【linux】系统编程-8-Socket

目录

• 前言
• 11. 套接字
  • 11.1 Socket简介
  • 11.2 socket()
  • 11.3 bind()
  • 11.4 connect()
  • 11.5 listen()
  • 11.6 accept()
  • 11.7 read()
  • 11.8 recv()
  • 11.9 write()
  • 11.10 send()
  • 11.11 sendto()
  • 11.12 close()
  • 11.13 ioctlsocket()
  • 11.14 getsockopt()、setsockopt()
• 参考：

---

前言

原文:https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/14309823.html

11. 套接字

• 前面介绍的管道、信号量、消息队列共享内存等等都是用于单个计算机的进程间通信
• 基于套接字的进程间通信机制，可实现跨主机的进程间通信

11.1 Socket简介

• 套接字（socket）是一种通信机制，凭借这种机制， 客户端<->服务器 模型的通信方式既可以在本地设备上进行，也可以跨网络进行。
• 套接字机制可实现 多客户端到一个服务器。
• 在Socket中，它使用一个套接字来记录网络的一个连接，套接字是一个整数。
• 在网络中，可以对socket进行网络连接、读取数据、发送数据和终止连接等操作。
• 相关头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

• 套接字本身只是用户程序与内核交互信息的枢纽，没有网络协议地址和端口号等信息，所以在使用时需要用bind()绑定一下
• 概念上注意套接字与端口号的区别。套接字可以理解为IP+端口号。
• 个人辅助理解：一个端口号对应一个应用程序，一个应用程序内，理论上可以多个套接字绑定一个端口号，但是大多数系统不允许这么干。 肚脐
• 一个服务器一般只创建一个监听套接字，它在该服务器的生命周期内是一直存在的。同时，服务器也会为每个已连接的客户端创建一个已连接套接字（在accept()连接成功后，内核会自动生成一个全新的套接字）。

11.2 socket()

• socket()函数用于创建一个socket描述符，用于标识唯一一个socket。
• 函数原型：int socket(int domain, int type, int protocol);
  • domain：表示该套接字使用的协议族（对于TCP/IP，一般选择AF_INET就可以了）
    • AF_UNIX, AF_LOCAL： 本地通信
    • AF_INET ： IPv4
    • AF_INET6 ： IPv6
    • AF_IPX ： IPX - Novell 协议
    • AF_NETLINK ： 内核用户界面设备
    • AF_X25 ： ITU-T X.25 / ISO-8208 协议
    • AF_AX25 ： 业余无线电 AX.25 协议
    • AF_ATMPVC ： 访问原始ATM PVC
    • AF_APPLETALK ： AppleTalk
    • AF_PACKET ： 底层数据包接口
    • AF_ALG ： 内核加密API的AF_ALG接口
  • type：服务类型
    • SOCK_STREAM：提供可靠的（即能保证数据正确传送到对方）面向连接的Socket服务，多用于资料（如文件）传输，如TCP协议。
    • SOCK_DGRAM：是提供无保障的面向消息的Socket 服务，主要用于在网络上发广播信息，如UDP协议，提供无连接不可靠的数据报交付服务。
    • SOCK_SEQPACKET：为固定最大长度的数据报提供有序的，可靠的，基于双向连接的数据传输路径。
    • SOCK_RAW：表示原始套接字，它允许应用程序访问网络层的原始数据包，这个套接字用得比较少，暂时可忽略。
    • SOCK_RDM：提供不保证排序的可靠数据报层。
  • protocol：套接字使用的协议。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。
    • 如：当在IPv4，只有TCP协议提供SOCK_STREAM这种可靠的服务，此时，protocol为0即可。
  • 返回
    • 成功：返回一个大于 0 的套接字描述符
    • 失败：返回-1

11.3 bind()

