Linux下SOCKET编程

一、SOCKET编程

1、socket()函数

int  socket(int protofamily, int type, int protocol);//返回sockfd

返回值sockfd是描述符。
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。

• 文件描述符：在linux系统中打开文件就会获得文件描述符，它是个很小的正整数。每个进程在PCB（Process Control Block）中保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，每个表项都有一个指向已打开文件的指针。
• 文件指针：C语言中使用文件指针做为I/O的句柄。文件指针指向进程用户区中的一个被称为FILE结构的数据结构。FILE结构包括一个缓冲区和一个文件描述符。而文件描述符是文件描述符表的一个索引，因此从某种意义上说文件指针就是句柄的句柄（在Windows系统上，文件描述符被称作文件句柄）。

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：

• protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、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(用于TCP)、SOCK_DGRAM（用于UDP）、SOCK_RAW（用于提供原始网络访问）、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。

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。

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。

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 */ 
		};

• 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、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。

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); //返回连接connect_fd

参数sockfd
参数sockfd就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器连接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。
参数addr
这是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，当然这个地址是通过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣，那么可以把这个值设置为NULL。
参数len
如同大家所认为的，它也是结果的参数，用来接受上述addr的结构的大小的，它指明addr结构所占有的字节个数。同样的，它也可以被设置为NULL。
如果accept成功返回，则服务器与客户已经正确建立连接了，此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。
注意：
== accept默认会阻塞进程，直到有一个客户连接建立后返回，它返回的是一个新可用的套接字，这个套接字是连接套接字。==
此时我们需要区分两种套接字：
监听套接字: 监听套接字正如accept的参数sockfd，它是监听套接字，在调用listen函数之后，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字(监听套接字)
连接套接字：一个套接字会从主动连接的套接字变身为一个监听套接字；而accept函数返回的是已连接socket描述字(一个连接套接字)，它代表着一个网络已经存在的点点连接。
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。
自然要问的是：为什么要有两种套接字？原因很简单，如果使用一个描述字的话，那么它的功能太多，使得使用很不直观，同时在内核确实产生了一个这样的新的描述字。
连接套接字socketfd_new 并没有占用新的端口与客户端通信，依然使用的是与监听套接字socketfd一样的端口号

linux下tcp服务器和客户端连接和传输消息的过程
服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

5、read()、write()等函数
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()

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：

	    #include 
	    
       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
 
       #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);
 
       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);
 
       ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
       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)。

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。

TCP/IP连接

首先是服务器程序，监听的是8080端口

/* File Name: server.c */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define DEFAULT_PORT 8080
#define MAXLINE 4096
int main(int argc, char** argv)
{
    int    socket_fd, connect_fd;
    struct sockaddr_in     servaddr;
    char    buff[4096];
    int     n;
    //1、创建socket，获得一个socket_fd 描述符，AF_INET是IPV4，SOCK_STREAM代表使用TCP
    if( (socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){
    printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }
    //2、初始化参数，设置协议、绑定监听的端口号、IP
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;   //IPV4
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//IP地址设置成INADDR_ANY,让系统自动获取本机的IP地址。
    servaddr.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);//设置的端口为DEFAULT_PORT
 
    //3、将本地地址绑定到所创建的套接字上
    if( bind(socket_fd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
    {
    		printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
    		exit(0);
    }
    //4、开始监听是否有客户端连接
    if( listen(socket_fd, 10) == -1){
    printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }
    printf("======waiting for client's request======\n");
    while(1)
    {
			//5、阻塞直到有客户端连接，不然多浪费CPU资源
        if( (connect_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1)
        {
        	 printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);
        	 continue;
    		}
			//6、接受客户端传过来的数据
    		n = recv(connect_fd, buff, MAXLINE, 0);
    		
			//7、向客户端发送回应数据
    		if(!fork()) /*子进程*/
    		{
        	 if(send(connect_fd, "Hello,you are connected!\n", 26,0) == -1)
        	 perror("send error");
       	 close(connect_fd);
        	 exit(0);
    		}
    		buff[n] = '\0';
    		printf("recv msg from client: %s\n", buff);
   		close(connect_fd);
    }
    close(socket_fd);
}

客户端

/* File Name: client.c */ 
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
 
#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char** argv)
{
    int    sockfd, n,rec_len;
    char    recvline[4096], sendline[4096];
    char    buf[MAXLINE];
    struct sockaddr_in    servaddr;
    
    if( argc != 2){
    printf("usage: ./client \n");
    exit(0);
    }
		
	  // 创建socket，SOCK_STREAM代表使用TCP
    if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){
    printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno);
    exit(0);
    }
 	
 	  //初始化将要连接的服务器的端口，协议，服务器的IP（argv[1]）
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(8080);
    if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0)
    {
    		printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]);
    		exit(0);
    }
 	  //连接服务器
    if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
    {
    		printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
    		exit(0);
    }
 
    printf("send msg to server: \n");
    fgets(sendline, 4096, stdin);
    if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)
    {
    		printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
    		exit(0);
    }
    if((rec_len = recv(sockfd, buf, MAXLINE,0)) == -1) 
    {
       perror("recv error");
       exit(1);
    }
    buf[rec_len]  = '\0';
    printf("Received : %s ",buf);
    close(sockfd);
    exit(0);
}

inet_pton 是Linux下IP地址转换函数，可以在将IP地址在“点分十进制”和“整数”之间转换 ，是inet_addr的扩展。

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);//转换字符串到网络地址:

