socket编程

套接字概念

数据传输方式

ip地址转换函数

socket常见API

sockaddr数据结构

socket缓冲区以及阻塞模式

LINUX下socket程序的演示

socket编程

套接字概念

Socket本身有“插座”的意思，在Linux环境下，用于表示进程间网络通信的特殊文件类型。本质为内核借助缓冲区形成的伪文件。既然是文件，那么理所当然的，我们可以使用文件描述符引用套接字。与管道类似的，Linux系统将其封装成文件的目的是为了统一接口，使得读写套接字和读写文件的操作一致。区别是管道主要应用于本地进程间通信，而套接字多应用于网络进程间数据的传递。
在TCP/IP协议中，“IP地址+TCP或UDP端口号”唯一标识网络通讯中的一个进程。“IP地址+端口号”就对应一个socket。欲建立连接的两个进程各自有一个socket来标识，那么这两个socket组成的socket pair就唯一标识一个连接。因此可以用Socket来描述网络连接的一对一关系。

套接字通信原理如下图所示：

简单例子

socket 的典型应用就是 Web 服务器和浏览器：浏览器获取用户输入的URL，向服务器发起请求，服务器分析接收到的URL，将对应的网页内容返回给浏览器，浏览器再经过解析和渲染，就将文字、图片、视频等元素呈现给用户。

socket通信属于网络协议哪一层？

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。而我们所说的socket编程指的是利用soket接口来实现自己的业务和协议。
综上所述：Socke接口属于软件抽象层，而socket编程却是标准的应用层开发。

数据传输方式

计算机之间有很多数据传输方式，各有优缺点，常用的有两种：SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM。

1)SOCK_STREAM 表示面向连接的数据传输方式。数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送，但效率相对较慢。常见的 http 协议就使用 SOCK_STREAM 传输数据，因为要确保数据的正确性，否则网页不能正常解析。

2)SOCK_DGRAM 表示无连接的数据传输方式。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。因为 SOCK_DGRAM 所做的校验工作少，所以效率比 SOCK_STREAM 高。

简单例子

QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK_DGRAM 传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响。

ip地址转换函数

只能处理IPv4的ip地址
不可重入函数
注意参数是struct in_addr

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

支持IPv4和IPv6
可重入函数
其中inet_pton和inet_ntop不仅可以转换IPv4的in_addr，还可以转换IPv6的in6_addr。

#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

socket常见API

socket模型流程图

在Linux下创建socket

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
domain:AF_INET 这是大多数用来产生socket的协议，使用TCP或UDP来传输，用IPv4的地址AF_INET6 与上面类似，不过是来用IPv6的地址AF_UNIX 本地协议，使用在Unix和Linux系统上，一般都是当客户端和服务器在同一台及其上的时候使用
type:SOCK_STREAM 这个协议是按照顺序的、可靠的、数据完整的基于字节流的连接。这是一个使用最多的socket类型，这个socket是使用TCP来进行传输。SOCK_DGRAM 这个协议是无连接的、固定长度的传输调用。该协议是不可靠的，使用UDP来进行它的连接。SOCK_SEQPACKET该协议是双线路的、可靠的连接，发送固定长度的数据包进行传输。必须把这个包完整的接受才能进行读取。SOCK_RAW socket类型提供单一的网络访问，这个socket类型使用ICMP公共协议。（ping、traceroute使用该协议）SOCK_RDM 这个类型是很少使用的，在大部分的操作系统上没有实现，它是提供给数据链路层使用，不保证数据包的顺序
protocol:传0 表示使用默认协议。
返回值：成功：返回指向新创建的socket的文件描述符，失败：返回-1，设置errno

绑定端口号

socket() 函数用来创建套接字，确定套接字的各种属性，然后服务器端要用 bind() 函数将套接字与特定的IP地址和端口绑定起来，只有这样，流经该IP地址和端口的数据才能交给套接字处理；而客户端要用 connect() 函数建立连接。

bind()函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
sockfd：socket文件描述符
addr:构造出IP地址加端口号
addrlen:sizeof(addr)长度
返回值：成功返回0，失败返回-1, 设置errno服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的，客户端程序得知服务器程序的地址和端口号后就可以向服务器发起连接，因此服务器需要调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号。
bind()的作用是将参数sockfd和addr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听addr所描述的地址和端口号。前面讲过，struct sockaddr *是一个通用指针类型，addr参数实际上可以接受多种协议的sockaddr结构体，而它们的长度各不相同，所以需要第三个参数addrlen指定结构体的长度。如：
struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(6666);
首先将整个结构体清零，然后设置地址类型为AF_INET，网络地址为INADDR_ANY，这个宏表示本地的任意IP地址，因为服务器可能有多个网卡，每个网卡也可能绑定多个IP地址，这样设置可以在所有的IP地址上监听，直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪个IP地址，端口号为6666。

connect()函数

#include <sys/types.h>                     /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
sockdf:socket文件描述符
addr:传入参数，指定服务器端地址信息，含IP地址和端口号
addrlen:传入参数,传入sizeof(addr)大小
返回值：成功返回0，失败返回-1，设置errno

