socket编程

1       关于socket
socket通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。在Internet上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。每种服务都打开一个Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。Socket正如其英文原意那样，象一个多孔插座。一台主机犹如布满各种插座的房间，每个插座有一个编号，有的插座提供220伏交流电， 有的提供110伏交流电，有的则提供有线电视节目。 客户软件将插头插到不同编号的插座，就可以得到不同的服务。

至此，我们对socket进行了直观的描述。抽象出来，socket实质上提供了进程通信的端点。进程通信之前，双方首先必须各自创建一个端点，否则是没有办法建立联系并相互通信的。正如打电话之前，双方必须各自拥有一台电话机一样。在网间网内部，每一个socket用一个半相关描述：

（协议，本地地址，本地端口）

　　一个完整的socket有一个本地唯一的socket号，由操作系统分配。

　　最重要的是，socket 是面向客户/服务器模型而设计的，针对客户和服务器程序提供不同的socket 系统调用。客户随机申请一个socket （相当于一个想打电话的人可以在任何一台入网电话上拨号呼叫），系统为之分配一个socket号；服务器拥有全局公认的 socket ，任何客户都可以向它发出连接请求和信息请求（相当于一个被呼叫的电话拥有一个呼叫方知道的电话号码）。

socket利用客户/服务器模式巧妙地解决了进程之间建立通信连接的问题。服务器socket 半相关为全局所公认非常重要。不妨考虑一下，两个完全随机的用户进程之间如何建立通信？假如通信双方没有任何一方的socket 固定，就好比打电话的双方彼此不知道对方的电话号码，要通话是不可能的。

网络的socket数据传输是一种特殊的I/O，socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用socket()，该函数返 回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该socket实现的。

2       常见socket类型
常用的socket类型有两种：

·流式socket （SOCK_STREAM）。流式是一种面向连接的socket，针对于面向连接的TCP服务应用。

·数据报式socket（SOCK_DGRAM）。数据 报式socket是一种无连接的socket，对应于无连接的UDP服务应用。

3  socket编程
3.1 socket建立
socket为了建立socket连接，程序可以调用socket函数，该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。socket函数原型为：int socket(int domain,int type,int protocol);domain指明所使用的协议族，通常为PF_INET，(其与addrinfo 里的 AF_INET在现在看来是相同的。只是历史上人们曾构想将AF（地址家族address family）与PF(protocol family 协议家族)分开，但实际上这种区分并未真正推广，所以现在AF_INET和PF_INET具有相同的意义。其中AF_INET是基于IPv4而PF_INET基于IPv6）表示互联网协议族（TCP/IP协议族）；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；protocol通常赋值0。socket（）调用返回一个整型socket描述符，你可以在后面的调用使用它。socket描述符是一个指向内部数据结构的指针，它指向描述符表入口。调用socket函数时，socket执行体将建立一个socket，实际上"建立一个socket"意味着为一个socket数据结构分配存储空间。socket执行体为你管理描述符表。两个网络程序之间的一个网络连接包括五种信息：通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。socket数据结构中包含这五种信息。

3.2 socket配置
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。面向连接的socket客户端通过调用connect函数在socket数据结构中保存本地和远端信息。无连接socket的客户端和服务端以及面向连接socket的服务端通过调用 bind函数来配置本地信息。

bind函数将socket与本机上的一个端口相关联，随后你就可以在该端口监听服务请求。bind函数原型为：

int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

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)。

struct sockaddr结构类型是用来保存socket信息的：

struct sockaddr {

unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */

char sa_data[14]; /* 14 字节的协议地址 */

};

sa_family一般为AF_INET，代表Internet（TCP/IP）地址族；sa_data则包含该socket的IP地址和端口号。

另外还有一种结构类型：

struct sockaddr_in {

　　 short int sin_family; /* 地址族 */

　　 unsigned short int sin_port; /* 端口号 */

　　 struct in_addr sin_addr; /* IP地址 */

　　 unsigned char sin_zero[8]; /* 填充0 以保持与struct sockaddr同样大小 */

};

这个结构更方便使用。sin_zero用来将sockaddr_in结构填充到与struct sockaddr同样的长度，可以用bzero()或memset()函数将其置为零。指向sockaddr_in 的指针和指向sockaddr的指针可以相互转换，这意味着如果一个函数所需参数类型是sockaddr时，你可以在函数调用的时候将一个指向 sockaddr_in的指针转换为指向sockaddr的指针；或者相反。

使用bind函数时，可以用下面的赋值实现自动获得本机IP地址和随机获取一个没有被占用的端口号：

my_addr.sin_port = 0; /* 系统随机选择一个未被使用的端口号 */

my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 填入本机IP地址 */

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。同样，通过将my_addr.sin_addr.s_addr置为INADDR_ANY，系统会自动填入本机IP地址。