第一个参数af是地址族，转换后存在dst中
af = AF_INET: src为指向字符型的地址，即ASCII的地址的首地址（ddd.ddd.ddd.ddd格式的），函数将该地址转换为in_addr的结构体，并复制在dst中
af =AF_INET6: src为指向IPV6的地址，函数将该地址转换为in6_addr的结构体，并复制在dst中
如果函数出错将返回一个负值，并将errno设置为EAFNOSUPPORT，如果参数af指定的地址族和src格式不对，函数将返回0。

测试：
编译server.c
gcc -o server server.c
启动进程：
./server

编译 client.c
gcc -o client client.c
客户端去连接server：
./client 127.0.0.1

TCP多线程并发服务器请看这片文章：

https://blog.csdn.net/qq_40170041/article/details/125164359?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22125164359%22%2C%22source%22%3A%22qq_40170041%22%7D

UDP

linux下UDP服务器和客户端连接和传输消息的过程
客户端要发起一次请求，仅仅需要两个步骤（socket和sendto），而服务器端也仅仅需要三个步骤即可接收到来自客户端的消息（socket、bind、recvfrom）。
前面讲过了socket函数
bind

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

第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得
第二个参数my_addr:需要绑定的IP和端口
第三个参数addrlen：my_addr的结构体的大小
返回值：成功：0
失败：-1

sendto

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

第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得
第二个参数buf：发送缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有要发送的数据
第三个参数len:发送缓冲区的大小，单位是字节
第四个参数flags:填0即可
第五个参数dest_addr:指向接收数据的主机地址信息的结构体，也就是该参数指定数据要发送到哪个主机哪个进程
第六个参数addrlen:表示第五个参数所指向内容的长度
返回值：成功：返回发送成功的数据长度
失败： -1

recvfrom

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

第一个参数sockfd:正在监听端口的套接口文件描述符，通过socket获得
第二个参数buf：接收缓冲区，往往是使用者定义的数组，该数组装有接收到的数据
第三个参数len:接收缓冲区的大小，单位是字节
第四个参数flags:填0即可
第五个参数src_addr:指向发送数据的主机地址信息的结构体，也就是我们可以从该参数获取到数据是谁发出的
第六个参数addrlen:表示第五个参数所指向内容的长度
返回值：成功：返回接收成功的数据长度
失败： -1

UDP server：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SERVER_PORT 8081
#define BUFF_LEN 1024

void handle_udp_msg(int fd)
{
     char buf[BUFF_LEN];  //接收缓冲区，1024字节
     socklen_t len;
     int count;
     struct sockaddr_in clent_addr;  //clent_addr用于记录发送方的地址信息
     while(1)
     {
         memset(buf, 0, BUFF_LEN);
         len = sizeof(clent_addr);
         count = recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, &len);  //recvfrom是拥塞函数，没有数据就一直拥塞
         if(count == -1)
         {
             printf("recieve data fail!\n");
             return;
         }
         printf("client:%s\n",buf);  //打印client发过来的信息
         memset(buf, 0, BUFF_LEN);
         sprintf(buf, "I have recieved %d bytes data!\n", count);  //回复client
         printf("server:%s\n",buf);  //打印自己发送的信息给
         sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&clent_addr, len);  //发送信息给client，注意使用了clent_addr结构体指针
 
     }
 }
 /*
     server:
             socket-->bind-->recvfrom-->sendto-->close
 */
 int main(int argc, char* argv[])
 {
     int server_fd, ret;
     struct sockaddr_in ser_addr; 
     //1、创建socket，SOCK_DGRAM代表UDP协议
     server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //AF_INET:IPV4;SOCK_DGRAM:UDP
     if(server_fd < 0)
     {
         printf("create socket fail!\n");
         return -1;
     }
 		
 		//初始化UDP服务器需要监听的IP地址和端口号
     memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
     ser_addr.sin_family = AF_INET;
     ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //IP地址，需要进行网络序转换，INADDR_ANY：本地地址
     ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //端口号，需要网络序转换
 		//绑定需要监听的IP和端口号
     ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr, sizeof(ser_addr));
     if(ret < 0)
     {
         printf("socket bind fail!\n");
         return -1;
     }
 
     handle_udp_msg(server_fd);   //处理接收到的数据
 
     close(server_fd);
     return 0;
}

UDP client

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SERVER_PORT 8081
#define BUFF_LEN 512
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
  
void udp_msg_sender(int fd, struct sockaddr* dst)
{
     socklen_t len;
     struct sockaddr_in src;
     while(1)
     {
         char buf[BUFF_LEN] = "TEST UDP MSG!\n";
         len = sizeof(*dst);
         printf("client:%s\n",buf);  //打印自己发送的信息
         sendto(fd, buf, BUFF_LEN, 0, dst, len);
         memset(buf, 0, BUFF_LEN);
         recvfrom(fd, buf, BUFF_LEN, 0, (struct sockaddr*)&src, &len);  //接收来自server的信息
         printf("server:%s\n",buf);
         sleep(1);  //一秒发送一次消息
     }
}
/*
     client:
             socket-->sendto-->revcfrom-->close
*/
int main(int argc, char* argv[])
{
     int client_fd;
     struct sockaddr_in ser_addr;
 
     client_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
     if(client_fd < 0)
     {
         printf("create socket fail!\n");
         return -1;
     }
 
     memset(&ser_addr, 0, sizeof(ser_addr));
     ser_addr.sin_family = AF_INET;
     ser_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
     //ser_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  //注意网络序转换
     ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  //注意网络序转换
     
     udp_msg_sender(client_fd, (struct sockaddr*)&ser_addr);
 
     close(client_fd);
     return 0;
}

gcc udp_server.c -o udpServer
gcc udp_server.c -o udpServer