Linux socket 编程入门.docx

1、Linux socket 编程入门Linux socket-编程入门(TCP server 端)通常，socket编程总是Client/Server形式的，因为有了telnet，先不考虑client的程序，先写一个支持TCP协议的server端，然后用telnet作为client验证我们的程序。TCP server端的基本流程 想象你自己是个小大佬，坐办公室（什么样的黑社会做办公室啊？可能是讨债公司吧）你很土，只有一个小弟帮你接电话（因为你自己的号码是不敢对外公开的）。一次通讯的流程大概应该是这样的：小弟那里的总机电话响了；小弟接起电话；对方说是你女朋友A妹；小弟转达说，“老大，你马子电话”；

2、你说，接过来；小弟把电话接给你；你和你女朋友聊天半小时；挂电话。分析一下整个过程中的元素。你小弟（listenSock），你需要他来监听（listen）电话；你自己（communicationSock），实际上打电话进行交流的是你自己；你的电话号码（servAddr），否则你女朋友怎么能找到你？你女朋友的电话号码（clntAddr），这个比喻有点牵强，因为事实上你接起电话，不需要知道对方的号码也可以通话（虽然事实上你应该是知道的，你不会取消了来电显示功能吧），但是，难道你是只接女朋友电话从来不打过去的牛人吗？这个过程中的行为（成员函数）：你小弟接电话并转接给你（isAccept()）；你自己的

3、通话（handleEcho()）（这个行为确实比较土，只会乌鸦学舌的echo，呵呵）。UNIX中的一切事物都是文件（everything in Unix is a file!）这是UNIX的基本理念之一，也是一句很好的概括。比如，很多UNIX老鸟会举出个例子来，“你看，/dev/hdc是个文件，它实际上也是我的光盘”UNIX中的文件可以是：网络连接（network connection），输入输出（FIFO），管道（a pipe），终端（terminal），硬盘上的实际文件，或者其它任何东东。3个已经打开的fd，0：标准输入（STDIN_FILENO）；1：标准输出（STDOUT_FILENO

4、）；2：标准错误（STDERR_FILENO）。（以上宏定义在中）一个最简单的使用fd的例子，就是使用中的函数：write(1, Hello, World!n, 20);，在标准输出上显示“Hello, World!”。file和fd并非一定是一一对应的。当一个file被多个程序调用的时候，会生成相互独立的fd。这个概念可以类比于C+中的引用（eg: int& rTmp = tmp;）。socket与file descriptor 文件是应用程序与系统（包括特定硬件设备）之间的桥梁，而文件描述符就是应用程序使用这个“桥梁”的接口。在需要的时候，应用程序会向系统申请一个文件，然后将文件的描述符返

5、回供程序使用。返回socket的文件通常被创建在/tmp或者/usr/tmp中。我们实际上不用关心这些文件，仅仅能够利用返回的socket描述符就可以了。收件人：全体女生。 地址： 事实上，在socket的通用address描述结构sockaddr中, 正是用这样的方式来进行地址描述的：structsockaddrunsignedshortsa_family;charsa_data14;sa_family可以认为是socket address family的缩写，也可能被简写成AF（Address Family），他就好像我们例子中那个“收件人：全体女生”一样，虽然事实上有很多AF的种类，但是

6、我们这个教程中只用得上大名鼎鼎的internet家族AF_INET。另外的14字节是用来描述地址的。这是一种通用结构，事实上，当我们指定sa_family=AF_INET之后，sa_data的形式也就被固定了下来：最前端的2字节用于记录16位的端口，紧接着的4字节用于记录32位的IP地址，最后的8字节清空为零。这就是我们实际在构造sockaddr时候用到的结构sockaddr_in（意指socket address internet）：structsockaddr_inunsignedshortsin_family;unsignedshortsin_port;structin_addrsin_

7、addr;charsin_zero8;我想，sin_的意思，就是socket (address) internet吧，只不过把address省略掉了。sin_addr被定义成了一个结构，这个结构实际上就是：struct in_addr unsigned long s_addr; ;in_addr显然是internet address了，s_addr是什么意思呢？说实话我没猜出值得肯定的答案，也许就是socket address的意思吧，尽管跟更广义的sockaddr结构意思有所重复了。哎，这些都是历史原因，也许我是没有精力去考究了。原文介绍Linux的实现看看源码实现：Code/Filenam

8、e:TcpServerClass.hpp#ifndefTCPSERVERCLASS_HPP_INCLUDED#defineTCPSERVERCLASS_HPP_INCLUDED#include#include#include#includeclassTcpServerprivate:intlistenSock;intcommunicationSock;sockaddr_inservAddr;sockaddr_inclntAddr;public:TcpServer(intlisten_port);boolisAccept();voidhandleEcho();#endif/TCPSERVERCL

