进程间通信之：socket

　　最近初步学习了本地进程间通信的方式（PIPE、FIFO、message queue、semaphore、shared memary），计划按照“unix 环境高级编程”来学习socket，但是书本上来就讲socket的一些api，感觉一直没搞懂，通过今天的网络搜索，终于发现几篇不错的文章，再次整理一下，即梳理思路，又可转换成自己容易理解的语言。

1.TCP/IP

　　在学习socket之前，先简单了解一下TCP/IP协议族，这样更有助于理解socket在网络编程中所处的位置。
　　TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，定义了主机如何连入因特网及数据如何再它们之间传输的标准，从字面意思来看TCP/IP是TCP和IP协议的合称，但实际上TCP/IP协议是指因特网整个TCP/IP协议族。大学里通信的应该还学过ＯＳＩ模型的七个分层，TCP/IP协议参考模型把所有的TCP/IP系列协议归类到四个抽象层中

应用层：TFTP，HTTP，SNMP，FTP，SMTP，DNS，Telnet 等等

传输层：TCP，UDP

网络层：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP

数据链路层：SLIP，CSLIP，PPP，MTU

每一抽象层建立在低一层提供的服务上，并且为高一层提供服务，看起来大概是这样子的

详细了解可以谷歌或百度一下，这里只是作为一个引子，引出socket。

2.socket

2.1 socket在哪里

前面已经简单介绍了tcp/ip，socket又跟tcp/ip有什么关系呢，请看下图

socket是在应用层和传输层之间的一个抽象层，它把TCP/IP层复杂的操作抽象为几个简单的接口供应用层调用，从而实现进程在网络中通信。
在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。所谓的ｓｏｃｋｅｔ编程，只要熟悉这些接口即可。

2.2什么是socket

　　Socket的英文原义是“插座”（还有其他含义，但是当初网络变成起名为socket主要是借用了插座的概念）。通常也称作”套接字”，主要用于解决网络进程间通信。
　　两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程。本地进程间通信（PIPE、FIFO、message queue、semaphore、shared memary）可以通过进程ＩＤ唯一标识一个进程。网络进程间通信呢？PID只在本地唯一，网络中的两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了，我们知道IP层的ip地址可以唯一标识主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用ip地址＋协议＋端口号唯一标示网络中的一个进程。
　　Socket是面向”客户/服务器“（C/S）模型而设计的，针对客户和服务器程序提供不同的Socket系统调用。这种模式巧妙地解决了进程之间建立通信连接的问题。服务器Socket会公告给需要通信的一方。
　　不妨考虑一下，两个完全随机的用户进程之间如何建立通信？假如通信双方都不知道对方的socket编号，就好比打电话的双方彼此不知道对方的电话号码，要通话是不可能的。采用了C/S模式后，由client端发起请求，server端接收请求，并应答，从而建立好链接。
　　可以通过下图理解一下socket链接的建立过程
　　

　　还可以通过一个生活中常见的事情做一个比喻：你要打电话给一个朋友，先拨号（这个号肯定提前已知，在这个例子中，被叫方可以当做ｓｅｒｖｅｒ端来理解），朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建立起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。

3 socket编程api

　　socket起源于UNIX，在Unix一切皆文件哲学的思想下，socket是一种”打开—读/写—关闭”模式的实现，服务器和客户端各自维护一个”文件”，在建立连接打开后，可以向自己文件写入内容供对方读取或者读取对方内容，通讯结束时关闭文件。

3.1、socket()函数

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（socket descriptor），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。
注：不论是作为客户端还是作为服务器端，都使用该函数创建socket描述符。

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

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（ＡＦ是address family简称）。
　　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。
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。
注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM和SOCK_SEQPACKET是面向链接的类型，因此protocol也应该选择面向链接的tcp协议。当protocol为0时，会自动选择type对应的默认协议。

