socket編程的詳細(xì)講解

更新時間：2021年08月18日 11:53:22 作者：楓飛飛

本文詳細(xì)講解了socket編程，它是網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常使用的一門技術(shù)，該文章通過大量的代碼來解釋，大家可以參考參考

socket編程是網(wǎng)絡(luò)常用的編程，我們通過在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建socket關(guān)鍵字來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的通信，通過收集大量的資料，通過這一章節(jié)，充分的了解socket編程，文章用引用了大量大神的分析，加上自己的理解，做個總結(jié)性的文章

1：socket大致介紹

socket編程是一門技術(shù)，它主要是在網(wǎng)絡(luò)通信中經(jīng)常用到

既然是一門技術(shù)，由于現(xiàn)在是面向?qū)ο蟮木幊?，一些計算機(jī)行業(yè)的大神通過抽象的理念，在現(xiàn)實中通過反復(fù)的理論或者實際的推導(dǎo)，提出了抽象的一些通信協(xié)議，基于tcp/ip協(xié)議，提出大致的構(gòu)想，一些泛型的程序大牛在這個協(xié)議的基礎(chǔ)上，將這些抽象化的理念接口化，針對協(xié)議提出的每個理念，專門的編寫制定的接口，與其協(xié)議一一對應(yīng)，形成了現(xiàn)在的socket標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，然后將其接口封裝成可以調(diào)用的接口，供開發(fā)者使用

目前，開發(fā)者開發(fā)出了很多封裝的類來完善socket編程，都是更加方便的實現(xiàn)剛開始socket通信的各個環(huán)節(jié)，所以我們首先必須了解socket的通信原理，只有從本質(zhì)上理解socket的通信，才可能快速方便的理解socket的各個環(huán)節(jié)，才能從底層上真正的把握

2：TCP/IP協(xié)議

要理解socket必須的得理解tcp/ip，它們之間好比送信的線路和驛站的作用，比如要建議送信驛站，必須得了解送信的各個細(xì)節(jié)。

TCP/IP協(xié)議不同于iso的7個分層，它是根據(jù)這7個分層，將其重新劃分，好比打掃衛(wèi)生，本來有掃帚，垃圾斗，抹布，涂料，盆栽等就好比OSI的標(biāo)準(zhǔn)幾個分層，tcp/ip根據(jù)用途和功能，將掃帚，垃圾斗放到粗略整理層，抹布涂料放到中度整理層，盆栽放到最終效果層。這里TCP/IP也對OSI的網(wǎng)絡(luò)模型層進(jìn)行了劃分：大致如下：

OSI模型：

TCP/IP協(xié)議參考模型把所有的TCP/IP系列協(xié)議歸類到四個抽象層中

應(yīng)用層：TFTP，HTTP，SNMP，F(xiàn)TP，SMTP，DNS，Telnet 等等

傳輸層：TCP，UDP

網(wǎng)絡(luò)層：IP，ICMP，OSPF，EIGRP，IGMP

數(shù)據(jù)鏈路層：SLIP，CSLIP，PPP，MTU

每一抽象層建立在低一層提供的服務(wù)上，并且為高一層提供服務(wù)，看起來大概是這樣子的

通過上面的圖形，由于底一層的需要向高一層的提供服務(wù)，我們大致的理解應(yīng)用程序需要傳輸層的tcp和網(wǎng)絡(luò)層的ip協(xié)議提供服務(wù)，但是我們這章要分析的socket它是在tcpip協(xié)議的那一部分呢，就好比，我們的通訊線路已經(jīng)有明確的規(guī)定，我們的驛站要設(shè)計在哪個地方一樣

3：回過頭再來理解socket

到目前為止，大致的了解了應(yīng)用程序和tcpip協(xié)議的大致關(guān)系，我們只是知道socket編程是在tcp/IP上的網(wǎng)絡(luò)編程，但是socket在上述的模型的什么位置呢。這個位置被一個天才的理論家或者是抽象的計算機(jī)大神提出并且安排出來

