网络编程重点API

1、socket通信

socket是一种IPC方法，它允许位于同一台主机（计算机）或使用网络连接起来的不同主机上的应用程序直接交换数据，掌握基本的socket API函数对于网络编程至关重要，无论是自己写网络通信库还是学习开源的网络通信库，都离不开基本的socket API函数。

2、网络通信基本流程

完整的网络通信流程包括服务端与客户端通过一系列socket函数建立连接。

2.1 服务端建立连接过程

socket()函数

服务端首先调用socket()创建一个fd（文件描述符）用来侦听客服端的连接，通常称此侦听fd（或监听fd）。

#include 
int socket(int domain, int type, int protocol);
	
	--成功时返回文件描述符，失败时返回-1，并设置errno;

下面简要介绍三个参数socket()中的三个参数。

1、domain：套接字中使用的协议族信息；

名称 协议族
PF_INET IPv4互联网协议族
PF_INET6 IPv6互联网协议族
PF_LOCAL 本地通信的UNIX协议族

虽然存在多个协议族，但是常用的只有PF_INET。

2、type：套接字数据传输类型；

数据传输类型
SOCK_STREAM 面向连接的数据传输
SOCK_DGRAM 面向消息的数据传输

TCP采用的就是面向连接的数据传输，采用SOCK_STREAM具有以下特点：

• 传输过程中数据不会消失；
• 按照顺序传输数据；
• 传输的数据没有边界，像水流一样；

UDP采用的就是面向消息的数据传输，采用SOCK_DGEAM具有以下特点：

• 传输速度快但是没有顺序；
• 传输的数据可能丢失也可能损毁；
• 传输的数据存在边界；
• 限制每次传输数据大小

3、protocol：计算机间通信中使用的协议信息；

socket()的第三个参数决定最终采用的协议，一般根据前两个参数就可以确定了协议类型，比如domain选择PF_INET（IPv4协议族），type采用SOCK_STREAM（面向连接传输数据），能满足这两点的第三个参数只有IPPROTO_TCP，所以通常第三个参数直接传0就行了。

int tcp_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

//等价写法
int tcp_socket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

bind()函数

当socket()函数调用成功后就能够得到网络连接所需的fd，接下来就是要对该fd绑定地址与端口信息，这样，客户端才能根据服务端所绑定的地址与端口发起连接。地址与端口的绑定需要调用bind()函数实现。

#include 
int bind(int sockefd, struct sockaddr* myaddr, socklen_t addrlen);

	--成功时返回0，失败时返回-1，并设置errno;

下面简要介绍三个参数bind()中的三个参数。

1、sockfd：socket()调用返回的侦听fd；

2、myaddr：保存的是服务端的地址与端口信息，sockaddr结构体包含地址族、端口、地址等信息；

struct sockaddr
{
	sa_family sin_family;  //地址族
    char      sa_data[14];  //地址信息
};

sa_data保存地址与端口信息，而14字节无法容纳多数协议族的地址值，Linux为各个协议族提供专门的socket地址结构体，比如常用的sockaddr_in（保存IPv4地址信息）。

struct sockaddr_in 
{
 	sa_family_t    sin_family;  //地址族
    uint16_t       sin_port;    //16位的TCP/UDP 端口号
    struct in_addr sin_addr;    //32位IP地址
    char           sin_zero;    //不使用
};

地址族信息

sin_family 含义
AF_INET IPv4协议使用的地址族
AF_INET6 IPv6协议使用的地址族
AF_LOCAL 本地通信使用的地址族

PF系列宏与AF系列宏的值完全相同，经常混用。

sockaddr_in还包含另外一个结构体in_addr

struct in_addr
{
    In_addr_t      s_addr;       //32位的IPv4地址
};

将给定的地址族、地址、端口保存到结构体sockaddr_in中，然后再转换成sockaddr类型的结构体。

3、addrlen：表示第二个参数的长度信息；

bind()调用失败返回-1并设置errno，其中常见的errno是EACCES与EADDRINUSE。

• EACCES：被绑定的地址是受保护的，仅超级用户能访问，比如0~1023窗口是系统使用的，不能绑定；
• EADDRINUSE：被绑定的地址正在使用，常见于将侦听fd绑定到一个处于TIME_WAIT状态的sockfd地址；

listen()函数

当调用bind()函数为侦听fd绑定了地址、端口信息之后，接下来通过listen()函数，进入等待连接状态，只有调用了listen()函数，客户端才能调用connect()函数（提前调用将发生错误）。