使用listen()和accpet()函数

对于服务器端程序，使用 bind() 绑定套接字后，还需要使用 listen() 函数让套接字进入被动监听状态，再调用 accept() 函数，就可以随时响应客户端的请求了。

listen()函数

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);
sockfd:socket文件描述符
backlog:排队建立3次握手队列和刚刚建立3次握手队列的链接数和
查看系统默认backlog
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog
典型的服务器程序可以同时服务于多个客户端，当有客户端发起连接时，服务器调用的accept()返回并接受这个连接，如果有大量的客户端发起连接而服务器来不及处理，尚未accept的客户端就处于连接等待状态，listen()声明sockfd处于监听状态，并且最多允许有backlog个客户端处于连接待状态，如果接收到更多的连接请求就忽略。listen()成功返回0，失败返回-1。

所谓被动监听，是指当没有客户端请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到客户端请求时，套接字才会被“唤醒”来响应请求。

请求队列
当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直到缓冲区满。这个缓冲区，就称为请求队列（Request Queue）。

缓冲区的长度（能存放多少个客户端请求）可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定，但究竟为多少并没有什么标准，可以根据你的需求来定，并发量小的话可以是10或者20。

如果将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN，就由系统来决定请求队列长度，这个值一般比较大，可能是几百，或者更多。
当请求队列满时，就不再接收新的请求，对于 Linux，客户端会收到 ECONNREFUSED 错误。

注意：listen() 只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。
accept() 函数

当套接字处于监听状态时，可以通过 accept() 函数来接收客户端请求。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
sockdf:socket文件描述符
addr:传出参数，返回链接客户端地址信息，含IP地址和端口号
addrlen:传入传出参数（值-结果）,传入sizeof(addr)大小，函数返回时返回真正接收到地址结构体的大小
返回值：成功返回一个新的socket文件描述符，用于和客户端通信，失败返回-1，设置errno

它的参数与 listen() 和 connect() 是相同的：sock 为服务器端套接字，addr 为 sockaddr_in 结构体变量，addrlen 为参数 addr 的长度，可由 sizeof() 求得。

accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信，addr 保存了客户端的IP地址和端口号，而 sock 是服务器端的套接字，大家注意区分。后面和客户端通信时，要使用这个新生成的套接字，而不是原来服务器端的套接字。

最后需要说明的是：listen() 只是让套接字进入监听状态，并没有真正接收客户端请求，listen() 后面的代码会继续执行，直到遇到 accept()。accept() 会阻塞程序执行（后面代码不能被执行），直到有新的请求到来。

socket数据的接收和发送

Linux下数据的接收和发送
Linux 不区分套接字文件和普通文件，使用 write() 可以向套接字中写入数据，使用 read() 可以从套接字中读取数据。

前面我们说过，两台计算机之间的通信相当于两个套接字之间的通信，在服务器端用 write() 向套接字写入数据，客户端就能收到，然后再使用 read() 从套接字中读取出来，就完成了一次通信。
write() 的原型为：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);

fd 为要写入的文件的描述符，buf 为要写入的数据的缓冲区地址，nbytes 为要写入的数据的字节数。
write() 函数会将缓冲区 buf 中的 nbytes 个字节写入文件 fd，成功则返回写入的字节数，失败则返回 -1。
read() 的原型为：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

fd 为要读取的文件的描述符，buf 为要接收数据的缓冲区地址，nbytes 为要读取的数据的字节数。

read() 函数会从 fd 文件中读取 nbytes 个字节并保存到缓冲区 buf，成功则返回读取到的字节数（但遇到文件结尾则返回0），失败则返回 -1。

sockaddr数据结构

sockaddr结构的出现

套接字不仅支持跨网络的进程间通信，还支持本地的进程间通信（域间套接字）。在进行跨网络通信时我们需要传递的端口号和IP地址，而本地通信则不需要，因此套接字提供了sockaddr_in结构体和sockaddr_un结构体，其中sockaddr_in结构体是用于跨网络通信的，而sockaddr_un结构体是用于本地通信的。

为了让套接字的网络通信和本地通信能够使用同一套函数接口，于是就出现了sockeaddr结构体，该结构体与sockaddr_in和sockaddr_un的结构都不相同，但这三个结构体头部的16个比特位都是一样的，这个字段叫做协议家族。

此时当我们在传递在传参时，就不用传入sockeaddr_in或sockeaddr_un这样的结构体，而统一传入sockeaddr这样的结构体。在设置参数时就可以通过设置协议家族这个字段，来表明我们是要进行网络通信还是本地通信，在这些API内部就可以提取sockeaddr结构头部的16位进行识别，进而得出我们是要进行网络通信还是本地通信，然后执行对应的操作。此时我们就通过通用sockaddr结构，将套接字网络通信和本地通信的参数类型进行了统一。

