Linux高性能服务器编程——ch5笔记

第5章 Linux网络编程基础API

5.1 socket地址API

主机字节序（小端字节序）：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。
网络字节序（大端字节序）：相反。

void byteorder()
{
    union{
        short value;
        char union_bytes[sizeof(short)];
    }test;

    test.value = 0x0102;

    if ((test.union_bytes[0] == 1) && (test.union_bytes[1] == 2)) {
        printf("big endian\n");
    } else if ((test.union_bytes[0] == 2) && (test.union_bytes[1] == 1)) {
        printf("little endian\n");
    } else {
        printf("unknown...\n");
    }
}

主机字节序和网络字节序之间的转换：发送端总是把要发送的数据转化成大端字节序数据后发送。（函数：htonl、htons、ntohl、ntohs）host to network long(short)

#include 
//是内存对齐的
struct sockaddr_storage
{
	sa_family_t sa_family;  //地址族类型的变量
	unsigned long int __ss_align;  //内存对齐
	char __ss_padding[128-sizeof(__ss_align)];  //socket地址值
}

#include 
struct sockaddr_un
{
	sa_family_t sin_family;  //地址族：AF_UNIX
    char sun_path[108];  //文件路径名
};

struct sockaddr_in
{
	sa_family_t sin_family;  //地址族：AF_INET
	u_int16_t sin_port;  //端口号，网络字节序
    struct in_addr sin_addr;  //IPv4地址结构体
};
struct in_addr
{
	u_int32_t s_addr;  //IPv4地址，网路字节序
};

struct sockaddr_in6
{
	sa_family_t sin6_family;  //地址族：AF_INET6
	u_int16_t sin6_port;  //端口号，网络字节序
	u_int32_t sin6_flowinfo;  //流信息，设置为0
    struct in6_addr sin6_addr;  //IPv6地址结构体
	u_int32_t sin6_scope_id;  //scope ID
};
struct in6_addr
{
	unsigned char sa_addr[16];  //IPv6地址，网路字节序
};

函数：inet_addr（点分十进制v4地址转化为网络字节序整数表示的v4地址）、inet_aton（与上一个一样，但结果转储在参数inp指向的地址中）、inet_ntoa（网络字节序表示的v4转化为点分十进制，不可重入）、inet_pton（适用v4和v6，网络字节序转储在参数dst指向的内存中）、inet_ntop（适用v4和v6，相反）

5.2 创建socket

socket就是可读、可写、可控制、可关闭的文件描述符（int）。

#include 
#include 
int socket(int domain, int type, int protocol);
/*
** domain:底层协议族
** type:服务类型，SOCK_STREAM（TCP流服务）、SOCK_UGRAM（UDP数据报服务）
** protocol:0，表示默认协议
*/

5.3 命名socket

命名：将一个socket与socket地址绑定。bind函数。
服务器中需要，客户端不需要，而是采用匿名，即使用OS自动分配的socket地址。

5.4 监听socket

listen函数：创建一个监听队列以存放待处理的客户连接。客户端被动连接。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

static bool stop = false;

/* SIGTERM信号的处理函数，触发时结束主程序中的循环 */
static void handle_term(int sig)
{
    stop = true;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    signal(SIGTERM, handle_term);

    if (argc < 4) {
        printf("usage: %s ip_address port_number backlog\n",
                basename(argv[0]));

        return 1;
    }

    const char *ip = argv[1];  //IP地址
    int port = atoi(argv[2]);  //端口号
    int backlog = atoi(argv[3]);  //backlog值，内核监听队列的最大长度

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock >= 0);

    /* 创建一个IPv4 socket地址 */
    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(sock, backlog);
    assert(ret != -1);

    /* 循环等待连接， 查到有SIGTERM信号将它中断 */
    while(!stop)
    {
        sleep(1);
    }

    /* 关闭socket */
    close(sock);

    return 0;
}

监听队列中完整连接的上限通常比 backlog 值略大。

5.5 接受连接

accept函数。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc < 2){
        printf("usage: %s ip_address port_number!\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock >= 0);

    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(sock, 5);
    assert(ret != -1);