注意在使用bind函数是需要将sin_port和sin_addr转换成为网络字节优先顺序；而sin_addr则不需要转换。

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。

下面是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

Bind()函数在成功被调用时返回0；出现错误时返回"-1"并将errno置为相应的错误号。需要注意的是，在调用bind函数时一般不要将端口号置为小于1024的值，因为1到1024是保留端口号，你可以选择大于1024中的任何一个没有被占用的端口号。

3.3 连接建立
面向连接的客户程序使用connect函数来配置socket并与远端服务器建立一个TCP连接，其函数原型为：

int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);

Sockfd 是socket函数返回的socket描述符；serv_addr是包含远端主机IP地址和端口号的指针；addrlen是远端地质结构的长度。connect函数在出现错误时返回-1，并且设置errno为相应的错误码。进行客户端程序设计无须调用bind()，因为这种情况下只需知道目的机器 的IP地址，而客户通过哪个端口与服务器建立连接并不需要关心，socket执行体为你的程序自动选择一个未被占用的端口，并通知你的程序数据什么时候到达端口。

connect函数启动和远端主机的直接连接。只有面向连接的客户程序使用socket时才需要将此socket与远端主机相连。无连接协议从不建立直接连接。面向连接的服务器也从不启动一个连接，它只是被动的在协议端口监听客户的请求。

listen函数使socket处于被动的监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程序处理它们。

int listen(int sockfd， int backlog);

sockfd 是socket系统调用返回的socket 描述符；backlog指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待accept()它们（参考下文）。backlog对队列中等待服务的请求的数目进行了限制，大多数系统缺省值为20。如果一个服务请求到来时，输入队列已满，该socket将拒绝连接请求，客户将收到一个出错信息。

当出现错误时listen函数返回-1，并置相应的errno错误码。

accept()函数让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列后，服务器就调用accept函数，然后睡眠并等待客户的连接请求。

int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);

sockfd是被监听的socket描述符，addr通常是一个指向sockaddr_in变量的指针，该变量用来存放提出连接请求服务的主机的信息（某台主机从某个端口发出该请求）；addrten通常为一个指向值为sizeof(struct sockaddr_in)的整型指针变量。出现错误时accept函数返回-1并置相应的errno值。

首先，当accept函数监视的 socket收到连接请求时，socket执行体将建立一个新的socket，执行体将这个新socket和请求连接进程的地址联系起来，收到服务请求的初始socket仍可以继续在以前的 socket上监听，同时可以在新的socket描述符上进行数据传输操作。

3.4 数据传输
send()和recv()这两个函数用于面向连接的socket上进行数据传输。

send()函数原型为：

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）。

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。

char *msg = "Hello!";

int len, bytes_sent;

……

len = strlen(msg);

bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0);

……

recv()函数原型为：

int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);

sockfd是接受数据的socket描述符；buf 是存放接收数据的缓冲区；len是缓冲的长度。Flags也被置为0。recv()返回实际上接收的字节数，当出现错误时，返回-1并置相应的errno值。

sendto()和recvfrom()用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。由于本地socket并没有与远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。

sendto()函数原型为：

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

该函数比send()函数多了两个参数，to表示目地机的IP地址和端口号信息，而tolen常常被赋值为sizeof (struct sockaddr)。Sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。

Recvfrom()函数原型为：

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

from是一个struct sockaddr类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。fromlen常置为sizeof (struct sockaddr)。当recvfrom()返回时，fromlen包含实际存入from中的数据字节数。Recvfrom()函数返回接收到的字节数或 当出现错误时返回-1，并置相应的errno。

如果你对数据报socket调用了connect()函数时，你也可以利用send()和recv()进行数据传输，但该socket仍然是数据报socket，并且利用传输层的UDP服务。但在发送或接收数据报时，内核会自动为之加上目地和源地址信息。

3.5 结束传输
当所有的数据操作结束以后，你可以调用close()函数来释放该socket，从而停止在该socket上的任何数据操作：

close(sockfd);

你也可以调用shutdown()函数来关闭该socket。该函数允许你只停止在某个方向上的数据传输，而一个方向上的数据传输继续进行。如你可以关闭某socket的写操作而允许继续在该socket上接受数据，直至读入所有数据。

int shutdown(int sockfd,int how);

Sockfd是需要关闭的socket的描述符。参数 how允许为shutdown操作选择以下几种方式：

·0-------不允许继续接收数据

·1-------不允许继续发送数据

·2-------不允许继续发送和接收数据，

·均为允许则调用close ()

shutdown在操作成功时返回0，在出现错误时返回-1并置相应errno。