9、ASS_HPP_INCLUDEDTcpServer:TcpServer(intlisten_port)/创建了listensocket（监听嵌套字）if(listenSock=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP)0)throwsocket()failed;memset(&servAddr,0,sizeof(servAddr);servAddr.sin_family=AF_INET;servAddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);servAddr.sin_port=htons(listen_port);if(bind

10、(listenSock,(sockaddr*)&servAddr,sizeof(servAddr)0)throwbind()failed;if(listen(listenSock,10)0)throwlisten()failed;boolTcpServer:isAccept()unsignedintclntAddrLen=sizeof(clntAddr);if(communicationSock=accept(listenSock,(sockaddr*)&clntAddr,&clntAddrLen)0)returnfalse;elsestd:coutClient(IP:inet_ntoa(cl

11、ntAddr.sin_addr)connected.n;returntrue;voidTcpServer:handleEcho()constintBUFFERSIZE=32;charbufferBUFFERSIZE;intrecvMsgSize;boolgoon=true;while(goon=true)if(recvMsgSize=recv(communicationSock,buffer,BUFFERSIZE,0)0)throwrecv()failed;elseif(recvMsgSize=0)goon=false;elseif(send(communicationSock,buffer,

12、recvMsgSize,0)!=recvMsgSize)throwsend()failed;close(communicationSock);/Filename:main.cpp/TcpServerC+style,singlework#include#includeTcpServerClass.hppintecho_server(intargc,char*argv);intmain(intargc,char*argv)intmainRtn=0;trymainRtn=echo_server(argc,argv);catch(constchar*s)perror(s);exit(EXIT_FAIL

13、URE);returnmainRtn;intecho_server(intargc,char*argv)intport;if(argc=2)port=atoi(argv1);elseport=5000;TcpServermyServ(port);while(true)if(myServ.isAccept()=true)myServ.handleEcho();return0; 我们前面说到了网络分层：链路网络传输应用。数据从应用程序里诞生，传送到互联网上每一层都会进行一次封装： DataApplicationTCP/UDPIPOS(Driver, Kernel & Physical Addres

14、s) 我们用socket重点描述的是协议，包括网络协议（IP）和传输协议（TCP/UDP）。 sockaddr重点描述的是地址，包括IP地址和TCP/UDP端口。socket()函数 我们从TcpServer:TcpServer()函数可以看到，socket和sockaddr的产生是可以相互独立的。socket()的函数原型是：intsocket(intprotocolFamily,inttype,intprotocol);在Linux中的实现为：#include/*CreateanewsocketoftypeTYPEindomainDOMAIN,usingprotocolPROTOCOL.I

15、fPROTOCOLiszero,oneischosenautomatically.Returnsafiledescriptorforthenewsocket,or-1forerrors.*/externintsocket(int_domain,int_type,int_protocol)_THROW;第一个参数是协议簇（Linux里面叫作域，意思一样的），还是那句话，我们这篇教程用到的就仅仅是一个PF_INET（protocol family : internet），很多时候你会发现人们也经常在这里赋值为AF_INET，事实上，当前，AF_INET就是PF_INET的一个#define，但是，

16、写成PF_INET从语义上会更加严谨。这也就是TCP/IP协议簇中的IP协议（Internet Protocol），网络层的协议。 后面两个参数定义传输层的协议。 第二个参数是传输层协议类型，我们教程里用到的宏，只有两个：SOCK_STREAM（数据流格式）和SOCK_DGRAM（数据报格式）；（具体是什么我们以后讨论） 第三个参数是具体的传输层协议。当赋值为0的时候，系统会根据传输层协议类型自动匹配和选择。事实上，当前，匹配SOCK_STREAM的就是TCP协议；而匹配SOCK_DGRAM就是UDP协议。所以，我们指定了第二个参数，第三个就可以简单的设置为0。不过，为了严谨，我们最好还是把具

17、体协议写出来，比如，我们的例子中的TCP协议的宏名称：IPPROTO_TCP。数据的“地址” 从数据封装的模型，我们可以看到数据是怎么从应用程序传递到互联网的。我们说过，数据的传送是通过socket进行的。但是socket只描述了协议类型。要让数据正确的传送到某个地方，必须添加那个地方的sockaddr地址；同样，要能接受网络上的数据，必须有自己的sockaddr地址。 可见，在网络上传送的数据包，是socket和sockaddr共同“染指”的结果。他们共同封装和指定了一个数据包的网络协议（IP）和IP地址，传输协议（TCP/UDP）和端口号。网络字节和本机字节的相互转换 sockaddr结构

18、中的IP地址（sin_addr.s_addr）和端口号（sin_port）将被封装到网络上传送的数据包中，所以，它的结构形式需要保证是网络字节形式。我们这里用到的函数是htons()和htonl()，这些缩写的意思是： h:host，主机（本机）n:network，网络to:to转换s:short，16位（2字节，常用于端口号）l:long,32位（4字节，常用于IP地址）“反过来”的函数也是存在的ntohs()和ntohl()。socket和sockaddr的创建是可以相互独立的 首先通过socket()系统调用创建了listenSock，然后通过为结构体赋值的方法具体定义了服务器端的soc