#include 

int listen(int sockfd, int backlog);

	--成功时返回0，失败时返回-1，并设置errno;

下面介绍listen()函数的两个参数。

1、sockfd：已经绑定地址、端口的侦听fd；

2、backlog：连接请求队列的长度，客户端发起连接，在服务端会将这些待连接的客户端请求放进队列中，若backlog的值为5，表示最多允许5个客户端请求进入队列。

accept()函数

当listen()函数调用后，如果客户端发起了连接请求，就会把待连接的请求放进队列中，此时调用accept()函数就可以与客户端建立连接。

#include 

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

	--成功时返回创建的fd,失败时返回-1，并设置errno;

accept()也是需要参数。

1、sockfd：这个依然是绑定了地址与端口信息的服务端的侦听fd，当有客户端连接请求，该侦听fd会变成可读状态；

2、addr：该结构体是传入传出参数，用来保存发起连接请求的客户端的地址与端口信息，accept()返回后，客户端的地址与端口填充到结构体对应的变量中；

3、addrlen：指向保存二个参数addr长度的变量地址；

accept()调用成功后，创建一个clientfd（客户端fd）,用来与建立连接的客户端收发数据。到此为止，服务端建立连接过程就结束了，接下来就是通过read()、write()等IO函数进行数据的收发操作。

2.2 客户端建立连接过程

前文分析了服务端建立连接的整个过程，通过一系列的socket函数，客户端的建立连接的过程与服务端类似，相比较服务端的处理流程，客户端稍微简单一些。

socket()函数

#include 
int socket(int domain, int type, int protocol);
	
	--成功时返回文件描述符，失败时返回-1，并设置errno;

客户端在想要建立一个连接，首先也是要调用socket()函数建立一个fd，该fd先用来与服务端建立连接，当服务端建立连接完成后，客户端就能够利用该fd与服务端实现收发数据。这里的三个参数与服务端的socket()使用的参数保持一致。

connect()函数

客户端发起建立连接的请求，一定要等待服务端调用listen()函数之后，只有服务端成功调用了listen()函数，才有一个存放客户端连接请求的队列，这样客户端的连接请求才会被放进队列中，然后服务端调用accept()函数建立连接。

#include 

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

	--成功时返回0，失败时返回-1，并设置errno;

connect()三个参数都是传入参数。

1、sockfd：socket()调用返回的fd，用来与服务端建立连接使用；

2、seraddr：保存将要连接的服务端的地址、端口信息，这里同样是先将服务端信息保存到sockddr_in结构体中，然后再转换成sockaddr类型。

3、addrlen：保存第二个参数的长度信息

客户端调用connect()函数时自动为客户端分配地址与端口信息，所以客户端一般不需要绑定地址与端口。

当connect()出错返回时，两种常见的errno是ECONNREFUSED、ETIMEDOUT与EINPROGRESS。

• ECONNREFUSED：请求连接的目标端口不存在；
• ETIMEDOUT：连接超时；
• EINPROGRESS：正在尝试连接，并不一定表示连接失败，这种情况，Linux系统上稍后要通过getsockopt()判断sockfd是否出错；

2.3 数据读写

在网络通信中，数据的读写可以通过read()、write()函数实现，Linux中不区分文件与套接字。

写函数write()

#include 

ssize_t write(int fd, const void* buf, size_t nbytes);

	--成功时返回写入的字节数，失败时返回-1;

1、fd：数据想要写入的sockfd；

2、buf：保存将要写入数据的缓冲区；

3、nbytes：将要写入的字节数

与write()相对应的是read()函数，用来读取数据

#include 

ssize_t read(int fd, void* buf, size_t nbytes);

	--成功时返回字节数，遇到文件结尾返回0，失败时返回-1;

1、fd：将要从该fd上读取数据；

2、buf：保存所读取数据的缓冲区；

3、nbytes：能够读取的最大字节数；

size_t与ssize_t是通过typedef声明定义的元数据类型，主要是兼容不同位数的操作系统数据类型的差异（如int32、int64），为了与用户自己定义的数据类型区别开，以_t结尾。

typedef unsigned int size_t;
typedef signed int   ssize_t;

文件的读写函数read()、write()可以用来网络数据的读取，但是socket编程提供了专用的socket数据读写函数。TCP读写函数recv()、send()，UDP的读写函数recvfrom()、sendto()。

TCP数据读函数recv()

#include 
#include 

ssize_t recv(int fd, void* buf, size_t len, int flags);