我們可以發(fā)現(xiàn)socket就在應(yīng)用程序的傳輸層和應(yīng)用層之間，設(shè)計了一個socket抽象層，傳輸層的底一層的服務(wù)提供給socket抽象層，socket抽象層再提供給應(yīng)用層，問題又來了，應(yīng)用層和socket抽象層之間和傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層之間如何通訊的呢，了解這個之前，我們還是回到原點

要想理解socket編程怎么通過socket關(guān)鍵詞實現(xiàn)服務(wù)器和客戶端通訊，必須得實現(xiàn)的了解tcp/ip是怎么通訊的，在這個的基礎(chǔ)上在去理解socket的握手通訊

在tcp/ip協(xié)議中，tcp通過三次握手建立起一個tcp的鏈接，大致如下

第一次握手：客戶端嘗試連接服務(wù)器，向服務(wù)器發(fā)送syn包，syn=j，客戶端進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)等待服務(wù)器確認(rèn)

第二次握手：服務(wù)器接收客戶端syn包并確認(rèn)（ack=j+1），同時向客戶端發(fā)送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時服務(wù)器進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài)

第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN+ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(ack=k+1），此包發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)器進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手

三次握手如下圖：

根據(jù)tcp的三次握手，socket也定義了三次握手，也許是參考tcp的三次握手，一些計算機(jī)大神們畫出了socket的三次握手的模型圖

模型圖如下：

在上面圖的基礎(chǔ)上，如果我們得到上面的圖形，需要我們自己開發(fā)一些接口，來滿足上面的通訊的三次握手，問題就出來了，我們會需要開發(fā)哪些函數(shù)

4：socket的一些接口函數(shù)原理

通過上面的圖，我們清楚，我們好比一些泛型的程序員，一些理論提供者提供給了我們上面的圖形的理論，我們需要做的就是講上面的圖形的抽象化的東西具體化

第一次握手：客戶端需要發(fā)送一個syn j 包，試著去鏈接服務(wù)器端，于是客戶端我們需要提供一個鏈接函數(shù)

第二次握手：服務(wù)器端需要接收客戶端發(fā)送過來的syn J+1 包，然后在發(fā)送ack包，所以我們需要有服務(wù)器端接受處理函數(shù)

第三次握手：客戶端的處理函數(shù)和服務(wù)器端的處理函數(shù)

三次握手只是一個數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，但是，我們傳輸前需要一些準(zhǔn)備工作，比如將創(chuàng)建一個套接字，收集一些計算機(jī)的資源，將一些資源綁定套接字里面，以及接受和發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)等等，這些功能接口在一起構(gòu)成了socket的編程

下面大致的按照客戶端和服務(wù)端將所需的函數(shù)詳細(xì)的列舉出來

上面的兩個圖都概述了socket的通訊原理

5：socket的一個例子，總結(jié)上述的問題

詳細(xì)就不在說明，通過一段代碼詳細(xì)的解釋

客戶端的代碼：

#include <winsock2.h>                
#include <stdio.h>  
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")  
int main()  
{  
    //SOCKET前的一些檢查，檢查協(xié)議庫的版本，為了避免別的版本的socket，并且通過  
    //WSAStartup啟動對應(yīng)的版本，WSAStartup的參數(shù)一個是版本信息，一個是一些詳細(xì)的細(xì)節(jié)，注意高低位  
    //WSAStartup與WSACleanup對應(yīng)  
    int err;  
    WORD versionRequired;  
    WSADATA wsaData;  
    versionRequired=MAKEWORD(1,1);       
    err=WSAStartup(versionRequired,&wsaData);//協(xié)議庫的版本信息  
  
