Linux高性能服务器编程学习记录——五、linux网络编程基础api
1、网络字节序
字节序点这里
2、socket地址结构体
TCP/IP协议族有sockaddr_in和sockaddr_in6两个专用的socket地址结构体，分别用于IPv4和IPv6。
struct sockaddr_in
{
sa_family_t sin_family; //地址族：AF_INET
u_int16_t sin_port; //端口号，要用网络字节序表示
struct in_addr sin_addr; //IPv4地址结构体 见下面
};
struct in_addr
{
u_int32_t s_addr; //IPv4地址，要用网络字节序表示
};
struct sockaddr_in6
{
sa_family_t sin6_family; //地址族：AF_INET6
u_int16_t sin6_port; //端口号，要用网络字节序表示
u_int32_t sin6_flowinfo; //流信息，应设置为0
struct in6_addr sin6_addr; //IPv6地址结构体 见下面
u_int32_t sin6_scope_id; //scope ID，尚处于实验阶段
};
struct in6_addr
{
usigned char sa_addr[16]; //IPv6地址，要用网络字节序表示
};
3、IP地址转换函数
#include inet_pton函数将用字符串表示的IP地址src转换成用网络字节序整数表示的IP地址，并将结果存于dst指向的内存中。成功返回1，失败返回0。
af参数指定地址族，可以是AF_INET或AF_INET6。
inet_ntop进行相反的转换，前三个参数与inet_pton参数相同，最后一个cnt指定目标存储单元的大小。下面的两个宏能帮我们指定这个大小：
#includeinet_ntop成功时返回目标存储单元的地址，失败返回NULL，并设置errno。
4、创建socket连接
创建一个socket,
#include domain指定要使用的底层协议族，对于TCP/IP协议族而言，为PF_INET(Protocol Family of Internet)或PF_INET6，对于UNIX本地域协议族为PF_UNIX。
type指定服务类型，主要是SOCK_STREAM（流服务，TCP），SOCK_UGRAM（数据报，UDP）。自Linux内核版本2.6.17起，type参数可以接受上述服务类型与SOCK_NONBLOCK和SOCK_CLOEXEC相与的值，它们分别表示将新创建的socket设为非阻塞的，以及用fork创建子进程时在子进程中关闭该socket。
protocol表示一个具体的协议，但是通常前两个参数就唯一确定了第三个值，所以一般设为0表示使用默认协议。
socket系统调用成功返回一个socket文件描述符，失败返回-1并设置errno。
命名（绑定）socket，即将新创建的socket绑定到指定地址
#include bind将addr指定的地址绑定到sockfd上，addrlen为sizeof(addr)。对于TCP字节流（UDP数据报）通信，socket类型是AF_INET和SOCK_STREAM(SOCK_DGRAM)，socket上绑定的是IP、Port等信息，对于本地进程间通信，socket类型是AF_LOCAL和SOCK_STREAM(SOCK_DGRAM)，socket上绑定的是一个本地文件，这也是本地socket和网络socket之间的最大区别。
另外AF_UNIX也属于本地socket，与AF_LOCAL是等价的。
要注意的是sockaddr是旧的地址结构，从新的结构到旧的结构直接强制转换就可以了，看后面的代码就清楚了。
bind成功返回0，失败返回-1，并设置errno。
监听socket
#include sockfd指定被监听的socket。（面试预警）backlog参数提示内核监听队列的最大长度，即accept队列长度。监听队列的长度如果超过backlog，服务器将不受理新的客户端连接，客户端也将收到ECONNREFUSED错误信息。在内核版本2.2前，backlog指所有处于半连接状态（SYN_RCVD）和全连接状态的socket（ESTABLISHED）的上限。2.2之后只表示全连接队列上限，半连接队列上限由/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog定义，典型值是5。但是我的默认值是256。
接收连接
#include addr用来获取被接受连接的远端socket地址，长度由addrlen指定。