• bind()函数用于将一个 IP 地址或端口号与一个套接字进行绑定，许多时候内核会帮我们自动绑定一个IP地址与端口号，但是也可以手动绑定。
• 函数原型：int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, socklen_t addrlen);
  • sockfd：sockfd是由socket()函数返回的套接字描述符。
  • my_addr：my_addr是一个指向套接字地址结构的指针。
  • addrlen：addrlen指定了以addr所指向的地址结构体的字节长度。
  • 返回：
    • 成功：返回 0
    • 失败：返回-1
• sockaddr结构体：

struct sockaddr {
    sa_family_t     sa_family;
    char             sa_data[14]; // 填入IP、端口号等信息
    };

• 一般不使用 sockaddr 结构体，因为操作不方便，而是使用 sockaddr_in。因为两者占用相同的空间。可以代替。(赋参数时进行强制类型转换即可)
• sockaddr_in结构体：

struct sockaddr_in {
    short int sin_family;               /* 协议族 */
    unsigned short int sin_port;        /* 端口号 */
    struct in_addr sin_addr;            /* IP地址 */
    unsigned char sin_zero[8];          /* sin_zero是为了让sockaddr与sockaddr_in两个数据结构保持大小相同而保留的空字节 */
    };

11.4 connect()

• connect()函数用于客户端，将socket与远端的IP地址、端口号绑定。如在TCP客户端中调用该函数，将会发生握手过程。
• 函数原型：int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • 参数参考 bind() 函数
  • 返回：
    • 成功：返回0
    • 失败：返回-1，错误存在于errno中

11.5 listen()

• listen()函数用于服务器端，使服务器端进入监听状态，等待客户端请求连接。
• 函数原型：int listen(int sockfd, int backlog);
  • sockfd：sockfd是套接字描述符。
  • backlog：表示sockfd的等待连接队列能够达到的最大值。
    • 当多个客户端同时尝试连接本服务器时，内核会在自己的进程空间中维护一个队列来保存这些请求，当队列满时，后面进来的请求，服务器端会将其丢弃，客户端会收到连接失败的错误。

11.6 accept()

• accept()函数用于服务器端，主要是处理来自客户端的连接请求。
• 函数原型：int accept(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
  • 参数参考 bind() 函数
  • 返回：
    • 成功：如果连接成功，会建立一个和参数sockfd相同属性的连接套接字，并为该连接套接字分配一个文件描述符。最终返回一个socket描述符（非负值）。
    • 失败：返回-1
• 当套接字标记为阻塞模式，队列中没有未完成处理的连接请求时，调用 accept() 函数会一直阻塞，直至与远端建立连接。
• 当套接字标记为非阻塞模式，队列中没有未完成处理的连接请求时，调用 accept() 函数会立即返回EAGAIN。

11.7 read()

• 当客户端与服务器端建立好TCP连接之后，我们就可以通过sockfd套接字描述符（已连接套接字描述符，由sccept()产生）来收发数据。
• 接收网络中的数据可以使用read()、recv()、recvfrom()等。
• 函数原型：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • fd：可以是文件描述符，也可以是套接字描述符。在本章节中为套接字描述符。
  • buf：接收数据的缓冲区。
  • count：需要读取的字节数。
  • 返回：
    • 成功：实际读取到的字节数。（情况一：文件剩余字节数小于count，则返回的字节数是小于count的）
    • 失败：返回-1，错误存在于errno中：
      • EINTR：在读取到数据前被信号所中断。
      • EAGAIN：使用 O_NONBLOCK 标志指定了非阻塞式输入输出，但当前没有数据可读。
      • EIO：输入输出错误，可能是正处于后台进程组进程试图读取其控制终端，但读操作无效，或者被信号SIGTTIN所阻塞, 或者其进程组是孤儿进程组，也可能执行的是读磁盘或者磁带机这样的底层输入输出错误。
      • EISDIR：fd 指向一个目录。
      • EBADF：fd 不是一个合法的套接字描述符，或者不是为读操作而打开。
      • EINVAL：fd 所连接的对象不可读。
      • EFAULT：buf 超出用户可访问的地址空间。

11.8 recv()