    //通過WSACleanup的返回值來確定socket協(xié)議是否啟動  
    if (!err)  
    {  
        printf("客戶端嵌套字已經(jīng)打開!\n");  
    }  
    else  
    {  
        printf("客戶端的嵌套字打開失敗!\n");  
        return 0;//結(jié)束  
    }  
    //創(chuàng)建socket這個關(guān)鍵詞，這里想一下那個圖形中的socket抽象層  
    //注意socket這個函數(shù)，他三個參數(shù)定義了socket的所處的系統(tǒng)，socket的類型，以及一些其他信息  
    SOCKET clientSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);  
  
    //socket編程中，它定義了一個結(jié)構(gòu)體SOCKADDR_IN來存計算機(jī)的一些信息，像socket的系統(tǒng)，  
    //端口號，ip地址等信息，這里存儲的是服務(wù)器端的計算機(jī)的信息  
    SOCKADDR_IN clientsock_in;  
    clientsock_in.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr("127.0.0.1");  
    clientsock_in.sin_family=AF_INET;  
    clientsock_in.sin_port=htons(6000);  
  
    //前期定義了套接字，定義了服務(wù)器端的計算機(jī)的一些信息存儲在clientsock_in中，  
    //準(zhǔn)備工作完成后，然后開始將這個套接字鏈接到遠(yuǎn)程的計算機(jī)  
    //也就是第一次握手  
  
    connect(clientSocket,(SOCKADDR*)&clientsock_in,sizeof(SOCKADDR));//開始連接  
  
  
    char receiveBuf[100];  
  
    //解釋socket里面的內(nèi)容  
    recv(clientSocket,receiveBuf,101,0);  
    printf("%s\n",receiveBuf);  
  
    //發(fā)送socket數(shù)據(jù)  
    send(clientSocket,"hello,this is client",strlen("hello,this is client")+1,0);  
  
    //關(guān)閉套接字  
    closesocket(clientSocket);  
    //關(guān)閉服務(wù)  
    WSACleanup();  
    return 0;  
}

對應(yīng)服務(wù)端的代碼

#include <winsock2.h>  
#include <stdio.h>  
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")  
int main()  
{  
       //創(chuàng)建套接字，socket前的一些檢查工作，包括服務(wù)的啟動  
       WORD myVersionRequest;  
       WSADATA wsaData;  
       myVersionRequest=MAKEWORD(1,1);  
       int err;  
       err=WSAStartup(myVersionRequest,&wsaData);  
       if (!err)  
       {  
              printf("已打開套接字\n");              
       }  
       else  
       {  
              //進(jìn)一步綁定套接字  
              printf("嵌套字未打開!");  
              return 0;  
       }  
       SOCKET serSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//創(chuàng)建了可識別套接字  
       //需要綁定的參數(shù)，主要是本地的socket的一些信息。  
       SOCKADDR_IN addr;  
       addr.sin_family=AF_INET;  
       addr.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);//ip地址  
       addr.sin_port=htons(6000);//綁定端口  
  
       bind(serSocket,(SOCKADDR*)&addr,sizeof(SOCKADDR));//綁定完成  
       listen(serSocket,5);//其中第二個參數(shù)代表能夠接收的最多的連接數(shù)  
  
       SOCKADDR_IN clientsocket;  
       int len=sizeof(SOCKADDR);  
       while (1)  
       {  
          //第二次握手，通過accept來接受對方的套接字的信息  
              SOCKET serConn=accept(serSocket,(SOCKADDR*)&clientsocket,&len);//如果這里不是accept而是conection的話。。就會不斷的監(jiān)聽  
              char sendBuf[100];  
              sprintf(sendBuf,"welcome %s to bejing",inet_ntoa(clientsocket.sin_addr));//找對對應(yīng)的IP并且將這行字打印到那里  
              //發(fā)送信息  
          send(serConn,sendBuf,strlen(sendBuf)+1,0);  
              char receiveBuf[100];//接收  
              recv(serConn,receiveBuf,strlen(receiveBuf)+1,0);  
              printf("%s\n",receiveBuf);  
              closesocket(serConn);//關(guān)閉  
              WSACleanup();//釋放資源的操作  
       }  
       return 0;  
}