19、kaddr。这里需要补充的是说明宏定义INADDR_ANY。这里的意思是使用本机所有可用的IP地址。当然，如果你机器绑定了多个IP地址，你也可以指定使用哪一个。socket与本机sockaddr的绑定 有时候绑定是系统的任务，特别是当你不需要知道自己的IP地址和所使用的端口号的时候。但是，我们现在是建立服务器，你必须告诉客户端你的连接信息：IP和Port。所以，我们需要指明IP和Port，然后进行绑定。int bind(int socket, struct sockaddr* localAddress, unsigned int addressLength);作为C+的程序员，也许你会觉得这个

20、函数很不友好，它似乎更应该写成：int bind_cpp_style(int socket, const sockaddr& localAddress);我们需要通过函数原型指明两点： 1、我们仅仅使用sockaddr结构的数据，但并不会对原有的数据进行修改； 2、我们使用的是完整的结构体，而不仅仅是这个结构体的指针。（很显然光用指针是无法说明结构体大小的） 幸运的是，在Linux的实现中，这个函数已经被写为：#include /* Give the socket FD the local address ADDR (which is LEN bytes long). */ extern in

21、t bind (int _fd, _CONST_SOCKADDR_ARG _addr, socklen_t _len) _THROW;看到亲切的const，我们就知道这个指针带入是没有“副作用”的。监听：listen() stream流模型形式上是一种“持续性”的连接，这就是要求信息的流动是“可来可去”的。也就是说，stream流的socket除了绑定本机的sockaddr，还应该拥有对方sockaddr的信息。在listen()中，这“对方的sockaddr”就可以不是某一个特定的sockaddr。实际上，listen socket的目的是准备被动的接受来自“所有”sockaddr的请求。所

22、以，listen()反而就不能指定某个特定的sockaddr。int listen(int socket, int queueLimit);其中第二个参数是等待队列的限制，一般设置在5-20。Linux中实现为：#include /* Prepare to accept connections on socket FD. N connection requests will be queued before further requests are refused. Returns 0 on success, -1 for errors. */ extern int listen (int _

23、fd, int _n) _THROW;完成了这一步，回到我们的例子，就像是让你小弟在电话机前做好了接电话的准备工作。需要再次强调的是，这些行为仅仅是改变了socket的状态，实际上我想强调的是，为什么这些函数不会造成block（阻塞）的原因。（block的概念以后再解释）创建“通讯 ”嵌套字 这里的“通讯”加上了引号，是因为实际上所有的socket都有通讯的功能，只是在我们的例子中，之前那个socket只负责listen，而这个socket负责接受信息并echo回去。 我们现看看这个函数：boolTcpServer:isAccept()unsignedintclntAddrLen=sizeof

24、(clntAddr);if(communicationSock=accept(listenSock,(sockaddr*)&clntAddr,&clntAddrLen)0)returnfalse;elsestd:coutClient(IP:inet_ntoa(clntAddr.sin_addr)connected.n;returntrue;用accept()创建新的socket 在我们的例子中，communicationSock实际上是用函数accept()创建的。int accept(int socket, struct sockaddr* clientAddress, unsigned i

25、nt* addressLength);在Linux中的实现为：/* Await a connection on socket FD. When a connection arrives, open a new socket to communicate with it, set *ADDR (which is *ADDR_LEN bytes long) to the address of the connecting peer and *ADDR_LEN to the addresss actual length, and return the new sockets descriptor,

26、or -1 for errors. This function is a cancellation point and therefore not marked with _THROW. */ extern int accept (int _fd, _SOCKADDR_ARG _addr, socklen_t *_restrict _addr_len);这个函数实际上起着构造socket作用的仅仅只有第一个参数（另外还有一个不在这个函数内表现出来的因素，后面会讨论到），后面两个指针都有副作用，在socket创建后，会将客户端sockaddr的数据以及结构体的大小传回。 当程序调用accept(

27、)的时候，程序有可能就停下来等accept()的结果。这就是我们前一小节说到的block（阻塞）。这如同我们调用std:cin的时候系统会等待输入直到回车一样。accept()是一个有可能引起block的函数。请注意我说的是“有可能”，这是因为accept()的block与否实际上决定与第一个参数socket的属性。这个文件描述符如果是block的，accept()就block，否则就不block。默认情况下，socket的属性是“可读可写”，并且，是阻塞的。所以，我们不修改socket属性的时候，accept()是阻塞的。accept()的另一面connect() accept()只是在server端被动的等待，它所响应的，是client端connect()函数：int connect(int socket, struct sockaddr* foreignAddress, unsigned int addressLength);虽然我们这里不打算详细说明这个client端的函数，但是我们可以看出来，这个函数与之前我们介绍的bind()有几分相似，特别在Linux的实现中：/* Open a connection on socket FD