• recv()函数功能和read()函数功能差不多，客户端和服务器端都可以使用该函数来接收另一端的数据。
• recv()实际上是拷贝数据，接收数据是由协议完成的。recv()函数会先检查套接字的接收缓冲区，若缓冲区中没有数据或正在接收数据，recv()函数会一直等待，直至协议接收数据完毕，recv()才能把缓冲区的数据读走。
• 函数原型：ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
  • sockfd：指定接收端套接字描述符。
  • buf：指定一个接收数据的缓冲区，该缓冲区用来存放recv()函数接收到的数据。
  • len：指定recv()函数拷贝的数据长度。
  • flags：
    • 0：一般置为0即可
    • MSG_OOB：接收以out-of-band送出的数据。
    • MSG_PEEK：保持原有数据，就是说接收到的数据在缓冲区中并不会被删除, 如果再调用recv()函数还会拷贝相同的数据到buf中。
    • MSG_WAITALL：强迫接收到指定len大小的数据后才能返回, 除非有错误或信号产生。
    • MSG_NOSIGNAL：recv()函数不会被SIGPIPE信号中断。
  • 返回：
    • 成功：实际读取到的字节数。
    • 失败：返回-1，错误存在于errno中：
      • EBADF：fd 不是一个合法的套接字描述符，或者不是为读操作而打开。
      • EFAULT：buf 超出用户可访问的地址空间。
      • ENOTSOCK：参数 s 为一文件描述词, 非socket。
      • EINTR：在读取到数据前被信号所中断。
      • EAGAIN：此动作会令进程阻塞, 但参数s的 socket 为不可阻塞。
      • ENOBUFS：buf内存空间不足。
      • ENOMEM：内存不足。
      • EINVAL：传入的参数不正确。

11.9 write()

• write()函数一般用于处于稳定的TCP连接中传输数据。UDP协议也可以使用。
• write()函数在写入数据完成后并不是立即发送的，至于什么时候发送则由TCP/IP协议栈决定。
• 函数原型：ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count);
  • fd：可以是文件描述符，也可以是套接字描述符。在本章节中为套接字描述符。
  • buf：发送数据的缓冲区。
  • count：需要发送字节数。
  • 返回：
    • 成功：返回实际写入的字节数
    • 失败：返回-1，错误存在于errno中
• 注意，网络编程中write()是不负责将全部数据写完之后再返回的，或许中途就返回了。若想保证数据全部写入，必须循环运行write()函数，可自行封装。代码如下：（copy野火）

/* Write "n" bytes to a descriptor. */
ssize_t writen(int fd, const void *vptr, size_t n)
{
    size_t      nleft;      //剩余要写的字节数
    ssize_t     nwritten;   //已经写的字节数
    const char  *ptr;       //write的缓冲区

    ptr = vptr;             //把传参进来的write要写的缓冲区备份一份
    nleft = n;              //还剩余需要写的字节数初始化为总共需要写的字节数

    //检查传参进来的需要写的字节数的有效性
    while (nleft > 0) {
        if ( (nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) { //把ptr写入fd
            if (nwritten < 0 && errno == EINTR) //当write返回值小于0且因为是被信号打断
                nwritten = 0;       /* and call write() again */
            else
                return(-1);         /* error 其他小于0的情况为错误*/
        }

        nleft -= nwritten;          //还剩余需要写的字节数=现在还剩余需要写的字节数-这次已经写的字节数
        ptr += nwritten;          //下次开始写的缓冲区位置=缓冲区现在的位置右移已经写了的字节数大小
    }
    return(n); //返回已经写了的字节数
}

11.10 send()

