【Linux】SOCKET编程
传统的进程间通信借助内核提供IPC机制进行，但是只能限制于本机通信，若要进行跨机通信，就要使用网络通信。
网络通信的本质是借助内核提供SOCKET伪文件的机制进行通信，实际上是使用了文件描述符，因此需要使用内核提供的socketAPI函数库（在传输层层面进行）。
使用socket会建立一个socket pair，如下图, 一个文件描述符操作两个缓冲区：内核中需要维护两个缓冲区，发送端缓冲区和接收端缓冲区, 这点跟管道是不同的, 管道是两个文件描述符操作一个内核缓冲区。
1.基础知识
主机字节序和网络字节序
主机字节序列分为大端字节序和小端字节序，不同的主机采用的字节序列可能不同。大端字节序是指一个整数的高位字节存储在内存的低地址处，低位字节存储在内存的高地址处。小端字节序则是指整数的高位字节存储在内存的高地址处，而低位字节则存储在内存的低地址处。 在两台使用不同字节序的主机之间传递数据时，可能会出现冲突。所以，在将数据发送到网络时规定整形数据使用大端字节序，所以也把大端字节序成为网络字节序列。对方接收到数据后，可以根据自己的字节序进行转换。
大端:手机、网络 || 小端:电脑
主机字节序列:大端/小端 || 网络字节序列:大端
大小端转换
网络传输用的是大端法，如果机器用的是小端则需要进行大小端转换，Linux 系统提供如下 4 个函数来完成主机字节序和网络字节序之间的转换：
#include 函数名的h表示主机host，n表示网络network，s表示short，l表示long，如果本来不需要转换函数内部就不会转换。
通用socket地址结构
struct sockaddr–存放IP地址，缺点是赋值不方便
struct sockaddr{
sa_family_t sa_family;
char sa_data[14];
}
struct sockaddr_in----sockaddr的升级
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;
}
sa_family 成员是地址族类型（sa_family_t） 的变量。地址族类型通常与协议族类型对应。常见的协议族和对应的地址族如下图所示：
专用socket地址结构
socket 网络编程接口中表示 socket 地址的是结构体 sockaddr，其定义如下：
#include sa_family 成员是地址族类型（sa_family_t） 的变量。地址族类型通常与协议族类型对应。常见的协议族和对应的地址族如下图所示：
专用socket地址结构
TCP/IP 协议族有 sockaddr_in 和 sockaddr_in6 两个专用 socket 地址结构体，它们分别用于 IPV4 和 IPV6：
//sin_family: 地址族 AF_INET
//sin_port: 端口号，需要用网络字节序表示
//sin_addr: IPV4 地址结构： s_addr 以网络字节序表示 IPV4 地址
struct in_addr
{
u_int32_t s_addr;//无符号的32位的整型,存放IP地址;
};
//tcp协议族
struct sockaddr_in
{
sa_family_t sin_family;//地址族,就是sin_family: 地址族 AF_INET
u_int16_t sin_port;//端口,16位的端口
struct in_addr sin_addr;//一个结构体,只有一个成员,是无符号的32位的整型,
存放IP地址;(IPV4的地址就是32位)
//其实后面还有占位的,只是我们不用它,所以就没有写;
};
//tcp协议族就主要有三个:地址族,端口号,IP地址
//IP协议族
struct in6_addr
{
unsigned char sa_addr[16]; // IPV6 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_inet16_t sin6_port; // 端口号：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
u_int32_t sin6_scope_id; // scope ID，尚处于试验阶段
};
IP地址转换函数
通常，人们习惯用点分十进制字符串表示 IPV4 地址，但编程中我们需要先把它们转化为整数方能使用，下面函数可用于点分十进制字符串表示的 IPV4 地址和网络字节序整数表示的 IPV4 地址之间的转换
#include 函数名中p表示点分十进制的字符串形式，to表示到，n表示network
2.socket编程主要API函数(网络编程接口)
2.1socket函数
socket()方法是用来创建一个套接字，有了套接字就可以通过网络进行数据的收发。这也是为什么进行网络通信的程序首先要创建一个套接字。创建套接字时要指定使用的服务类型，使用 TCP 协议选择流式服务（SOCK_STREAM） 。
int socket(int domain, int type,int protocal);
函数描述 创建socket
参数说明
（1）domain–协议版本
AF_INET OPV4 AF_INET6 IPV6 AF_UNIX AF_LOCAL（本地套接字使用）
（2）type–协议类型
SOCK_STREAM–流式，默认使用TCP协议
SOCK_DGRAM–报式，默认使用UDP协议
（3）protocol
一般填0，表示使用对应类型的默认协议
返回值
成功返回一个大于0的监听文件描述符，该文件描述符用于监听客户端连接，失败返回 -1，并设置errno
当调用socket函数以后, 返回一个监听文件描述符, 内核会提供与该文件描述符相对应的读和写缓冲区, 同时还有两个队列, 分别是请求连接队列和已连接队列（前提是在监听队列的时候才会存在）；
因此无法直接操作内核，而是对文件描述符进行操作，如read/write/close等。
2.2bind函数
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
