linux之socket编程总结

Posted 2020-08-04 Welljia

前言

       在TCP/IP协议中，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，传输层的“协议和端口”可以唯一标识主机中的进程。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以唯一标识网络的进程，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它程序进行交互。在这之中大部分应用都是通过socket实现的。

socket 

    通常称作“套接字”，用于描述ip地址和端口，是一个通信链的句柄。是使用Uinx文件描述符和其它程序通迅的方式。本质上就是一组接口，使编程简单化。

Internet套接字

流套接字（SOCK_STREAM）：可靠的双向通迅的数据流。无错误传递，有自己的错误控制，使用TCP协议，只能读取此协议数据。
数据报套接字（SOCK_DGRAM）：提供一种无连接的服务。不保证数据传输的可靠性，需自行处理，使用UDP协议，只能读取此协议数据。
原始套接字（SOCK_RAW）：可以读写内核没有处理的ip数据包，如果需要访问其他协议（非TCP/UDP）发送数据必须使用原始套接字。

socket描述符

        本质上就是一个整数，类型：int。当进程要创建套接字时，系统就提供一个小的整数作为描述符来标识这个套接字。然后进程利用该描述符来完成某种操作（如文件的读写）。

socket数据结构

       套接字的内部数据结构包含很多字段，但系统创建后，大多数字段没有填写，需要进行具体配置才能使用。

struct sockaddr {
unsigned short sa_family; /* 地址家族, AF_xxx */
char sa_data[14]; /*14 字节协议地址*/
};

struct sockaddr_in ("in" 代表 "Internet"。)
struct sockaddr_in {
short int sin_family; /* 通信类型 */
unsigned short int sin_port; /* 端口 */
struct in_addr sin_addr; /* Internet 地址 */
unsigned char sin_zero[8]; /* 为了保证结构体struct sockaddr_in的大小和结构体struct sockaddr的大小相等*/
};

struct in_addr {
unsigned long s_addr;
};

        sa_family可以是各种类型，常用的是“AF_INET”。sa_data包含套接字中的目标地址和端口信息。

        struct sockaddr是通用的套接字地址，而struct sockaddr_in则是internet环境下套接字的地址形式，二者长度一样，都是16个字节。二者是并列结构，指向sockaddr_in结构的指针也可以指向sockaddr。
注意 ：sin_zero (它被加入到这个结构，并且长度和 struct sockaddr一样) 应该使用函数 bzero() 或 memset() 来全部置零。 同时，一个指向 sockaddr_in 结构体的指针也可以被指向结构体 sockaddr 并且代替它。这样的话即使 socket() 想要的是 struct sockaddr *，你仍然可以使用 structsockaddr_in，并且在最后转换。

        注意 sin_family 和 struct sockaddr 中的 sa_family 一致并能够设置为 "AF_INET"。最后，sin_port 和 sin_addr 必须是网络字节顺序 sin_family必须是本机字节顺序。因为sin_addr 和 sin_port 分别封装在包的 IP 和 UDP 层。因此，它们必须要 是网络字节顺序。但是sin_family 域只是被内核(kernel) 使用来决定在数 据结构中包含什么类型的地址，所以它必须是本机字节顺序。同时，sin_family 没有发送到网络上，它们可以是本机字节顺序。

        通常的用法是：

int sockfd;
struct sockaddr_in my_addr;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 

my_addr.sin_family = AF_INET; /* 主机字节序 */
my_addr.sin_port = htons(MYPORT); /* short, 网络字节序 */

my_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.0.1");

bzero(&(my_addr.sin_zero), 8); /* zero the rest of the struct */
//memset(&my_addr.sin_zero, 0, 8);

bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr));

网络与本机字节顺序的转换

       主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：

　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

       网络字节序：4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。

htons()--"Host to Network Short" //将short类型的值从主机字节序转换为网络字节序（short两个字节，即16位值）

htonl()--"Host to Network Long" （long四个字节，即32位值）

ntohs()--"Network to Host Short"

ntohl()--"Network to Host Long"

ip地址处理

        inet_addr()：将 IP 地址从 点数格式转换成无符号长整型。

        使用方法：

sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.10");       //将IP地址字符串转换为long类型的网络字节序，发生错误时返回-1。

inet_ntoa();         //将long类型的网络字节序转换成IP地址字符串。

注意，inet_addr()返回的地址已经是网络字节格式，所以你无需再调用函数 htonl()。

使用方法：

printf("%s",inet_ntoa(sockaddr.sin_addr.s_addr));

注意， inet_ntoa()返回的是一个指向一个字符的 指针。它是一个由 inet_ntoa()控制的静态的固定的指针，所以每次调用 inet_ntoa()，它就将覆盖上次调用时所得的 IP 地址。

gethostname()：获取程序所运行的机器的主机名字。

#include <unistd.h>

int gethostname(char *hostname, size_t size);

hostname 是一个字符数组指针，它将在函数返回时保存主机名。size 是 hostname 数组的字节长度。

函数调用成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置 errno。

gethostbyname()：获取机器的ip地址

#include <netdb.h>

struct hostent *gethostbyname(const char *name);

其数据结构如下：

struct hostent {

char *h_name;  - 地址的正式名称。

char **h_aliases;  - 空字节-地址的预备名称的指针。

int h_addrtype;  -地址类型; 通常是 AF_INET。

int h_length; - 地址的比特长度。

char **h_addr_list;  - 零字节-主机网络地址指针。网络字节顺序。

};