注意：实际我们在进行网络通信时，定义的还是sockaddr_in这样的结构体，只不过在传参时需要将该结构体的地址类型进行强转为sockaddr*罢了。

为什么会有这么多本地进程间通信的方式？

本地进程间通信的方式已经有管道、消息队列、共享内存、信号量等方式了，现在在套接字这里又出现了可以用于本地进程间通信的域间套接字，为什么会有这么多通信方式，并且这些通信方式好像并不相关？

实际是因为早期有很多不同的实验室都在研究通信的方式，由于是不同的实验室，因此就出现了很多不同的通信方式，比如常见的有System V标准的通信方式和POSIX标准的通信方式。

IPv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中，IPv4地址用sockaddr_in结构体表示，包括16位地址类型，16位端口号和32位IP地址。
IPv4、IPv6地址类型分别定义为常数AF_INET、AF_INET6。这样，只要取得某种sockaddr结构体的首地址，不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体，就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容。
socket API可以都用struct sockaddr* 类型表示，在使用的时候需要强制转化成sockaddr_in；这样的好处是程序的通用性，可以接收IPv4、IPv6，以及UNIX Domain Socket各种类型的sockaddr结构体指针做为参数。

socket缓冲区以及阻塞模式

socket缓冲区
每个 socket 被创建后，都会分配两个缓冲区，输入缓冲区和输出缓冲区。

write()/send() 并不立即向网络中传输数据，而是先将数据写入缓冲区中，再由TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦将数据写入到缓冲区，函数就可以成功返回，不管它们有没有到达目标机器，也不管它们何时被发送到网络，这些都是TCP协议负责的事情。

TCP协议独立于 write()/send() 函数，数据有可能刚被写入缓冲区就发送到网络，也可能在缓冲区中不断积压，多次写入的数据被一次性发送到网络，这取决于当时的网络情况、当前线程是否空闲等诸多因素，不由程序员控制。

这些I/O缓冲区特性可整理如下：

（1）I/O缓冲区在每个TCP套接字中单独存在；
（2）I/O缓冲区在创建套接字时自动生成；
（3）即使关闭套接字也会继续传送输出缓冲区中遗留的数据；
（4）关闭套接字将丢失输入缓冲区中的数据。

阻塞模式
对于TCP套接字（默认情况下），当使用 write()/send() 发送数据时：

1) 首先会检查缓冲区，如果缓冲区的可用空间长度小于要发送的数据，那么 write()/send() 会被阻塞（暂停执行），直到缓冲区中的数据被发送到目标机器，腾出足够的空间，才唤醒 write()/send() 函数继续写入数据。

2) 如果TCP协议正在向网络发送数据，那么输出缓冲区会被锁定，不允许写入，write()/send() 也会被阻塞，直到数据发送完毕缓冲区解锁，write()/send() 才会被唤醒。

3) 如果要写入的数据大于缓冲区的最大长度，那么将分批写入。

4) 直到所有数据被写入缓冲区 write()/send() 才能返回。

当使用 read()/recv() 读取数据时：

1) 首先会检查缓冲区，如果缓冲区中有数据，那么就读取，否则函数会被阻塞，直到网络上有数据到来。

2) 如果要读取的数据长度小于缓冲区中的数据长度，那么就不能一次性将缓冲区中的所有数据读出，剩余数据将不断积压，直到有 read()/recv() 函数再次读取。

3) 直到读取到数据后 read()/recv() 函数才会返回，否则就一直被阻塞。

这就是TCP套接字的阻塞模式。所谓阻塞，就是上一步动作没有完成，下一步动作将暂停，直到上一步动作完成后才能继续，以保持同步性。

TCP套接字默认情况下是阻塞模式

LINUX下socket程序的演示

和C语言教程一样，我们从一个简单的“Hello World!”程序切入 socket 编程。

演示了 Linux 下的代码，server.cpp 是服务器端代码，client.cpp 是客户端代码，要实现的功能是：客户端从服务器读取一个字符串并打印出来。

服务器端代码 server.c：

客户端代码 client.c:

先编译 server.c 并运行：

正常情况下，程序运行到 accept() 函数就会被阻塞，等待客户端发起请求。
接下来编译 client.c 并运行：

client 运行后，通过 connect() 函数向 server 发起请求，处于监听状态的 server 被激活，执行 accept() 函数，接受客户端的请求，然后执行 write() 函数向 client 传回数据。client 接收到传回的数据后，connect() 就运行结束了，然后使用 read() 将数据读取出来。
需要注意的是：
server 只接受一次 client 请求，当 server 向 client 传回数据后，程序就运行结束了。如果想再次接收到服务器的数据，必须再次运行 server，所以这是一个非常简陋的 socket 程序，不能够一直接受客户端的请求。

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