【Linux Socket 编程入门】04 - socket编程最常使用的函数及数据结构

友情提醒：可以利用上面的目录，选择感兴趣的部分。

（一） 背景

前面3个小节，主要介绍了socket是什么，网络模型，IP地址等基本的知识，接下来介绍socket编程中，最常使用到的几个系统函数(syscall)和相关的数据结构，为linux socket编程入门做好准备。

（二） 常用的数据结构

socket文件描述符(Socket descriptor)

socket 文件描述符就是一个 int类型的整数。socket文件描述符类似于文件句柄，对文件句柄的读写就代表对文件的读写，同理，socket文件描述符代表的是一个带有目的信息的(IP 地址，端口号等）字节流，对socket文件描述符进行读写就代表对某个具体的IP地址，端口号进行读写。socket文件描述符的数据类型为：

int

addrinfo

这个结构是进行socket编程会遇到的第一个结构，它主要用来记录一些地址类型，端口号，socket类型等参数，为后续的函数调用做准备。它主要作为getaddrinfo()的参数。它的结构如下：

struct addrinfo {
	int ai_flags; // AI_PASSIVE, AI_CANONNAME, etc.
	int ai_family; // AF_INET, AF_INET6, AF_UNSPEC
	int ai_socktype; // SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM
	int ai_protocol; // use 0 for "any"
	size_t ai_addrlen; // size of ai_addr in bytes
	struct sockaddr *ai_addr; // struct sockaddr_in or _in6
	char *ai_canonname; // full canonical hostname
	struct addrinfo *ai_next; // linked list, next node
};

其中：

• ai_flags： 填AI_PASSIVE表示不需要手动指定IP地址，由系统帮忙指定IP地址，通常作为服务器端程序的时候，会使用这个flag，在调用bind()时，由系统自动填入本机IP地址。AI_CANONNAME flag会使得ai_canonname被填充为真正的主机名。当然还有很多其他的flag，可以通过man page查看。
• ai_family：指定是IPv4还是IPv6. AF_INET 代表IPv4， AF_INET6代表ipv6，AF_UNSPEC代表由系统自动选择。
• ai_next：addrinfo 是一个链表结构，函数getaddrinfo()返回的是一个链表，这意味着你可能会有多个选择。例如，对于同一个主机名：www.baidu.com,可能会对应多个IP地址，getaddrinfo()返回的就是所有的这些IP地址。

sockaddr

在addrinfo结构中，有一个sockaddr结构。这个结构主要存储各种sock address（IPv4 or IPv6）信息，它的定义如下：

struct sockaddr {
unsigned short sa_family; // address family, AF_xxx
char sa_data[14]; // 14 bytes of protocol address
};

其中：

• sa_family可以有多种值，最常用的是AF_INET 和 AF_INET6.
• sa_data：包含了目的地址和port 信息。但是这个结构很少用，因为它非常不直观，你需要自己进行转换才能获取IP 地址和port号。

 sockaddr_in

由于sockaddr使用不直观，因此，针对IPv4，增加了这个结构，这个结构体的内部排列与sockaddr是一样的。因此可以用类型的强制转换，将sockaddr强制转换为sockaddr_in.

在sock编程中，会经常使用这个结构体来获取IP address和port号。他的定义如下：

struct sockaddr_in {
short int sin_family; // Address family, AF_INET
unsigned short int sin_port; // Port number
struct in_addr sin_addr; // Internet address
unsigned char sin_zero[8]; // Same size as struct sockaddr
};

其中的struct in_addr 结构为：

struct in_addr {
uint32_t s_addr; // that's a 32-bit int (4 bytes)
};

其中：

• sin_family：与sockaddr中的sa_family一样，这里设为AF_INET。
• sin_port：端口号。
• sin_addr：目的地的IP address。
• sin_zero[8]：是padding，需要利用memset全部设置为0.

