Linux进程间原生的进程间通信机制只能解决同一个Linux操作系统管辖之下的多个Linux进程间通信，并不能解决处于不同Linux操作系统两个机器之间的进程间通信。 Linux Socket网络进程间通信正是解决此问题的机制。本文就是从宏观的讲解Linux Socket网络进程间通信的基本原理以及基本示例。关于TCP IP协议栈的工作原理，不在本文范围。

第1章 Linux Socket网络进程间通信概述

1.1 概述

进程通信的概念最初来源于单机系统。由于每个进程都在自己的地址范围内运行，为保证两个相互通信的进程之间既互不干扰又协调一致工作，操作系统为进程通信提供了相应的进程间通信的设施，如：

UNIX BSD有：管道（pipe）、命名管道（named pipe）软中断信号（signal）
UNIX system V有：消息（message）、共享存储区（shared memory）和信号量（semaphore)等

他们都仅限于用在本机进程之间通信，详细参看：

[架构之路-60]：目标系统 - 平台软件 - 基础中间件 - Linux进程间通信的主要方式_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客

网间进程通信要解决的是不同主机进程间的相互通信问题（可把同机进程通信看作是其中的特例）， Linux Socket网络进程间通信正是解决此问题的机制。

1.2 基本的网络架构

跨网络进程间通信有两个基本的模型：C/S架构与B/S架构。

（1）基本的C/S（Client/Server）架构

C/S架构的客户端应用进程是客户端应用程序，如QQ, 微信，腾讯视频等等。

应用程序底层的协议是多样的，可以直接基于TCP/IP socket，也可以基于更上层的协议。

（2）基本的B/S (Browser/Server)架构

C/S架构的客户端应用进程是客户端的浏览器，如IE, Firefox等。

应用程序底层的协议为Http或https协议。

1.3 协议栈分层

1.4 网间进程标识的标识问题

进程间通信，首先解决的就是跨进程间的统一标识问题。

（1）同一主机上：

不同进程可用进程号（process ID）唯一标识。
跨进程的通信机制（如队列）可以通过全局性性的key或本地全局文件名唯一标识。

（2）在网络环境下：

进程的识别问题

各主机独立分配的进程号不能唯一标识该进程。例如，主机A赋于某进程号3，在B机中也可以存在3号进程，因此，“3号进程”这句话就没有意义了。

多重协议的识别问题

其次，操作系统支持的网络协议众多，不同协议的工作方式不同，地址格式也不同。因此，网间进程通信还要解决多重协议的识别问题。

（3）TCP/IP协议栈的解决之道

TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题：

主机标识：网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机
协议族标识：TCP/IP协议族、其他协议族等....
协议标识：协议类型：TCP/UDP/SCTP.......
应用程序标识：传输层的"协议族+协议标识+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程），一个主机的一对"协议族+协议标识+端口”，只能绑定一个应用程序。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。

1.5 创建socket与Socket标识

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

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

（1）domain

指明所使用的协议族通常为AF_INET，表示互联网协议族（如TCP/IP协议族）

AF_INET：因特网域，与AF_INET_IPv4等效。
AF_INET_IPv4：因特网域；
AF_INET6_IPv6因特网域；
AF_UNIX：Unix域；
AF_ROUTE路由套接字；
AF_KEY密钥套接字；
AF_UNSPEC：未指定；

（2）type

（3）protocol

（4）返回值：sockfd，进程空间内的socket标识。sockfd是socket标识。

（5）port：端口号，是Linux内核分配给应用程序的标识号，它是本地应用程序的标识。

1.5 AF_INET、AF_UNIX、AF_TIPC区别

（1）AF_UNIX

AF_UNIX用于Linux单机、本地的不同进程间，通过Socket进行通信，此时，传送的数据不需要经过TCP/IP协议栈的编码和解码。只需要借助于Linux内核空间的sk_buffer提供数据的共享与中转即可。