#define h_addr h_addr_list[0]  //  - h_addr_list 中的第一地址。

gethostbyname() 成功时返回一个指向结构体 hostent 的指针，或者 是个空 (NULL) 指针。(但是和以前不同，不设置errno，h_errno 设置错误信息而是使用herror()。)

以下为使用例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
struct hostent *h;
if (argc != 2) { /* 检查命令行 */
fprintf(stderr,"usage: getip address\\n");
exit(1);
}
if ((h=gethostbyname(argv[1])) == NULL) { /* 取得地址信息 */
herror("gethostbyname");
exit(1);
}
printf("Host name : %s\\n", h->h_name);
printf("IP Address : %s\\n",inet_ntoa(*((struct in_addr *)h->h_addr))); //h->h_addr 是一个 char *， 但是 inet_ntoa() 需要的是 struct in_addr。故转换h->h_addr 成 struct in_addr *，然后得到数据。
return 0;
}

socket基本函数

socket():

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol); //返回描述符,错误时返回-1

domain：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。

type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。

protocol：指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议。

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

bind():

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen); //在错误的时候返回-1，并且设置全局错误变量 errno。

sockfd 是调用 socket 返回的文件描述符。my_addr 是指向数据结构 struct sockaddr 的指针，它保存你的地址(即端口和IP 地址) 信息。 addrlen 设置为 sizeof(struct sockaddr)。这里有些工作系统会自己处理：

my_addr.sin_port = 0; /* 系统随机选择一个没有使用的端口*/

my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 使用自己的 IP 地址 ，INADDR_ANY实际上为0，不需要转网络字节顺序*/

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。另外，不要采用小于 1024 的端口号。所有小于 1024 的端口号都被系统保留！你可以选择从 1024 到 65535 的端口(如果它们没有被别的程序使用的话)。

listen()、connect():

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。

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog); //在发生错误的时候返回-1，并设置全局错误变量 errno。

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。

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); //在错误的时候返回-1，并 设置全局错误变量 errno。

connect函数的第一个参数是系统调用 socket()返回的套接字文件描述符，第二参数为服务器的socket地址，保存着目的地端口和 IP 地址的数据结构 struct sockaddr，第三个参数为socket地址的长度，通常设置为sizeof(struct sockaddr)。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

accept():

#include <sys/socket.h>

int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen); //在错误时返回-1，并设置全局错误变量 errno。

sockfd是套接字描述符。addr 是指向局部的数据结构 sockaddr_in 的指针。addrlen 是接受addr的结构的大小的，设置为 sizeof(struct sockaddr_in),也可以被设置为NULL。

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。

      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.

      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。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。

数据发送

send() 和 recv()函数：用于流式套接字或者数据报套接字的通讯。

int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags); //返回实际发送的字节数（可能小于想发送的字节数）在错误的时候返回-1，并设置 errno。

sockfd 是你想发送数据的套接字描述符(或者是调用 socket() 或者是 accept() 返回的。)msg 是指向你想发送的数据的指针。len 是数据的长度。 把 flags 设置为 0 就可以了。

int recv(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flags); //返回实际读入缓冲的数据的字节数。或者在错误的时候返回-1， 同时设置 errno。

sockfd 是要读的套接字描述符。buf 是要读的信息的缓冲。len 是缓 冲的最大长度。flags 可以设置为 0。

sendto() 和 recvfrom()函数:用于无连接数据报套接字；

int sendto(int sockfd, const void *msg, int len, unsigned int flags,const struct sockaddr *to, int tolen);

 to 是个指向数据结构 struct sockaddr 的指针，它包含了目的地的 IP 地址和端口信息。tolen 可以简单地设置为sizeof(struct sockaddr)。其余的与send（）一样。

int recvfrom(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flags, struct sockaddr *from, int *fromlen);

from 是一个指向局部数据结构 struct sockaddr 的指针，

它的内容是源机器的 IP 地址和端口信息。fromlen 是个 int 型的局部指针，它的初始值为 sizeof(struct sockaddr)。函数调用返回后，fromlen 保存着实际储存在 from 中的地址的长度。其余的与recv()一样。

close()和 shutdown()：关闭套接字描述符

#include <unistd.h>

int close(int fd);

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。

int shutdown(int sockfd, int how);//成功时返回 0，失败时返回 -1，同时设置 errno。

sockfd 是你想要关闭的套接字文件描述复。how 的值是下面的其中之 一：

0 - 不允许接受

1 - 不允许发送

2 - 不允许发送和接受(和 close() 一样)

阻塞

       阻塞就是在执行设备操作时,若不能获得资源,则进程挂起直到满足可操作条件再进行操作。很多函数都利用阻塞。像accept()，recv() 函数。当第一次调用 socket() 建 立套接字描述符的时候，内核就将它设置为阻塞。如果不想套接字阻塞， 可以调用函数 fcntl()、select()，具体的以后再研究。

Socket编程实例：

       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。当个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)时，如果连接成功，刚客户端与服务器端的连接就建立成功了。接下来就可以进行数据的发送与接收。其流程如下：

socket简单测试程序

服务器代码：

以上是关于linux之socket编程总结的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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