sockaddr_in6

与sockaddr_in一样，这个结构主要针对IPv6，他的定义如下：

struct sockaddr_in6 {
u_int16_t sin6_family; // address family, AF_INET6
u_int16_t sin6_port; // port number, Network Byte Order
u_int32_t sin6_flowinfo; // IPv6 flow information
struct in6_addr sin6_addr; // IPv6 address
u_int32_t sin6_scope_id; // Scope ID
};
struct in6_addr {
unsigned char s6_addr[16]; // IPv6 address
};

注：对于socket入门，可以暂时忽略 sin6_scope_id。

sockaddr_storage

有时候，你无法提前预知到底是IPv4还是IPv6，有没有一个结构体足够大，可以装得下IPv4的信息，同时也装得下IPv6的信息呢？答案是：有。它就是sockaddr_storage。它的定义如下：

struct sockaddr_storage {
sa_family_t ss_family; // address family
// all this is padding, implementation specific, ignore it:
char __ss_pad1[_SS_PAD1SIZE];
int64_t __ss_align;
char __ss_pad2[_SS_PAD2SIZE];
};

根据ss_family为AF_INET 还是 AF_INET6，把sockaddr_storage强制转换为sockaddr_in 或者 sockaddr_in6。sockaddr_storage的用法，在下一篇代码分析里面可以看到。

（三） 常用的函数

inet_pton()

这个函数主要用来将数字和点号表示的IP地址，转化成in_addr 或者in_addr6的结构。“pton” 表示 “presentation to network”。它的用法如下：

struct sockaddr_in sa; // IPv4
struct sockaddr_in6 sa6; // IPv6
inet_pton(AF_INET, "10.12.110.57", &(sa.sin_addr)); // IPv4
inet_pton(AF_INET6, "2001:db8:63b3:1::3490", &(sa6.sin6_addr)); // IPv6

注意：这个函数失败的话，会返回-1或者0，记得要检查返回值，确保返回值是大于0的。

 inet_ntop()

与inet_pton()相反，这个函数将IP地址转换成用数字和点号表示的字符串。“ntop” 代表 “network to presentation，它的用法如下：

// IPv4:
char ip4[INET_ADDRSTRLEN]; // space to hold the IPv4 string
struct sockaddr_in sa; // pretend this is loaded with something
inet_ntop(AF_INET, &(sa.sin_addr), ip4, INET_ADDRSTRLEN);
printf("The IPv4 address is: %s\n", ip4);
// IPv6:
char ip6[INET6_ADDRSTRLEN]; // space to hold the IPv6 string
struct sockaddr_in6 sa6; // pretend this is loaded with something
inet_ntop(AF_INET6, &(sa6.sin6_addr), ip6, INET6_ADDRSTRLEN);
printf("The address is: %s\n", ip6);

注意：INET_ADDRSTRLEN 是一个预定义的宏，代表IPv4字符串长度。INET6_ADDRSTRLEN则代表IPv6的长度。

 

getaddrinfo()

这个函数是第一个会调用到的函数，它的作用主要是通过传入一些必要的参数，让系统自动填充struct addrinfo，供后续函数使用。它的函数原型如下：

#include 
#include 
#include 
int getaddrinfo(const char *node, // e.g. "www.example.com" or IP
                const char *service, // e.g. "http" or port number
                const struct addrinfo *hints,
                struct addrinfo **res);

其中：

• 前面三个是输入参数，最后一个是输出参数，供后续函数使用。
• node：通常是主机名或者IP地址。
• service：service的取值可以很多，我们最常用的是填入端口(port)号。其他值通常是某个service的名字，如"http"，"fpt"，"telnet"，"smtp"等。

Sample：

int status;
struct addrinfo hints;
struct addrinfo *servinfo; // 这个是输出参数
memset(&hints, 0, sizeof hints); // 很重要，一定要先将structure清0
hints.ai_family = AF_UNSPEC; // 这个参数表明不关心是IPv4还是IPv6，由系统自动选择。
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; // 采用TCP的socket
hints.ai_flags = AI_PASSIVE; // 由系统自动填充IP地址。
if ((status = getaddrinfo(NULL, "3490", &hints, &servinfo)) != 0) {
    fprintf(stderr, "getaddrinfo error: %s\n", gai_strerror(status));
    exit(1);
}
// servinfo 现在指向的是一个链表，对应着一个或多个IP地址。
// ... 
freeaddrinfo(servinfo); // 最后记得要把servinfo 释放掉。

socket()