		--成功时返回读取到字节数，失败返回-1，设置errno;

与read()相比，这里多了参数flags，主要用于特殊的数据读取，通常设为0即可，recv()调用成功时返回实际读取到的字节数，它可能小于我们期望的字节数，所以可能需要多次调用才能读取到完整的数据，如果对方关闭了连接，则recv()调用返回0。

TCP数据写函数send()

#include 
#include 

ssize_t send(int fd, const void* buf, size_t len, int flags);

		--成功时返回写入字节数，失败返回-1，设置errno;

send()用法与recv()类似。

UDP数据读函数recvfrom()

#include 
#include 

ssize_t recvfrom(int fd, void* buf, size_t len, int flags, struct sockaddr* src_addr, socklen_t* addrlen);

		----成功时返回读取到字节数，失败返回-1，设置errno;

与TCP中的数据读取函数recv()相比，这里多了两个参数，因为UDP通信没有连接的概念，所以每次读取数据都需要获取发送端的地址端口信息，保存在src_addr中，addrlen指向保存地址信息长度的变量。

UDP数据写函数sendto()

#include 
#include 

ssize_t sendto(int fd, void* buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr* dest_addr, socklen_t addrlen);

		----成功时返回读取到字节数，失败返回-1，设置errno;

用法与recvfrom()类似，这两个函数中的flags参数与TCP中recv()、send()函数中的flags一致。当我们把recvfrom()、sendto()中的后两个参数设置为NULL的时候，同样可以用于TCP的数据读取。

数据发送：系统调用write()/send()/sendto()将数据从应用层缓冲区写入到内核缓冲区，由内核进行数据的发送；

数据接收：系统调用read()/recv()/recvfrom()将数据从内核缓冲区读取到应用层缓冲区；

3、主机字节序与网络字节序

在数据传输过程之前，往往需要进行字节序的转换，因为不同的CPU，保存数据的方式不一样，所谓的主机字节序分为大小端模式。

大端字节序（Big Endian）： 高位字节放在低位地址；

小端字节序（Little Endian）：高位字节放在高位地址；

现代的PC大多采用小端字节序，因此小端字节序又被称为主机字节序。

网络字节序是 TCP/IP 协议中规定好的一种数据表示格式，它与具体的CPU类型、操作系统等无关，从而可以保证数据在不同主机之间传输时能够被正确解释，网络字节顺序采用大端字节序排序方式。因此为了不同的机器和系统可以正常交换数据，一般建议将需要传输的整型值转换成网络字节序。

Linux提供了4个函数完成主机字节序和网络字节序之间的转换。

#include 

unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong); 
unsigned short int htons(unsigned short int hostshort);
unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong);
unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort);

htonl()：表示host to network long，主机字节序转换成网络字节序；

ntohl()：表示network to host long，网络字节序转化成主机字节序；

这两个长整形用来转换IP地址信息，而剩下的两个短整形用来转换PORT端口信息。

下面给出一个htons()函数的实现，IDE是Visual Studio 2019。

#include 
 
//判断大小端编码方式
bool ByteOrderFunc()
{
    unsigned short mode = 0x1234;
    char* pmode = (char*)& mode;
    //低字节放低位
    if (*pmode == 0x34)
        return false;    //是小端
 
    return true;         //是大端(网络字节序)
}
 
int main()
{
    //小端编码
    int hostport = 0x1234;
    
    if (ByteOrderFunc())   //先判断是大端还是小端
        std::cout << "大端编码方式" << std::endl;
    else
        std::cout << "小端编码方式， 需要转换成网络字节序" << std::endl;
 
    int i =  ((uint16_t)(hostport >> 8)) | ((uint16_t)((hostporthost & 0x00ff) << 8));
 
    std::cout << "i = " << i << std::endl;
 
    return 0;
 
}

在hostport出打断点，在局部变量窗口查看hostport的内存地址，然后再内存窗口查看其存储方式，可见是小端编码方式。

0x00D8FA8C  34 12 00 00 cc cc cc cc 

下面是进行网络字节序的转换，查看i字节序方式与hostport相同。

0x00D8FA80  12 34 00 00 cc cc cc cc

已经转换成网络字节序（大端字节序）。

4、IP地址端口转换函数

IP地址转换函数

网络字节序与本机字节序的转换是整形之间的转换，但是IP地址信息通常是点分十进制（字符串）表示的，往往需要先转化成整形，inet_addr()函数可以将字符串形式的IP地址信息转化成32位的整数类型。

