Linux socket编程

socket套接字（口）

套接口可以说是网络编程中一个非常重要的概念，linux以文件的形式实现套接口，与套接口相应的文件属于sockfs特殊文件系统，创建一个套接口就是在sockfs中创建一个特殊文件，并建立起为实现套接口功能的相关数据结构。换句话说，对每一个新创建的socket套接口，linux内核都将在sockfs特殊文件系统中创建一个新的inode。描述套接口的数据结构是socket。

(一)重要数据结构

下面是在网络编程中比较重要的几个数据结构，读者可以在后面介绍编程API部分再回过头来了解它们。

（1）表示套接口的数据结构structsocket

套接口是由socket数据结构代表的，形式如下：

（2）描述套接口通用地址的数据结构structsockaddr

由于历史的缘故，在bind、connect等系统调用中，特定于协议的套接口地址结构指针都要强制转换成该通用的套接口地址结构指针。结构形式如下：

structsockaddr { sa_family_t sa_family; /*address family, AF_xxx */ char sa_data[14]; /*14 bytes of protocol address */ };

 

（3）描述因特网地址结构的数据结构structsockaddr_in（这里局限于IP4）：

structsockaddr_in

{

__SOCKADDR_COMMON(sin_); /*描述协议族*/

in_port_tsin_port; /*端口号*/

structin_addr sin_addr; /*因特网地址*/

/*Pad to size of `struct sockaddr'. */

unsignedchar sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -

__SOCKADDR_COMMON_SIZE -

sizeof (in_port_t) -

sizeof (struct in_addr)];

};

（二）基本的socket接口函数。

3.1、socket()函数

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

 

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。

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。

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（address family，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。

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。

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

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const struct sockaddr *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：

  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。

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。

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

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()之后就向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。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *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struct sockaddr *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：

1. #include   
2.   
3.   ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);  
4.   ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);  
5.   
6.   #include   
7.   #include   
8.   
9.   ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);  
10.   ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);  
11.   
12.   ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,  
13.                  const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);  
14.   ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,  
15.                    struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);  
16.   
17.   ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);  
18.   ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);  

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 
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。

下面是TCP的一个例子，分别是服务器端（server.c）和客户端（client.c）

server.c

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char ** argv)
{
    int listenfd, connfd;
    struct sockaddr_in servaddr;
    char buff[4096];
    int n;

    if((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) == -1)//创建套接字TCP
    {
        printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);  
            exit(0); 
    }
    
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));//初始化servaddr,分配内存
    //初始化servaddr参数
    servaddr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //具体的IP地址
        servaddr.sin_port = htons(1234);  //端口
    //绑定servaddr给套接字listendf
    if( (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr))) == -1)
    {  
            printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);  
            exit(0);  
        }      
    //监听套接字listenfd
    if(listen(listenfd, 10) == -1)    
    {
        printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
                exit(0);
    }
    printf("======wait for client's request=====\n");
    //接收请求
    while(1)
    {
        //客户端连接上服务器后,调用accept函数,接收客户端数据
        if((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1)
        {
            printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
                    continue;
        }
        //接收数据,返回字节数
        n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);
        buff[n] = '\0';
        printf("recv msg from client:%s\n",buff);
        close(connfd);
    }
    close(listenfd);
    return 0;
}

client.c

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char ** argv)
{
    int sockfd, n, q;
    char recvline[4096], sendline[4096];
    struct sockaddr_in servaddr;
        
    //创建套接字描述符给sockfd
    if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {      
        printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno);  
            exit(0);       
    }
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));//初始化servaddr
    servaddr.sin_family = AF_INET;//IPV4
    //servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    servaddr.sin_port = htons(1234);//端口为6666

    //连接服务器
    if((q =  connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr))) < 0)
    {  
    //连接请求  
        printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);  
        }  
    printf("send msg to server:\n");
    fgets(sendline, 4096, stdin);
    if(send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)
    {
        printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);  
        exit(0);
    }
    close(sockfd);
    exit(0);
    return 0;
}