这个函数主要用来获取socket文件描述符(socket file descriptor)，它的函数原型如下：

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

其中：

• domain：PF_INET或者PF_INET6。在实际编程中，我们常常使用由getaddrinfo() 返回的addrinfo->ai_family.
• type：SOCK_STREAM or SOCK_DGRAM，在实际编程中，常常使用由getaddrinfo() 返回的addrinfo->ai_socktype.
• protocol：0 或者通过 getprotobyname() 获取protocol的名字。在实际编程中，常常使用由getaddrinfo() 返回的addrinfo->ai_protocol.
• 返回值：-1表明出错。正常情况返回一个int型的socket文件描述符。

Sample：

int s;
struct addrinfo hints, *res;
//...
getaddrinfo("www.example.com", "http", &hints, &res);
s = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol);

bind()

这个函数主要用来绑定端口号，它的原型如下：

#include 
#include 
int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

其中：

• sockfd：是由socket()获得的文件描述符。
• my_addr：包含自己的IP地址，端口号等信息的sockaddr 结构。编程中，常用getaddrinfo() 返回的addrinfo->ai_addr。
  
• addr_len：address的长度，编程中常用getaddrinfo() 返回的addrinfo->ai_addrlen。
• 返回值：-1表示出错。

Sample:

struct addrinfo hints, *res;
int sockfd;
memset(&hints, 0, sizeof hints);
hints.ai_family = AF_UNSPEC; // use IPv4 or IPv6, whichever
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
hints.ai_flags = AI_PASSIVE; // fill in my IP for me
getaddrinfo(NULL, "3490", &hints, &res);
// make a socket:
sockfd = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol);
// bind it to the port we passed in to getaddrinfo():
bind(sockfd, res->ai_addr, res->ai_addrlen);

connect()

这个函数通常用在客户端程序，主动发起连接server的请求。通常需要知道server端的IP地址和端口信息。它的函数原型为：

#include 
#include 
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);

其中：

• sockfd：socket文件描述符。
• serv_addr：server的IP地址信息。编程中，常用getaddrinfo() 返回的addrinfo->ai_addr。
• addrlen：address的长度，编程中常用getaddrinfo() 返回的addrinfo->ai_addrlen。
• 返回值：-1表示出错。

Sample：

struct addrinfo hints, *res;
int sockfd;

memset(&hints, 0, sizeof hints);
hints.ai_family = AF_UNSPEC;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
getaddrinfo("www.example.com", "3490", &hints, &res);
// make a socket:
sockfd = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol);
// connect!
connect(sockfd, res->ai_addr, res->ai_addrlen);

listen()

这个函数用来告诉别人，你不会主动连接(connect)别人，别人可以来连接你了。常常与accept()连用。它的函数原型如下：

#include 
#include 

int listen(int sockfd, int backlog);

其中：

• sockfd：socket文件描述符。
  
• backlog：最大的listen的数量。在accepte()之前，所有连接你的人都会在一个queue里面等待，这个参数指定这个queue的最大值。
• 返回值：-1表示出错。
  

Sample：这里只是展示一个调用的流程，具体的例子参见accept()函数。

getaddrinfo();
socket();
bind();
listen();
/* accept() goes here */

accept()

这个函数通常与listen搭配使用。一旦呼叫这个函数，这个函数会一直blocking(或者说sleep)直到有人连接(connect)，一旦有人连接你，这个函数便会返回。它的函数原型如下：