    /* 暂停20秒以等待客户端连接和相关操作(掉线或者退出)完成 */
    sleep(20);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);
    int connfd = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &client_addrlength);
    if (connfd < 0) {
        printf("errno is: %d\n", errno);
    } else {
        /* 接受连接成功则打印客户端的IP地址和端口号 */
        char remote[INET_ADDRSTRLEN];
        printf("connected with ip: %s and port: %d\n", inet_ntop(AF_INET,
                    &client.sin_addr, remote, INET_ADDRSTRLEN), ntohs(client.sin_port));
        close(connfd);
    }

    close(sock);

    return 0;
}

accept只是从监听队列中取出连接，而不论连接处于何种状态 (如上面的ESTABLISHED 状态和 CLOSE_WAIT 状态），更不关心任何网络状况的变化。

5.6 发起连接

客户端通过connect函数主动与服务器建立连接。

5.7 关闭连接

关闭该连接对应的socket。
close函数：将参数fd的引用计数减1，为0才是真正关闭。多进程程序中，一次fork默认使父进程中打开的socket的引用计数加1。读写同时关闭。
shutdown函数：分别关闭socket上的读或写，或者都关闭。

5.8 数据读写

TCP数据读写：recv（可能要多次调用才能读取完整数据）、send（写入数据）

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc <= 2) {
        printf("usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    struct sockaddr_in server_address;
    bzero(&server_address, sizeof(server_address));
    server_address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &server_address.sin_addr);
    server_address.sin_port = htons(port);

    int sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sockfd >= 0);

    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_address,
                sizeof(server_address)) > 0) {
        printf("connection failed\n");
    } else {
        const char *oob_data = "abc";
        const char *normal_data = "123";
        send(sockfd, normal_data, strlen(normal_data), 0);
        send(sockfd, oob_data, strlen(oob_data), MSG_OOB);  //flags=MSG_OOB 带外数据
        send(sockfd, normal_data, strlen(normal_data), 0);

    }

    close(sockfd);

    return 0;
}

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc <= 2) {
        printf("usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock);

    int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(sock, 5);
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);
    int connfd = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &client_addrlength);
    if (connfd < 0) {
        printf("errno is : %d\n", errno);
    } else {
        char buffer[BUF_SIZE];

        memset(buffer, '\0', BUF_SIZE);
        ret = recv(connfd, buffer, BUF_SIZE - 1, 0);
        printf("got %d bytes of normal data '%s'\n", ret, buffer);

        memset(buffer, '\0', BUF_SIZE);
        ret = recv(connfd, buffer, BUF_SIZE - 1, MSG_OOB);  //flags=MSG_OOB 带外数据
        printf("got %d bytes of oob data '%s'\n", ret, buffer);

        memset(buffer, '\0', BUF_SIZE);
        ret = recv(connfd, buffer, BUF_SIZE - 1, 0);
        printf("got %d bytes of normal data '%s'\n", ret, buffer);

        memset(buffer, '\0', BUF_SIZE);
        ret = recv(connfd, buffer, BUF_SIZE - 1, 0);
        printf("got %d bytes of normal data '%s'\n", ret, buffer);

        close(connfd);
    }

    close(sock);

    return 0;
}

UDP数据读写：recvfrom（UDP通信没有连接的概念，每次读取数据都要获取发送端的socket地址）、sendto（写入数据）。
通用数据读写函数：recvmsg（数据将被读取并存放在msg_iovlen块分散的内存，称为分散读）、sendmsg（msg_iovlen块分散内存中的数据将被一并发送，称为集中写）。

5.9 带外标记

内核检测到TCP紧急标志，然后通知应用程序带外数据到达的两种常见方式是：I/O复用产生的异常事件和SIGURG信号。应用程序通过sockatmark函数得到带外数据在数据流中的具体位置。

5.10 地址信息函数

getsockname：获取sockfd对应的本端socket地址，存储与参数指定的内存中。
getpeername：获取远端socket地址。

5.11 socket选项

读取和设置socket文件描述符属性：getsockopt、setsockopt。
对服务器而言，部分socket选项（在TCP同步报文段中设置）只能在调用listen（listen监听队列中的连接至少是SYN_RCVD状态，三次握手前两步至少已经完成，同步报文段已发出）之前设置才有效。
对客户端而言，部分socket选项应该在connect之前设置。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc <= 2) {
        printf("usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock);
    int reuse = 1;
    //即使 sock 处于 TIME_WAIT 状态，与之绑定的 socket 地址也可以立即被重用
    setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(sock, 5);
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);
    int connfd = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &client_addrlength);
    if (connfd < 0) {
        printf("errno is %d\n", errno);
    } else {
        char remote[INET_ADDRSTRLEN];
        printf("connected with ip: %s and port: %d\n",
                inet_ntop(AF_INET, &client.sin_addr, remote, INET_ADDRSTRLEN), ntohs(client.sin_port));
        close(connfd);
    }

    close(sock);
    return 0;
}

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUFFER_SIZE 512

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc <= 2) {
        printf("usage: %s ip_address port_number send_buffer_size\n",
                basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    struct sockaddr_in server_address;
    bzero(&server_address, sizeof(server_address));
    server_address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &server_address.sin_addr);
    server_address.sin_port = htons(port);