（2）AF_INET

AF_INET用于跨网络，不同的单机上不同进程之间的Socket通信。

使用IP地址作为主机标识，使用IP + domain + type + protocol + port标识全局唯一的应用程序。

（3）AF_TIPC

AF_TIPC不使用IP地址标识主机，也不使用主机名标识主机，而是使用一个全局的类似于Key的方式来标识主机。网络中的应用程序，不直接使用IP地址标识通信端，而是使用标识符来标识。Linux内核会维护一个主机标识到IP地址的映射关系，并把标识符转换成IP地址。

这种方式非常适用于由多个包含独立操作系统的子卡组成的小系统，在这个小系统中的业务类型、子卡的作用都是明确的，但IP地址可能是多变的情形。

第2章 Socket的本质

2.1 socket套接字的进一步解读

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。

Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，通过特殊的文件标识 socket id操作socket，socket对象的基本操作函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）。

说白了，Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。

在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

注意：其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。

在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。

2.2 套接字描述符

其实就是一个整数，我们最熟悉的句柄是0、1、2三个，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误输出。0、1、2是整数表示的，对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr

套接字API最初是作为UNIX操作系统的一部分而开发的，所以套接字API与系统的其他I/O设备集成在一起。特别是，当应用程序要为因特网通信而创建一个套接字（socket）时，操作系统就返回一个小整数作为描述符（descriptor）来标识这个套接字。然后，应用程序以该描述符作为传递参数，通过调用函数来完成某种操作（例如通过网络传送数据或接收输入的数据）。

在许多操作系统中，套接字描述符和其他I/O描述符是集成在一起的，所以应用程序可以对文件进行套接字I/O或I/O读/写操作。

当应用程序要创建一个套接字时，操作系统就返回一个小整数作为描述符，应用程序则使用这个描述符来引用该套接字，需要I/O请求的应用程序请求操作系统打开一个文件。操作系统就创建一个文件描述符提供给应用程序访问文件。从应用程序的角度看，文件描述符是一个整数，应用程序可以用它来读写文件。下图显示，操作系统如何把文件描述符实现为一个指针数组，这些指针指向内部数据结构。

对于每个进程，系统都有一张单独的表。精确地讲，系统为每个运行的进程维护一张单独的文件描述符表。当进程打开一个文件时，系统把一个指向此文件内部数据结构的指针写入文件描述符表，并把该表的索引值返回给调用者。进程内的应用程序只需记住这个描述符，并在以后操作该文件时使用它。操作系统把该描述符作为索引访问进程描述符表，通过指针找到保存该文件所有的信息的数据结构。

套接字fd只适用于进程内，要实现跨网络的进程间通信，还需要一个跨进程的全网唯一的进程标识：IP地址+协议族+协议类型+端口号。

针对套接字的系统数据结构：

1）套接字API里有个函数socket，它就是用来创建一个套接字。

套接字设计的总体思路是，单个系统调用就可以创建任何套接字，因为套接字是相当笼统的。

一旦套接字创建后，应用程序还需要调用其他函数来指定具体细节。

例如调用socket将创建一个新的描述符条目：

2）其他字段

虽然套接字的内部数据结构包含很多字段，但是系统创建套接字后，大多数字字段没有填写。

应用程序创建套接字后在该套接字可以使用之前，必须调用其他的过程来填充这些字段。

2.3 文件描述符和文件指针的区别

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）。

第3章 Linux Socket通信的流程

3.1 通信流程概述

Linux系统中常用的socket网络编程接口有：

socket()、bind()、listen()、accept()、connect()、send()、recv()、close()，

socket()与close()则由服务器与客户端共用
connect()与send()为客户端专用接口
bind()、listen()、accept()及recv()为服务器端专用接口

3.2 socket()

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

domain参数：指明所使用的协议族，通常为AF_INET，表示互联网协议族（TCP/IP协议族）；AF_INET_IPv4：因特网域；AF_INET6_IPv6因特网域；AF_UNIX：Unix域；AF_ROUTE路由套接字；AF_KEY密钥套接字；AF_UNSPEC：未指定；
type参数：指定socket的类型： SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM，Socket接口还定义了原始Socket（SOCK_RAW），允许程序使用低层协议；SOCK_STREAM：流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流:它使用TCP协议，从而保证了数据传输的正确性和顺序性(TCP：可靠的、重传、有连接的，一般用于控制命令)；SOCK_DGRAM：数据报套接字定义了一种无连接的服，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。它使用数据报协议(UDP：不可靠的、无连接，大数据传输，数据可能会丢失)
protocol：通常赋值"0"。 0选择type类型对应的默认协议；IPPROTO_TCP：TCP传输协议；IPPROTO_UDP：UDP传输协议；IPPROTO_SCTP：SCTP传输协议；IPPROTO_TIPC：TIPC传输协议
返回值：Socket()调用返回一个整型socket描述符。