6：上面例子用到的知識點

（摘抄carter大神文章）：

服務(wù)器端：

其過程是首先服務(wù)器方要先啟動，并根據(jù)請求提供相應(yīng)服務(wù)：

（1）打開一通信通道并告知本地主機(jī)，它愿意在某一公認(rèn)地址上的某端口（如FTP的端口可能為21）接收客戶請求；

（2）等待客戶請求到達(dá)該端口；

（3）接收到客戶端的服務(wù)請求時，處理該請求并發(fā)送應(yīng)答信號。接收到并發(fā)服務(wù)請求，要激活一新進(jìn)程來處理這個客戶請求（如UNIX系統(tǒng)中用fork、exec）。新進(jìn)程處理此客戶請求，并不需要對其它請求作出應(yīng)答。服務(wù)完成后，關(guān)閉此新進(jìn)程與客戶的通信鏈路，并終止。

（4）返回第（2）步，等待另一客戶請求。

（5）關(guān)閉服務(wù)器

客戶端：

（1）打開一通信通道，并連接到服務(wù)器所在主機(jī)的特定端口；

（2）向服務(wù)器發(fā)服務(wù)請求報文，等待并接收應(yīng)答；繼續(xù)提出請求......

（3）請求結(jié)束后關(guān)閉通信通道并終止。

從上面所描述過程可知：

（1）客戶與服務(wù)器進(jìn)程的作用是非對稱的，因此代碼不同。

（2）服務(wù)器進(jìn)程一般是先啟動的。只要系統(tǒng)運行，該服務(wù)進(jìn)程一直存在，直到正常或強(qiáng)迫終止。

7：下面就介紹一些API函數(shù)：

（摘抄carter大神文章）：

創(chuàng)建套接字──socket()

應(yīng)用程序在使用套接字前，首先必須擁有一個套接字，系統(tǒng)調(diào)用socket()向應(yīng)用程序提供創(chuàng)建套接字的手段，其調(diào)用格式如下：

SOCKET PASCAL FAR socket(int af, int type, int protocol)

該調(diào)用要接收三個參數(shù)：af、type、protocol。參數(shù)af指定通信發(fā)生的區(qū)域：AF_UNIX、AF_INET、AF_NS等，而DOS、WINDOWS中僅支持AF_INET，它是網(wǎng)際網(wǎng)區(qū)域。因此，地址族與協(xié)議族相同。參數(shù)type 描述要建立的套接字的類型。這里分三種：

（1）一是TCP流式套接字(SOCK_STREAM)提供了一個面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)無差錯、無重復(fù)地發(fā)送，且按發(fā)送順序接收。內(nèi)設(shè)流量控制，避免數(shù)據(jù)流超限；數(shù)據(jù)被看作是字節(jié)流，無長度限制。文件傳送協(xié)議（FTP）即使用流式套接字。

（2）二是數(shù)據(jù)報式套接字(SOCK_DGRAM)提供了一個無連接服務(wù)。數(shù)據(jù)包以獨立包形式被發(fā)送，不提供無錯保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復(fù)，并且接收順序混亂。網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）使用數(shù)據(jù)報式套接字。

（3）三是原始式套接字(SOCK_RAW)該接口允許對較低層協(xié)議，如IP、ICMP直接訪問。常用于檢驗新的協(xié)議實現(xiàn)或訪問現(xiàn)有服務(wù)中配置的新設(shè)備。

參數(shù)protocol說明該套接字使用的特定協(xié)議，如果調(diào)用者不希望特別指定使用的協(xié)議，則置為0，使用默認(rèn)的連接模式。根據(jù)這三個參數(shù)建立一個套接字，并將相應(yīng)的資源分配給它，同時返回一個整型套接字號。因此，socket()系統(tǒng)調(diào)用實際上指定了相關(guān)五元組中的“協(xié)議”這一元。

