Linux C Socket Api详解

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文章主要梳理于《UNIX 环境高级编程第二版》 第十六章 网络 IPC: 套接字

以前都只是在网上搜的能用的例子，对一些参数不是很清楚，这次汇总。而且网络通信还是很常用的通信手段。

UNIX 环境高级编程对 Socket 通信的描述是套接字网络 IPC( 进程间通信 ) ，可以用于计算机间通信也可用于计算机内通信，管道、消息队列、信号量以及共享内存等都是属于计算机内通信的情况。

一、 套接字Api详细介绍

1. 套接字描述符

首先会先到的是文件描述符，对 Linux 一切皆文件的哲学又多懂了一点儿点儿。

套接字是通信端点的抽象。与应用程序使用文件描述符一样，访问套接字需要使用套接字描述符。套接字描述符在UNIX系统是用文件描述符实现的。

#include  <sys/socket.h>
int  socket (int domain, int type, int protocal);
返回值：成功返回文件(套接字)描述符，出错返回-1

参数 domain( 域 ) 确定通信的特性，包括地址格式。各个域都有自己的格式表示地址，表示各个域的常数都以 AF_ 开头，意指地址族 (address family).

参数type确定套接字的类型，进一步确定通信特征。下图给出了一些类型，但在实现中可以自由增加对其他类型的支持。

参数protocol通常是 0 ，表示按给定的域和套接字类型选择默认的协议。当对同一域和套接字类型支持多个协议时，可以使用 proticol 参数选择一个特定协议。在 A_FINET 通信域中套接字类型 SOCK_STREAM 的默认协议是 TCP( 传输控制协议 ) ； A_FINET 通信域中套接字类型 SOCK_DGRAM 的默认协议是 UDP( 用户数据报协议 ) 。

字节流(SOCK_STREAM)要求在交换数据之前，在本地套接字和远程套接字之间建

立一个逻辑联系。

Tcp ： 没有报文界限，提供的是字节流服务 。之前写过 Qt 传输图片的拆包与解包，原因就是如此吧。

调用socket与调用 open 类型，均可获得用于输入、输出的文件描述符。不用的时候记得 close 关闭。

2. 寻址

如何确定一个目标通信进程？

进程的标识有两个部分：计算机的网络地址可以确定网络上与之想要通信的计算机

服务可以确定计算机上的特定进程。

2.1  字节序

在同一台计算机上进程间通信时，一般无需考虑字节序。

TCP/IP协议栈使用大端字节序。有关字节序大家可自行百度。

Linux系统是小端字节序。

2.2 地址格式

地址确定了特定通信域中的套接字端点，地址格式与特定的通信域相关。为使不同格式的地址能够被传入到套接字函数，地址被强转换成通用的地址结构sockaddr表示。

Linux中， sockaddr_in 定义如下：

struct sockaddr_in {
sa_family_t    sin_family;
in_port_t      sin_port;
struct  in_addr   sin_addr;
unsigned char    sin_zero[8];
};

其中成员sin_zero为填充字段，必须全部置 0. 所以在网上搜到的例子有使用 bzero.

我目前使用的ubuntu定义如下：

/* Structure describing an Internet socket address.  */
struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);
    in_port_t sin_port;      /* Port number.  */
    struct in_addr sin_addr;    /* Internet address.  */

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
         __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
         sizeof (in_port_t) -
         sizeof (struct in_addr)];
  };

还有很多关于地址查询的函数，这里就不一一列举了。

3. 将套接字与地址绑定

使用bind函数将地址绑定到一个套接字上。

#include  <sys/socket.h>
int bind(int  sockfd, const struct sockaddr * addr, socklen_t  len);
返回值：成功返回0，出错返回-1

参数socklen_t使用 sizeof 来计算就好了。

对于使用地址的一些限制：

端口号不能小于 1024 ，除非该进程具有相应的特权 ( 即为超级用户 ) 。可见规则总是因人而异，计算机也是如此 ~

对于因特网域，如果指定IP地址为 ADDR_ANY ，套接字端点可以被绑定到所有的系统网络接口。

注意：linux的 man 命令可以查看 api 的详细说明，而且还有例子，也挺不错的。

4. 建立连接

1> connect

如果处理的是面向连接的网络服务(SOCK_STREAM或 SOCK_SEQPACKET) ，在开始交换数据前，需要在请求服务的进程套接字 ( 客户端 ) 和提供服务的进程套接字 ( 服务器 ) 之间建立一个连接。使用 connect.