备注：socket创建后，内核并没有为socket分配一个端口号，直到调用bind函数。

3.3 bind()

int bind (int sockfd, const struct sockaddr * addr, socklen_t addrlen);

通过socket调用返回一个socket描述符后，在使用socket进行网络传输以前，必须配置该socket。

bind函数将socket与本地网络接口进行绑定，这样socket就可以通过网络进行收发数据。

sockfd：是调用socket函数返回的socket描述符。
my_addr：是一个指向包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针；
addrlen：常被设置为sizeof(struct sockaddr)

// sockaddr：通用数据结构
struct sockaddr 
    unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */
    char sa_data[14]; /* 14 字节的协议地址，为支持的所有协议族保留了最大的地址空间 */
;


// sockaddr：internet数据结构
struct sockaddr_in 
    sa_family_t sin_family;
    in_port_t sin_port;
    struct in_addr sin_addr;
    unsigned char sin_zero[8];

sin_port：指定socket绑定的端口号，通过将my_addr.sin_port置为0，函数会自动为你选择一个未占用的端口来使用，也可以自己来指定端口号。1--1023 系统保留端口号，用户应用程序一般不能使用。

sin_addr.s_addr：指定socket绑定的IP网络接口，通过将my_addr.sin_addr.s_addr置为INADDR_ANY，表示设备任意的IP网络接口，当发送数据包时，内核根据路由表选择的接口，自动填充发送接口的IP地址。

备注：

在使用bind函数是需要将sin_port和sin_addr转换成为网络字节优先顺序；

计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先和低位字节优先。Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，所以对于在内部是以低位字节优先方式存储数据的机器，在Internet上传输数据时就需要进行转换，否则就会出现数据不一致。下面有几个字节顺序转换函数：

htonl() //把32位值从主机字节序转换成网络字节序
htons() //把16位值从主机字节序转换成网络字节序
ntohl() //把32位值从网络字节序转换成主机字节序
ntohs() //把16位值从网络字节序转换成主机字节序

3.4 listen() //TCP only

int listen(int sockfd, int backlog);

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。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。

sockfd：第一个参数即为要监听的socket描述字。

backlog：第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。

返回：0表示成功，-1表示失败。

为了理解其中的backlog参数，我们必须认识到内核为任何一个给定的监听套接字维护两个队列：

（1）未完成连接队列，每个这样的SYN分节对应其中的一项：已由某个客户发出并到达服务器，而服务器正在等待完成相应的TCP三路握手过程。这些套接字处于SYN_RCVD状态，如上图。

（2）已完成连接队列，每个已完成TCP三路握手过程的客户对应其中一项。这些套接字处于ESTABLISHED状态。

下图描绘了监听套接字的这两个队列：

3.5 connect()

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

sockfd：第一个参数即为客户端的socket描述字，
struct sockaddr *addr：第二参数为服务器的socket地址
addrlen：第三个参数为socket地址的长度。

备注：

该函数对TCP是必须的，对UDP是可选的。

3.6 accept() //TCP only

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd

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，创建一个新socket，用于TCP通信，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。

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，通过这返回值获取客户端的地址，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。

返回：连接connect_fd

3.7 send() //适合connect之后的socket

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

sockfd：是你想用来传输数据的socket描述符；
msg：是一个指向要发送数据的指针；
Len：是以字节为单位的数据的长度；
flags：一般情况下置为0（关于该参数的用法可参照man手册）。
返回：Send()函数返回实际上发送出的字节数，可能会少于你希望发送的数据。在程序中应该将send()的返回值与欲发送的字节数进行比较。当send()返回值与len不匹配时，应该对这种情况进行处理。

备注：

适合connect之后的socket，因此，不需要指明对端的地址信息。