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。
注：该函数只有服务器端才需要调用

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

sockfd：即socket描述字，是通过socket()函数创建的唯一标识一个socket。bind()函数就是给这个描述字绑定一个名字。
addr：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：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};
ipv6对应的是： 
struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};

struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
};
Unix域对应的是： 
#define UNIX_PATH_MAX    108

struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_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连接服务器；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。

3.3、listen()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。
注：该函数只有服务器端才需要调用

int listen(int sockfd, int backlog);

sockfd:即为要监听的socket描述字；
backlog: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(也就是变成server)，等待客户的连接请求。

3.4、accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就可以监听指定的socket地址了。
当客户端通过调用connect()函数发送链接请求后。一旦服务器监听到该请求之后，就会调用accept()函数接收请求，这样连接就建立好了，之后就可以开始网络I/O操作了，类同于普通文件的读写I/O操作。
该函数只有服务器端才需要调用

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

sockfd：服务器端socket描述字；
addr：客户端的协议地址；客户端请求链接时候，肯定会发送自己的地址，以便服务器端能够知道链接的目的地（参见connect函数参数）；
addrlen：协议地址的长度。

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。
　　一个服务器通常仅创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。
　　而客户端请求的socket链接，则是右内核随机创建的，这个新创建的socket_fd才是服务器端与客户端通信的socket描述符，当服务器完成了对某个客户的服务，对应被创建的socket描述字就被关闭。

3.5、connect()函数

客户端如果想发送链接请求，首先需要调用socket()函数，来创建socket描述符，然后就可以调用connect()函数来向服务器端发送请求。
注：该函数只有客户端端才需要调用

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

sockfd：客户端的socket描述字；
addr：服务器的socket地址；
**addrlen：**socket地址的长度。

3.6、read()、write()等函数

客户端调用connect()发送链接请求，服务器端监听到该请求，并通过accept(）函数处理，正确建立链接后，那么就可以可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网络中不同进程之间的通信！

#include 
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

既然一个套接字端点被表示为一个文件描述符，因此只要建立链接，就可以使用为本地文件设计的read和write函数，如下所示。但是如果想指定更多的选项，如从多个客户端读取消息或发送带外数据等，则read和write无能为力，因此还是建议使用转为socket设计的函数。

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

这组函数的前三个参数和read/write参数含义类似，优势是多了一个flags参数，该参数可以指定一些其他动作，如：容许非阻塞操作，发送数据后立刻关闭发送端的socket等，详细可以参考该函数的flags说明。
该组函数，没有指定目的地址，因此只能先建立链接，然后才能发送数据，也即用于面向tcp链接的socket通信。

#include 
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                            struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

该组函数send时候增加了目的地址，receive时候增加了源地址，支持面向无连接的通讯，即udp。

#include 
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

struct msghdr {
    void        *msg_name;  /* ptr to socket address structure */
    int     msg_namelen;    /* size of socket address structure */
    struct iov_iter msg_iter;   /* data */
    void        *msg_control;   /* ancillary data */
    __kernel_size_t msg_controllen; /* ancillary data buffer length */
    unsigned int    msg_flags;  /* flags on received message */
    struct kiocb    *msg_iocb;  /* ptr to iocb for async requests */
};

从msghdr的结构看，该函数功能更强大，socket编程比较倾向与使用这组函数。

3.7、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 
int close(int fd);

close一个TCP socket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、其他注意事项

既然是面向不通设备的通信，那么通信过程的编码就必须一致，当前计算机有采用大字节序的也有采用小字节序的，但是在发送消息前，要转换为网络字节序（大字节序），接收消息后，要将消息内容从网络字节序转为本机字节序然后才能解析数据。

参考文献：
《unix 环境高级编程》
(http://www.cnblogs.com/dolphinX/p/3460545.html%20http://www.cnblogs.com/dolphinX/p/3460545.html)
(http://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/12/12/1903949.html%20http://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/12/12/1903949.html)
(http://goodcandle.cnblogs.com/archive/2005/12/10/294652.aspx%20http://goodcandle.cnblogs.com/archive/2005/12/10/294652.aspx)