、留下一个问题，欢迎大家回帖回答！
！
！
1、网络中进程之间如何通信？
本地的进程间通信（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类：
消息传递（管道、FIFO、消息队列）
同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
共享内存（匿名的和具名的）
远程过程调用（Solaris门和SunRPC）
但这些都不是本文的主题！
我们要讨论的是网络中进程之间如何通信？
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：
UNIXBSD的套接字（socket）和UNIXSystemV的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。
就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。
2、什么是Socket？
上面我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的，那什么是socket呢？
socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open–>读写write/read–>关闭close”模式来操作。
我的理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭），这些函数我们在后面进行介绍。
socket一词的起源
在组网领域的首次使用是在1970年2月12日发布的文献IETFRFC33中发现的，撰写者为StephenCarr、SteveCrocker和VintCerf。
根据美国计算机历史博物馆的记载，Croker写道：
“命名空间的元素都可称为套接字接口。
一个套接字接口构成一个连接的一端，而一个连接可完全由一对套接字接口规定。
”计算机历史博物馆补充道：
“这比BSD的套接字接口定义早了大约12年。
”
3、socket的基本操作
既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。
下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。
3.1、socket（）函数
intsocket（intdomain,inttype,intprotocol）;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（socketdescriptor），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：
domain：
即协议域，又称为协议族（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（addressfamily，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。
3.2、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。
intbind（intsockfd,conststructsockaddr*addr,socklen_taddrlen）;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conststructsockaddr*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：
structsockaddr_in{
sa_family_tsin_family;/*addressfamily:
AF_INET*/
in_port_tsin_port;/*portinnetworkbyteorder*/
structin_addrsin_addr;/*internetaddress*/
};
/*Internetaddress.*/
structin_addr{
uint32_ts_addr;/*addressinnetworkbyteorder*/
};ipv6对应的是：
structsockaddr_in6{
sa_family_tsin6_family;/*AF_INET6*/
in_port_tsin6_port;/*portnumber*/
uint32_tsin6_flowinfo;/*IPv6flowinformation*/
structin6_addrsin6_addr;/*IPv6address*/
uint32_tsin6_scope_id;/*ScopeID（newin2.4）*/
};
structin6_addr{
unsignedchars6_addr[16];/*IPv6address*/
};Unix域对应的是：
#defineUNIX_PATH_MAX108
structsockaddr_un{
sa_family_tsun_family;/*AF_UNIX*/
charsun_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。
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32bit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。
3.3、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。
intlisten（intsockfd,intbacklog）;
intconnect（intsockfd,conststructsockaddr*addr,socklen_taddrlen）;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。
3.4、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（）之后就想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。
intaccept（intsockfd,structsockaddr*addr,socklen_t*addrlen）;accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向structsockaddr*的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。
如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。
注意：
accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket（）函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。
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。
3.5、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
ssize_tread（intfd,void*buf,size_tcount）;
ssize_twrite（intfd,constvoid*buf,size_tcount）;
#include
#include
ssize_tsend（intsockfd,constvoid*buf,size_tlen,intflags）;
ssize_trecv（intsockfd,void*buf,size_tlen,intflags）;
ssize_tsendto（intsockfd,constvoid*buf,size_tlen,intflags,
conststructsockaddr*dest_addr,socklen_taddrlen）;
ssize_trecvfrom（intsockfd,void*buf,size_tlen,intflags,
structsockaddr*src_addr,socklen_t*addrlen）;
ssize_tsendmsg（intsockfd,conststructmsghdr*msg,intflags）;
ssize_trecvmsg（intsockfd,structmsghdr*msg,intflags）;
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。
3.6、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
intclose（intfd）;close一个TCPsocket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。
4、socket中TCP的三次握手建立连接详解
我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。
大致流程如下：
客户端向服务器发送一个SYNJ
服务器向客户端响应一个SYNK，并对SYNJ进行确认ACKJ+1
客户端再想服务器发一个确认ACKK+1
只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？
请看下图：
图1、socket中发送的TCP三次握手
从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYNJ包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYNJ包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYNK，ACKJ+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYNK，ACKJ+1之后，这时connect返回，并对SYNK进行确认；服务器收到ACKK+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。
总结：
客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。
5、socket中TCP的四次握手释放连接详解
上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。
现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：
图2、socket中发送的TCP四次握手
图示过程如下：
某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FINM；
另一端接收到FINM之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。
它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。
这导致它的TCP也发送一个FINN；
接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。
这样每个方向上都有一个FIN和ACK。
6、一个例子（实践一下）（此处没有引用原作者的举得例子）
说了这么多了，动手实践一下。
下面编写一个简单的服务器、客户端（使用TCP）——服务器端一直监听本机的6666号端口，如果收到连接请求，将接收请求并接收客户端发来的消息；客户端与服务器端建立连接并发送一条消息。
文件结构如下：
mysocket类封装了服务端/客户端连接的建立
server.cpp启动服务端的main函数
client.cpp启动客户端的main函数
1.mysocket.h的代码
#ifndef_MYSOCKET_H
#define_MYSOCKET_H
#include
classmysocket
{
public:
mysocket（）;
~mysocket（）;
boolcreateclient（intdomain,intsoctype,intprotype,intport）;
boolcreateserver（intdomain,intsoctype,intprotype,intport）;
voidrecvmsg（）;
voidsedmsg（）;
private:
intm_idomain;
intm_isoctype;
intm_iprotype;
intm_isocket;
};
#endif
2.mysocket.cpp的代码
#include"mysocket.h"
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
mysocket:
:
mysocket（）
{
}
mysocket:
:
~mysocket（）
{
}
boolmysocket:
:
createserver（intdomain,intsoctype,intprotype,intport）
{
m_idomain=domain;
m_isoctype=soctype;
m_iprotype=protype;
m_isocket=socket（m_idomain,m_isoctype,m_iprotype）;
if（-1==m_isocket）
{
printf（"createsocketerror\n"）;
returnfalse;
}
structsockaddr_inservaddr;
memset（&servaddr,0,sizeof（servaddr））;
servaddr.sin_family=domain;
servaddr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）;
servaddr.sin_port=htons（port）;
if（bind（m_isocket,（structsockaddr*）&servaddr,sizeof（servaddr））==-1）
{
printf（"bindsocketerror\n"）;
returnfalse;
}
if（listen（m_isocket,10）==-1）
{
printf（"listensocketerror\n"）;
returnfalse;
}
printf（"======waitingforclient'srequest======\n"）;
returntrue;
}
voidmysocket:
:
recvmsg（）
{
intconnfd=-1;
charbuff[1024]={0};
intn=0;
while
（1）
{
if（（connfd=accept（m_isocket,（structsockaddr*）NULL,NULL））==-1）
{
printf（"acceptsocketerror:
%s（errno:
%d）",strerror
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