指定本地地址──bind()

當(dāng)一個套接字用socket()創(chuàng)建后，存在一個名字空間(地址族)，但它沒有被命名。bind()將套接字地址（包括本地主機(jī)地址和本地端口地址）與所創(chuàng)建的套接字號聯(lián)系起來，即將名字賦予套接字，以指定本地半相關(guān)。其調(diào)用格式如下：

int PASCAL FAR bind(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

參數(shù)s是由socket()調(diào)用返回的并且未作連接的套接字描述符(套接字號)。參數(shù)name 是賦給套接字s的本地地址（名字），其長度可變，結(jié)構(gòu)隨通信域的不同而不同。namelen表明了name的長度。如果沒有錯誤發(fā)生，bind()返回0。否則返回SOCKET_ERROR。

建立套接字連接──connect()與accept()

這兩個系統(tǒng)調(diào)用用于完成一個完整相關(guān)的建立，其中connect()用于建立連接。accept()用于使服務(wù)器等待來自某客戶進(jìn)程的實際連接。

connect()的調(diào)用格式如下：

int PASCAL FAR connect(SOCKET s, const struct sockaddr FAR * name, int namelen);

參數(shù)s是欲建立連接的本地套接字描述符。參數(shù)name指出說明對方套接字地址結(jié)構(gòu)的指針。對方套接字地址長度由namelen說明。

如果沒有錯誤發(fā)生，connect()返回0。否則返回值SOCKET_ERROR。在面向連接的協(xié)議中，該調(diào)用導(dǎo)致本地系統(tǒng)和外部系統(tǒng)之間連接實際建立。

由于地址族總被包含在套接字地址結(jié)構(gòu)的前兩個字節(jié)中，并通過socket()調(diào)用與某個協(xié)議族相關(guān)。因此bind()和connect()無須協(xié)議作為參數(shù)。

accept()的調(diào)用格式如下：

SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s, struct sockaddr FAR* addr, int FAR* addrlen);

參數(shù)s為本地套接字描述符，在用做accept()調(diào)用的參數(shù)前應(yīng)該先調(diào)用過listen()。addr 指向客戶方套接字地址結(jié)構(gòu)的指針，用來接收連接實體的地址。addr的確切格式由套接字創(chuàng)建時建立的地址族決定。addrlen 為客戶方套接字地址的長度（字節(jié)數(shù)）。如果沒有錯誤發(fā)生，accept()返回一個SOCKET類型的值，表示接收到的套接字的描述符。否則返回值INVALID_SOCKET。

accept()用于面向連接服務(wù)器。參數(shù)addr和addrlen存放客戶方的地址信息。調(diào)用前，參數(shù)addr 指向一個初始值為空的地址結(jié)構(gòu)，而addrlen 的初始值為0；調(diào)用accept()后，服務(wù)器等待從編號為s的套接字上接受客戶連接請求，而連接請求是由客戶方的connect()調(diào)用發(fā)出的。當(dāng)有連接請求到達(dá)時，accept()調(diào)用將請求連接隊列上的第一個客戶方套接字地址及長度放入addr 和addrlen，并創(chuàng)建一個與s有相同特性的新套接字號。新的套接字可用于處理服務(wù)器并發(fā)請求。

四個套接字系統(tǒng)調(diào)用，socket()、bind()、connect()、accept()，可以完成一個完全五元相關(guān)的建立。socket()指定五元組中的協(xié)議元，它的用法與是否為客戶或服務(wù)器、是否面向連接無關(guān)。bind()指定五元組中的本地二元，即本地主機(jī)地址和端口號，其用法與是否面向連接有關(guān)：在服務(wù)器方，無論是否面向連接，均要調(diào)用bind()，若采用面向連接，則可以不調(diào)用bind()，而通過connect()自動完成。若采用無連接，客戶方必須使用bind()以獲得一個唯一的地址。