accept成功时返回一个新的连接socket文件描述符，失败时返回-1，设置errno。
accept函数是阻塞的。
（面试预警）处于ESTABLISHED状态的连接在被accept前，如果出现异常，如掉线（仍处于ESTABLISHED）或提前退出（处于CLOSE_WAIT），accpet是否能正常返回。答案为是的，能正确返回，因为accpet只负责从对队列中取出连接，而不检查连接状态，更不关心网络状况的变化。
由上面的CLOSE_WAIT想到另外一个问题，即处于accept队列里的连接在收到客户端的断开请求后只是回了个ACK，却并不能发送自己的FIN，因此会一直处于CLOSE_WAIT即半关闭状态，直到它被accept后调用close或着程序退出。下面是我的测试代码
#include 下面是tcpdump输出，telnet退出后，状态变为CLOSE_WAIT，我始终没有调用close，直到最后程序退出，状态又变为LAST_ACK
发起连接
服务端listen之后（注意：不论是否accept了），客户端就可以调用connect发起连接。
#include sockfd是由socket系统调用的返回值，server_addr是需要连接的服务端的socket地址，addrlen是长度。
connect成功返回一个socket，失败返回-1，并设置errno。
这里又想到一个问题：既然服务端只要listen之后，客户端就可以连接成功，那么在没有accpet的情况下，客户端发送数据 服务端是否能收到呢？验证一下！
test_server.c
#include test_client.c
#include "header.h"
#define BUFFER_SIZE 10
int main(int argc, char* argv[])
{
const char* ip ="127.0.0.1";
int port = 12345;
struct sockaddr_in server_address;
bzero(&server_address, sizeof(server_address));
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_port = htons(port);
inet_pton(AF_INET, ip, &server_address.sin_addr);
int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
assert(sock >= 0);
//主动连接服务器 并发送数据
if (connect(sock, (struct sockaddr*)&server_address, sizeof(server_address)) != -1)
{
char buffer[BUFFER_SIZE];
memset(&buffer, 'a', BUFFER_SIZE);
send(sock, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
printf("client send complete!\n");
}
else
{
printf("connect error %d\n", errno);
}
close(sock);
return 0;
}
下图是实验结果，注意tcpdump部分红框部分，前一个包是客户端发完数据调用close向服务端发送了FIN后，服务端回复的ACK，后一个包是3s后服务端sleep结束，accept了这条连接后，读出数据，然后调用close给客户端发送FIN。实验表明，虽未被accept，但是处于ESTABLISHED状态的连接已是一条完整的连接，它有自己的接收缓冲区，所以是可以接受发来的数据的，只是接收缓冲区的数据不能被读取而已。
关闭连接
关闭一个连接就是关闭连接对应的socket，通常是通过调用关闭文件描述符的系统调用close来完成。
#include 值得注意的是close系统调用并非总是立即关闭一个连接，而是将fd的引用计数减1，只有当fd的引用计数为0，才能真正关闭连接。多进程程序中，一次fork默认将使父进程中打开的socket的引用计数加1，因此必须在父进程和紫禁城中都对该socket执行close才能将连接关闭。
如果无论如何都要立即终止连接（而不是将socket的引用计数减1），可以用shutdown，与close相比，shutdown被称为优雅的关闭连接，因为它可以通过参数来控制关闭方式，见下面，而close是关闭读写，shutdown是专门为网络编程设计的。
#include howto参数决定了shutdown的行为：
- SHUT_RD：关闭本侧的读，应用程序不能再针对socket文件描述符执行读操作，并且该socket接收缓冲区中的数据都被丢弃