• 无论是客户端还是服务器应用程序都可以用write()函数来向TCP连接的另一端发送数据。
• 当使用send()发送数据时，send()会先比较需要发送的长度len和套接字sockfd的发送缓冲区长度，若len大，则返回SOCKET_ERROR。若len小于等于，send()函数会先检查协议是否正在发送套接字sockfd的发送缓冲区的数据，如果是，就等待发送完毕，如果还没有开始发送，则send()函数会继续比较len和发送缓冲区中剩余空间长度，若len大，则等待发送缓冲区发送完毕，若len小于等于，则把数据copy到发送缓冲区。
• copy成功后，send()函数就马上返回，但是不一定马上发送，什么时候发送取决于TCP/IP协议。
• 函数原型：int send(int sockfd, const void *msg, size_t len, int flags);
  • sockfd：指定发送端套接字描述符。
  • msg：指定要发送数据的缓冲区。
  • len：指定recv()函数拷贝的数据长度。
  • flags：一般为0即可。
  • 返回：
    • 成功：返回实际copy的字节数
    • 失败：返回SOCKET_ERROR

11.11 sendto()

• sendto()函数与send()函数相似，但是它会通过 struct sockaddr 指向的 to 结构体指定要发送给哪个远端主机，在to参数中需要指定远端主机的IP地址、端口号等，而tolen参数则是指定to 结构体的字节长度。
• sendto()适用于已连接的数据报或流式套接口发送数据。
• 函数原型：int sendto(int s, const void *msg, size_t len, int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen);
  • s：一个标识套接口的描述字。
  • buf：包含待发送数据的缓冲区。
  • len：buf缓冲区中数据的长度。
  • flags：调用方式标志位。
  • to：（可选）指针，指向目的套接口的地址。
  • tolen：to所指地址的长度。

11.12 close()

• close()函数是用于关闭一个指定的套接字。
• 函数原型：int close(int fd);

11.13 ioctlsocket()

• ioctlsocket()函数用于获取与设置套接字相关的操作参数。
• 函数原型int ioctlsocket( int s, long cmd, u_long *argp);
  • s：指定要操作的套接字描述符。
  • cmd：对套接字s的操作命令。
    • FIONBIO：允许或禁止套接口s的非阻塞模式。
    • FIONREAD：确定套接口s自动读入的数据量。argp指向一个无符号长整型，其中存有ioctlsocket()的返回值。
    • SIOCATMARK：确实是否所有的带外数据都已被读入。
  • argp：指向cmd命令所带参数的指针。argp指向一个无符号长整型。如允许非阻塞模式则非零，如禁止非阻塞模式则为零。
  • 返回：
    • 成功：ioctlsocket()返回0。
    • 失败：返回SOCKET_ERROR错误，应用程序可通过WSAGetLastError()获取相应错误代码：
      • WSANOTINITIALISED：在使用此API之前应首先成功地调用WSAStartup()。 　　
      • WSAENETDOWN：WINDOWS套接口实现检测到网络子系统失效。 　　
      • WSAEINVAL：cmd为非法命令，或者argp所指参数不适用于该cmd命令，或者该命令不适用于此种类型的套接口。
      • WSAEINPROGRESS：一个阻塞的WINDOWS套接口调用正在运行中。 　　
      • WSAENOTSOCK：描述字不是一个套接口。

11.14 getsockopt()、setsockopt()

• getsockopt()、setsockopt()分别是获取和设置套接字。
• 函数原型：
  • int getsockopt(int sockfd, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);
  • int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,const void *optval, socklen_t optlen);
    • sockfd：指定要操作的套接字描述符。
    • level：
      • SOL_SOCKET：表示在Socket层。
      • IPPROTO_TCP：表示在TCP层。
      • IPPROTO_IP： 表示在IP层。
    • optname：该层的具体选项，如：
      • 对于SOL_SOCKET选项
        • SO_REUSEADDR（允许重用本地地址和端口）
        • SO_SNDTIMEO（设置发送数据超时时间）
        • SO_SNDTIMEO（设置接收数据超时时间）
        • SO_RCVBUF（设置发送数据缓冲区大小）等等。
      • 对于IPPROTO_TCP选项
        • TCP_NODELAY（不使用Nagle算法）
        • TCP_KEEPALIVE（设置TCP保活时间）等等。
      • 对于IPPROTO_IP选项
        • IP_TTL（设置生存时间）
        • IP_TOS（设置服务类型）等等。

参考：

* 野火