访问服务器需要绑定一个端口，不绑定端口也可以，但每次启动端口所获得的端口号式随机的，对方不知道发送数据的一方，无法对发送方进行访问。
bind()方法是用来指定套接字使用的 IP 地址和端口。 IP 地址就是自己主机的地址，如果主机没有接入网络，测试程序时可以使用回环地址“127.0.0.1”。端口是一个 16位的整形值，一般 0-1024 为知名端口，如 HTTP 使用的 80 号端口。这类端口一般用户不能随便使用。其次， 1024-4096 为保留端口， 用户一般也不使用。 4096 以上为临时端口，用户可以使用。在Linux 上， 1024 以内的端口号，只有 root 用户可以使用。
函数描述 将socket文件描述符和IP、PORT端口号绑定
参数说明
（1）sockfd
调用socket函数返回的文件描述符
（2）addr
本地服务器的IP地址和PORT，存放IP端口
struct sockaddr_in serv;
serv.sin_family = AF_INET;
ser.sin_port = htons(8888);
//serv.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv.sin_addr.s_addr);
（3）addrlen
addr变量占用的内存大小
2.3listen函数
listen()方法是用来创建监听队列。 监听队列有两种，一个是存放未完成三次握手的连接，一种是存放已完成三次握手的连接。 listen()第二个参数就是指定已完成三次握手队列的长度。
int listen(int sockfd,int backlog);
函数描述 服务端调用，将套接字由主动变为被动
参数说明
（1）sockfd
调用socket函数返回的文件描述符
（2）backlog
同时请求连接的最大个数（还未建立连接的客户端端口）,最大为128，该参数意义不大，但不可以为0
返回值
成功返回0，失败返回-1并设置errno
2.4accept函数
accept()处理存放在 listen 创建的已完成三次握手的队列中的连接。每处理一个连接，则accept()返回该连接对应的套接字描述符。如果该队列为空，则 accept 阻塞。
int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t *addrlen);
函数描述 服务端调用，从已连接队列中接受一个连接，并获得一个新的通信文件描述符
accept函数是一个阻塞函数，如果没有新的连接请求，就会一直阻塞
参数说明
（1）sockfd
调用socket函数返回的文件描述符
（2）addr
传出参数，保存客户端的地址信息
（3）addrlen
传入传出参数，addr变量所占内存空间大小
返回值
成功返回一个新的通信文件描述符,用于和客户端通信，失败返回-1, 并设置errno值.
2.5connect函数
connect()方法一般由客户端程序执行，需要指定连接的服务器端的 IP 地址和端口。该方法执行后，会进行三次握手， 建立连接。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7LYv9iKy-1667036779168)(C:\Users\Iric Zhang\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20221029173512027.png)]
int connect(int sockfd, const struct socaddr* addr, socklen_t addrlen);
函数描述
客户端主动调用，连接服务器
参数说明
（1）sockfd
调用socket函数返回的文件描述符
（2）addr
服务端的地址信息
（3）addrlen
addr变量的内存大小
返回值
成功返回0，失败返回-1并设置errno
2.6send、recv、close函数
以上完成之后使用recv/send进行读写，读写数据又是也可以使用read/write，但两者都是配套使用
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
//对应recv和send这两个函数flags直接填0
send()方法用来向 TCP 连接的对端发送数据。 send()执行成功，只能说明将数据成功写入到发送端的发送缓冲区中，并不能说明数据已经发送到了对端。 send()的返回值为实际写入到发送缓冲区中的数据长度。
recv()方法用来接收 TCP 连接的对端发送来的数据。 recv()从本端的接收缓冲区中读取数据，如果接收缓冲区中没有数据，则 recv()方法会阻塞。返回值是实际读到的字节数，如果recv()返回值为 0， 说明对方已经关闭了 TCP 连接。
数据发送并接受完毕之后，使用close()方法用来关闭 TCP 连接。此时，会进行四次挥手。
2.7socketAPI编程流程图
代码测试过程中可以使用netstat进行查看监听状态和连接状态
3.代码实现
3.1服务端开发代码
服务端的开发流程
1.创建socket,返回一个文件描述符sockfd—socket()，该文件描述符用于监听客户端连接；
2.将sockfd和IP端口进行绑定----bind()；
3.将sockfd由主动变为被动监听----listen()；
4.接受一个新的连接,得到一个文件描述符c----accept()，该文件描述符是用于和客户端进行通信；
5.while(1)
{
接收数据—recv()
发送数据—send()
}
6.关闭监听和通信文件描述符----close(sockfd) close©;
#include测试工具：nc
3.2客户端开发代码
客户端开发流程:
1.创建socket, 返回一个文件描述符sockfd—socket()，该文件描述符是用于和服务端通信；
2.连接服务端—connect() ；
3.while(1)
{
//发送数据—send
send写入发送缓冲区，内核负责从发送缓冲区拿出数据，网卡发送数据
//接收数据—recv
};
4.关闭通信描述符close(sockfd);
#include