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

其中：

• sockfd：socket文件描述符。
  
• addr：对方的IP地址信息。编程中，常用sockaddr_storage来保存这个信息，后面再通过类型转换获取对方信息。
• addrlen：address的长度，编程中常用sizeof(struct sockaddr_storage) 。注意，这个参数仍然是一个输出参数，如果实际的地址长度比sizeof(struct sockaddr_storage)的小，addrlen会被修改成实际的地址长度。
• 返回值：-1表示出错。正常情况会返回一个新的socket 文件描述符。注意区分第一个参数sockfd与返回值。这两个是不同的文件描述符。为什么会返回一个新的文件描述符呢？因为listen可以允许多个客户端的连接，用的都是同一个sockfd，因此，针对每一个连接，需要一个新的文件描述符来进行后续的读写操作。

Sample：

#include 
#include 
#include 
#include 
#define MYPORT "3490" // the port users will be connecting to
#define BACKLOG 10 // how many pending connections queue will hold
int main(void)
{
    struct sockaddr_storage their_addr;
    socklen_t addr_size;
    struct addrinfo hints, *res;
    int sockfd, new_fd;

    memset(&hints, 0, sizeof hints);
    hints.ai_family = AF_UNSPEC; // use IPv4 or IPv6, whichever
    hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
    hints.ai_flags = AI_PASSIVE; // fill in my IP for me
    getaddrinfo(NULL, MYPORT, &hints, &res);
    // make a socket, bind it, and listen on it:
    sockfd = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol);
    bind(sockfd, res->ai_addr, res->ai_addrlen);
    listen(sockfd, BACKLOG);
    // now accept an incoming connection:
    addr_size = sizeof their_addr;
    new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&their_addr, &addr_size);
    // ready to communicate on socket descriptor new_fd!
    .
    .
    .

send() and recv()

这两个函数主要用来进行读写的数据的。它们的函数原型如下：

int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);

其中：

• sockfd：为文件描述符。
• msg：为你要发送的消息。
• len：消息的长度。
• flags：填0。
• 返回值：-1表示错误。正常情况下，返回已发送的数据的长度。注意，真正发送的长度有可能小于你要求的长度。通常情况，小于1K的数据，都会一次发完。

int recv(int sockfd, void *buf, int len, int flags);

其中：

• sockfd：为文件描述符。
• buf：为你要接收的消息的buffer。
• len：buffer的长度。
• flags：填0。
  
• 返回值：-1表示错误。0表示对方已经关闭连接了。正常情况会返回读到的数据的byte数。

Sample：这里展示send()的用法，recv()的用法类似。

char *msg = "Hello World!";
int len, bytes_sent;
...
len = strlen(msg);
bytes_sent = send(sockfd, msg, len, 0);
.
.

sendto() and recvfrom()

这两个函数主要针对datagram stream的。因为datagram socket不需要首先与远端建立连接，这也是UDP编程模型的特点。它们的函数原型如下：

int sendto(int sockfd, const void *msg, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen);

其中：

• 前三个参数与send()一样，移步send()的说明。
• to：是一个sockaddr的结构体，包含对方的IP地址，端口等信息，编程中，常用getaddrinfo() 返回的addrinfo->ai_addr。
• to_len：addr的长度，编程中，常用getaddrinfo() 返回的addrinfo->ai_addrlen。
• 返回值：-1表示错误。正常情况下，返回已发送的数据的长度。注意，真正发送的长度有可能小于你要求的长度。

int recvfrom(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flags, struct sockaddr *from, int *fromlen);

其中：

• 前三个参数，请参考recv。
• from：通常为一个 sockaddr_storage的结构，用来保存对方的IP地址，端口等信息。
• fromlen：from的长度。同样，这个长度是一个输出参数，在函数返回后，代表真实的from的长度。

Sample：

我会在后面文章中具体实例里面进行演示。

注意：UDP编程模型仍然可以使用send(), recv()函数。

close()

在不使用某个sock 文件描述符时，记得一定要用close()讲资源释放掉。函数原型如下：

int close(int sockfd);

其中：

• sockfd是文件描述符
• 返回值：-1表示错误。正常情况返回0.

Sample：

...
close(fd);

--THE END--