#include 
in_addr_t inet_addr(const char* string);

		--成功返回32位大端字节序，失败返回INADDR_NONE;

inet_addr()升级版inet_aton()函数可以直接将转换后的网络字节序存入到sockaddr_in结构体中，更方便使用。

#include 

int inet_aton(const char* string, struct in_addr* addr);

1、string：待转换的字符串形式的IP地址信息；

2、addr：转换后的IP地址信息存放到sockaddr_in的in_addr中；

除了将IP地址信息从主机字节序转换成网络字节序，也能够从网络字节序转换成主机字节序。

#include 

char* inet_ntoa(struct in_addr adr);

		--成功时返回转换成功的字符串地址，失败返回-1;

adr是保存网络字节序的IP地址信息。

端口转换函数

如果给定的端口是字符串形式，依然可以将其转换成整形。

#include 

int atoi(const char *nptr);
      
		--成功时返回int整形端口号，失败返回-1;

long atol(const char *nptr);

		--成功时返回long整形端口号，失败返回-1;

nptr是将要转换的字符型端口信息。

下面是一个服务端与客户端通信的例子，回显服务器。

服务端代码

/**
 * 服务端
 */
#include  
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char* argv[])
{
    //1.创建一个侦听socket
    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listenfd == -1)
    {
        std::cout << "create listen socket error." << std::endl;
        return -1;
    }

    //2.初始化服务器地址
    struct sockaddr_in bindaddr;
    bindaddr.sin_family = AF_INET;
    bindaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    bindaddr.sin_port = htons(8888);
    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&bindaddr, sizeof(bindaddr)) == -1)
    {
        std::cout << "bind listen socket error." << std::endl;
        return -1;
    }

	//3.启动侦听
    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) == -1)
    {
        std::cout << "listen error." << std::endl;
        return -1;
    }

    while (true)
    {
        struct sockaddr_in clientaddr;
        socklen_t clientaddrlen = sizeof(clientaddr);
		//4. 接受客户端连接
        int clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientaddrlen);
        if (clientfd != -1)
        {         	
			char recvBuf[32] = {0};
			//5. 从客户端接收数据
			int ret = recv(clientfd, recvBuf, 32, 0);
			if (ret > 0) 
			{
				std::cout << "recv data from client, data: " << recvBuf << std::endl;
				//6. 将收到的数据原封不动地发给客户端
				ret = send(clientfd, recvBuf, strlen(recvBuf), 0);
				if (ret != strlen(recvBuf))
					std::cout << "send data error." << std::endl;
				else
					std::cout << "send data to client successfully, data: " << recvBuf << std::endl;
			} 
			else 
			{
				std::cout << "recv data error." << std::endl;
			}
			
			close(clientfd);
        }
    }
	
	//7.关闭侦听socket
	close(listenfd);

    return 0;
}

服务端绑定的地址是INADDR_ANY，采用这种方式，可以自动获取运行服务端的计算机IP地址，不用再设定IP地址。

客户端代码

/**
 * 客户端
 */
#include  
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SERVER_ADDRESS "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT     8888
#define SEND_DATA       "hello world！"

int main(int argc, char* argv[])
{
    //1.创建一个socket
    int clientfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (clientfd == -1)
    {
        std::cout << "create client socket error." << std::endl;
        return -1;
    }

    //2.连接服务器
    struct sockaddr_in serveraddr;
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_ADDRESS);
    serveraddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    if (connect(clientfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr)) == -1)
    {
        std::cout << "connect socket error." << std::endl;
        return -1;
    }

	//3. 向服务器发送数据
	int ret = send(clientfd, SEND_DATA, strlen(SEND_DATA), 0);
	if (ret != strlen(SEND_DATA))
	{
		std::cout << "send data error." << std::endl;
		return -1;
	}
	
	std::cout << "send data successfully, data: " << SEND_DATA << std::endl;
	
	//4. 从服务器收取数据
	char recvBuf[32] = {0};
	ret = recv(clientfd, recvBuf, 32, 0);
	if (ret > 0) 
	{
		std::cout << "recv data successfully, data: " << recvBuf << std::endl;
	} 
	else 
	{
		std::cout << "recv data error, data: " << recvBuf << std::endl;
	}
	
	//5. 关闭socket
	close(clientfd);

    return 0;
}

客户端输出

send data successfully, data: hello world！
recv data successfully, data: hello world！

服务端输出

recv data from client, data: hello world！
send data to client successfully, data: hello world！