#include  <sys/socket.h>
int connect(int  sockfd, const struct sockaddr  *addr,  socklen_t  len);
返回值：成功返回0，出错返回-1

诶，这个参数好熟悉呀，和bind函数的参数一模一样呀 ~

当 client 连接 server 时，由于一些原因，连接可能会失败。可以使用 指数补偿 的算法解决，了解一下即可。

2> listen

server调用 listen 来宣告可以接受连接请求：

#include  <sys/socket.h>
Int listen(int  sockfd, int  backlog);
返回值：成功返回0，出错返回-1

参数backlog提供了一个提示，用于表示该进程所要入队的连接请求数量。其值由系统决定，但上限由 <sys/socket.h> 中 SOMAXCONN 指定。

一旦队列满，系统会拒绝多余的连接请求。

3> accept

一旦服务器调用了listen，套接字就能接收连接请求。使用函数 accept 获得连接请求并建立连接。

#include  <sys/socket.h>
Int accept(int sockfd,  struct sockaddr *restrict  addr, socklen_t *restrict  len);
返回值：成功返回文件(套接字)描述符，出错返回-1

函数accept所返回的文件描述符是套接字描述符，该描述符连接到调用 connect 的客户端。这个新的套接字描述符和原始套接字 (sockfd) 具有相同的套接字类型和地址族。传给 accept 的原始套接字没有关联到这个连接，而是继续保持可用状态并接受其他连接请求。

如果不关心客户端标识，可以将addr和 len 设置为 NULL, 否则 addr 存放的是连接的客户端的地址。

如果没有连接请求等待处理，accept会阻塞直到有请求到来。另外 server 可以使用 poll 或 select 来等待一个请求的到来。

5. 数据传输

既然将套接字端点表示为文件描述符，那么只要建立连接，就可以使用read和 write 来通过套接字通信。 read 和 write 函数我几乎不用，了解一下即可。

1> send

#include  <sys/socket.h>
Int send(int sockfd,  const void *buf,  size_t  nbytes,  int  flags);
返回值：成功返回发送的字节数，出错返回-1

注意：如果send成功返回，并不一定并表示连接的另一端的进程接收数据。可以保证的是数据已经无误的发送到网络上。

标志我一直用的是0

2> recv

#include  <sys/socket.h>
int recv(int sockfd,  const void *buf,  size_t  nbytes,  int  flags);
返回值：以字节计数的消息长度，若无可用消息或对方已经按序结束则返回0，      出错返回-1

仍然一直是0

如果想定位发送者，可以使用recvfrom来得到数据发送者的源地址。

3> recvfrom

#include  <sys/socket.h>
int recv(int sockfd,  void *restrict buf, size_t len, int flag, 
struct sockaddr *restrict  addr, 
socklen_t *restrict  len);
返回值：以字节计数的消息长度，若无可用消息或对方已经按序结束则返回0，      出错返回-1

因为可以获得发送者的地址，recvfrom通常用于无连接套接字。否则， recvfrom 等同于 recv 。

二、  小结

这里面再提一个带外数据，感兴趣的同志可以自行百度。

之前写过一个server和 client 的例子，连接如下，可对应本文做对比阅读。

LinuxSocket Server 与 Client 例子

个人觉得这只是套接字的入门，如果一个服务器要连接多个客户端呢？以后有机会和大家一起分享下select的套接字用法。

思考：毕业后的学习与在学校的学习有什么区别呢 ？