- SHUT_WR：关闭本侧的写，应用程序不可再对该socket文件描述符执行写操作，socket发送缓冲区中的数据会在真正关闭连接前全部发送出去。这种情况下，连接处于半关闭状态
- SHUT_RDWR：同时关闭fd上的读和写
5、数据读写
TCP数据（流数据）读写
Linux中一切皆文件，tcp连接当然也就可以通过使用对文件的读写操作read和write来读写socket数据。另外socket编程接口提供了几个专门用于socket数据读写的系统调用，增加了对数据读写时的控制。
#include recv读取sockfd上的数据，存入buf指定的缓冲区，len是buf大小，flags参数见后面，通常设置为0。recv成功时返回读到的数据长度，返回0表示对方关闭了连接，出错返回-1，并设置errno。
send往sockfd写数据，数据来源于buf，len是buf大小，成功返回实际send的数据长度，失败返回0并设置errno。书上没说在对方关闭连接后send会返回啥（-1？），可以写代码测试下。
下图是flags参数的可选值（来自《Linux高性能服务器编程》）
UDP数据读写
#include 前四个参数与TCP读写接口recv和send相同，由于udp不是面向连接的，所以src_addr用于指定通信对端的地址。
值得一提的是，recvfrom和sendto同样可以用于tcp连接的读写，只需将后面的地址置位NULL。
通用数据读写函数
可用于TCP流数据和UDP数据报
#include 下图是msghdr结构体的定义
msg_name成员指向一个socket地址结构变量，对于TCP，该成员没有意义，必须被设为NULL。
iovec*结构体定义如下：
iov_base指向一块内存的起始地址，iov_len是其长度。msg_iovlen指定这样的iovec结构对象有多少个。
对于recvmsg，数据将被读取并存放在msg_iovlen块分散的内存中，这些内存的位置和长度由msg_iov指向的数组指定，这成为分散读（scatter read），对于sendmsg，msg_iovlen块分散内存中的数据将被一并发送，这称为集中写（gather write）。
msg_control和msg_controllen成员用于辅助数据的传送。
msg_flags将会复制recvmsg/sendmsg中的flags，这些flags的含义与send/recv中的相同。
6、socket选项
下面两个系统调用专门用来读取和设置socket文件描述符属性：
#include level指定要操作哪个协议的选项（即属性），如IPv4、IPv6、TCP等，option_name指定选项名字，option_value和option_len参数分别被操作选项的值和长度。两个函数都是成功时返回0，失败返回-1并设置errno。下图是socket通信中几个比较常用的socket选项。（图片来自《Linux高性能服务器编程》）
面试预警：SO_REUSEADDR和TCPNODELAY选项。
SO_REUSEADDR使处于TIME_WAIT状态的连接的socket地址可以被使用。
TCP_NODELAY用来禁用Nagle算法。Nagle算法规定了在任意时刻，最多只能有一个未被确认的小段。小段是指数据长度小于MSS的数据块。如现在需要发送两个包A和B，A和B都小于MSS，先发送A，在nagle算法下，在未收到A的ACK前（此时A为未被确认的小段），不能发送B。可以看出Nagle算法虽然减少了网络中包的数量，但是却带来了延迟。一些交互性强的应用（如网络游戏）不允许这种事情发生，可以通过设置TCP_NODELAY选项来禁用Nagle算法。
7、其他一些API
带外标记：sockatmark判断sockfd是否处于带外标记，即下一个被读取到的数据是否使带外数据
#include 地址信息函数：getsockname和getpeername分别用于获取本端与对端socket地址
#include 获取主机信息
#include 获取服务信息
#include 上面获取主机的两个函数与获取服务的两个函数都是不可重入的，即非线程安全的。netdb.h里也给出了可重入的版本，在原函数名后面加上_r即可。
getaddrinfo既能通过主机名获取IP地址（内部使用gethostbyname）也能通过服务名获取端口号（内部使用getservbyname），它是否可重入取决于内部调用的版本
#include getnameinfo函数能通过socket地址同时获得以字符串表示的主机名（内部使用gethostbyaddr）和服务名（内部使用getservbyport）,它是否可重入叶取决于内部调用的版本
#include