監(jiān)聽連接──listen()

此調(diào)用用于面向連接服務(wù)器，表明它愿意接收連接。listen()需在accept()之前調(diào)用，其調(diào)用格式如下：

int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);

參數(shù)s標(biāo)識一個本地已建立、尚未連接的套接字號，服務(wù)器愿意從它上面接收請求。backlog表示請求連接隊列的最大長度，用于限制排隊請求的個數(shù)，目前允許的最大值為5。如果沒有錯誤發(fā)生，listen()返回0。否則它返回SOCKET_ERROR。

listen()在執(zhí)行調(diào)用過程中可為沒有調(diào)用過bind()的套接字s完成所必須的連接，并建立長度為backlog的請求連接隊列。

調(diào)用listen()是服務(wù)器接收一個連接請求的四個步驟中的第三步。它在調(diào)用socket()分配一個流套接字，且調(diào)用bind()給s賦于一個名字之后調(diào)用，而且一定要在accept()之前調(diào)用。

數(shù)據(jù)傳輸──send()與recv()

當(dāng)一個連接建立以后，就可以傳輸數(shù)據(jù)了。常用的系統(tǒng)調(diào)用有send()和recv()。

send()調(diào)用用于s指定的已連接的數(shù)據(jù)報或流套接字上發(fā)送輸出數(shù)據(jù)，格式如下：

int PASCAL FAR send(SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags);

參數(shù)s為已連接的本地套接字描述符。buf 指向存有發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的指針，其長度由len 指定。flags 指定傳輸控制方式，如是否發(fā)送帶外數(shù)據(jù)等。如果沒有錯誤發(fā)生，send()返回總共發(fā)送的字節(jié)數(shù)。否則它返回SOCKET_ERROR。

recv()調(diào)用用于s指定的已連接的數(shù)據(jù)報或流套接字上接收輸入數(shù)據(jù)，格式如下：

int PASCAL FAR recv(SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);

參數(shù)s 為已連接的套接字描述符。buf指向接收輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針，其長度由len 指定。flags 指定傳輸控制方式，如是否接收帶外數(shù)據(jù)等。如果沒有錯誤發(fā)生，recv()返回總共接收的字節(jié)數(shù)。如果連接被關(guān)閉，返回0。否則它返回SOCKET_ERROR。

輸入/輸出多路復(fù)用──select()

select()調(diào)用用來檢測一個或多個套接字的狀態(tài)。對每一個套接字來說，這個調(diào)用可以請求讀、寫或錯誤狀態(tài)方面的信息。請求給定狀態(tài)的套接字集合由一個fd_set結(jié)構(gòu)指示。在返回時，此結(jié)構(gòu)被更新，以反映那些滿足特定條件的套接字的子集，同時， select()調(diào)用返回滿足條件的套接字的數(shù)目，其調(diào)用格式如下：

int PASCAL FAR select(int nfds, fd_set FAR * readfds, fd_set FAR * writefds, fd_set FAR * exceptfds, const struct timeval FAR * timeout);

參數(shù)nfds指明被檢查的套接字描述符的值域，此變量一般被忽略。

參數(shù)readfds指向要做讀檢測的套接字描述符集合的指針，調(diào)用者希望從中讀取數(shù)據(jù)。參數(shù)writefds 指向要做寫檢測的套接字描述符集合的指針。exceptfds指向要檢測是否出錯的套接字描述符集合的指針。timeout指向select()函數(shù)等待的最大時間，如果設(shè)為NULL則為阻塞操作。select()返回包含在fd_set結(jié)構(gòu)中已準(zhǔn)備好的套接字描述符的總數(shù)目，或者是發(fā)生錯誤則返回SOCKET_ERROR。

關(guān)閉套接字──closesocket()

closesocket()關(guān)閉套接字s，并釋放分配給該套接字的資源；如果s涉及一個打開的TCP連接，則該連接被釋放。closesocket()的調(diào)用格式如下：