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock >= 0);

    int sendbuf = atoi(argv[3]);
    int len = sizeof(sendbuf);

    /* 先设置TCP发送缓冲区的大小，然后立即读取之 */
    setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &sendbuf, sizeof(sendbuf));
    getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &sendbuf, (socklen_t *)&len);
    printf("the tcp send buffer size after setting is %d\n", sendbuf);

    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);
    }

    close(sock);

    return 0;
}

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUFFER_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc <= 2) {
        printf("usage: %s ip_address port_number recv_buffer_size\n",
                basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char *ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sock >- 0);

    int recvbuf = atoi(argv[3]);
    int len = sizeof(recvbuf);

    /* 先设置TCP接受缓冲区的大小，然后立即读取之 */
    setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &recvbuf, sizeof(recvbuf));
    getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &recvbuf, (socklen_t *)&len);
    printf("the tcp receive buffer size after setting is %d\n", recvbuf);

    int ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(sock, 5);
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);
    int connfd = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &client_addrlength);
    if (connfd < 0) {
        printf("errno is %d\n", errno);
    } else {
        char buffer[BUFFER_SIZE];
        memset(buffer, '\0', BUFFER_SIZE);
        while(recv(connfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0) > 0) {}
        close(connfd);
    }

    close(sock);

    return 0;
}

setsockopt设置缓冲区大小时，系统会将其值加倍，且TCP接收缓冲区最小值为256字节，发送缓冲区最小值为2048字节。
SO_RCVLOWAT 和 SO_SNDLOWAT 选项分别表示TCP接收缓冲区和发送缓冲区的低水位标记。它们一般被I/O复用系统调用，来判断socket是否可读或可写。默认1字节。
SO_LINGER 选项用于控制 close 系统调用在关闭TCP连接时的行为。默认情况下，当我们使用 close 来关闭一个socket时，close 将立即返回，TCP模块负责把该 socket对应的TCP发送缓冲区中残留的数据发送给对方。

5.12 网络信息API

socket地址由IP地址和端口号组成，不便于扩展，可以用主机名代替IP地址，用服务名称代替端口号。
gethostbyname：根据主机名称获取主机完整信息。
gethostbyaddr：根据IP地址获取主机完整信息。
getservbyname：根据名称获取某个服务的完整信息。
getservbyport：根据端口号获取某个服务的完整信息。
四个函数均不可重入，即非线程安全。尾部加_r是可重入版本。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[])
{
    assert(argc == 2);
    char *host = argv[1];

    /* 获取目标主机地址信息 */
    struct hostent *hostinfo = gethostbyname(host);
    assert(hostinfo);

    /* 获取daytime服务信息 */
    struct servent *servinfo = getservbyname("daytime", "tcp");
    assert(servinfo);
    printf("daytime port is :%d\n", ntohs(servinfo->s_port));

    struct sockaddr_in address;
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_port = servinfo->s_port;
    /* 注意下面的代码，因为h_addr_list本身使用网络字节序的地址列表，所以使用其中的IP
     * 地址时，无需对目标IP地址转换字节序 */
    address.sin_addr = *(struct in_addr *)*hostinfo->h_addr_list;

    int sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    int result = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    assert(result != -1);

    char buffer[128];
    result = read(sockfd, buffer, sizeof(buffer));
    assert(result > 0);
    buffer[result] = '\0';
    printf("the day time is : %s\n", buffer);

    close(sockfd);

    return 0;
}

getaddrinfo：通过主机名获得IP地址（内部使用的是 gethostbyname 函数），也能通过服务名获得端口号（内部使用的是 getservbyname 函数)。它是否可重人取决于其内部调用的函数是否是它们的可重入版本。将隐式地分配堆内存，因为参数result指针（struct addrinfo*类型，指向链表，存储结果）原本是没有指向一块合法内存的，调用结束后，必须使用 freeaddrinfo 函数来释放这块内存。
getnameinfo：通过socket地址同时获得以字符串表示的主机名（内部使用的是gethostbyaddr 函数）和服务名（内部使用的是 getservbyport 函数），它是否可重入取决于其内部函数是否是它们的可重入版本。