我們深諳信息交流的價值，那網(wǎng)絡(luò)中進程之間如何通信，如我們每天打開瀏覽器瀏覽網(wǎng)頁時，瀏覽器的進程怎么與web服務(wù)器通信的？當(dāng)你用QQ聊天時，QQ進程怎么與服務(wù)器或你好友所在的QQ進程通信？這些都得靠socket？那什么是socket？socket的類型有哪些？還有socket的基本函數(shù)，這些都是本文想介紹的。本文的主要內(nèi)容如下：

1、網(wǎng)絡(luò)中進程之間如何通信？

本地的進程間通信（IPC）有很多種方式，但可以總結(jié)為下面4類：

• 消息傳遞（管道、FIFO、消息隊列）
• 同步（互斥量、條件變量、讀寫鎖、文件和寫記錄鎖、信號量）
• 共享內(nèi)存（匿名的和具名的）
• 遠(yuǎn)程過程調(diào)用（Solaris門和Sun RPC）

但這些都不是本文的主題！我們要討論的是網(wǎng)絡(luò)中進程之間如何通信？首要解決的問題是如何唯一標(biāo)識一個進程，否則通信無從談起！在本地可以通過進程PID來唯一標(biāo)識一個進程，但是在網(wǎng)絡(luò)中這是行不通的。其實TCP/IP協(xié)議族已經(jīng)幫我們解決了這個問題，網(wǎng)絡(luò)層的“ip地址”可以唯一標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的主機，而傳輸層的“協(xié)議+端口”可以唯一標(biāo)識主機中的應(yīng)用程序（進程）。這樣利用三元組（ip地址，協(xié)議，端口）就可以標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)的進程了，網(wǎng)絡(luò)中的進程通信就可以利用這個標(biāo)志與其它進程進行交互。

使用TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用程序通常采用應(yīng)用編程接口：UNIX  BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經(jīng)被淘汰），來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進程之間的通信。就目前而言，幾乎所有的應(yīng)用程序都是采用socket，而現(xiàn)在又是網(wǎng)絡(luò)時代，網(wǎng)絡(luò)中進程通信是無處不在，這就是我為什么說“一切皆socket”。

2、什么是Socket？

上面我們已經(jīng)知道網(wǎng)絡(luò)中的進程是通過socket來通信的，那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲學(xué)之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關(guān)閉close”模式來操作。我的理解就是Socket就是該模式的一個實現(xiàn)，socket即是一種特殊的文件，一些socket函數(shù)就是對其進行的操作（讀/寫IO、打開、關(guān)閉），這些函數(shù)我們在后面進行介紹。

socket一詞的起源

在組網(wǎng)領(lǐng)域的首次使用是在1970年2月12日發(fā)布的文獻(xiàn)IETF RFC33中發(fā)現(xiàn)的，撰寫者為Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根據(jù)美國計算機歷史博物館的記載，Croker寫道：“命名空間的元素都可稱為套接字接口。一個套接字接口構(gòu)成一個連接的一端，而一個連接可完全由一對套接字接口規(guī)定?！庇嬎銠C歷史博物館補充道：“這比BSD的套接字接口定義早了大約12年?！?/p>

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實現(xiàn)，那么socket就提供了這些操作對應(yīng)的函數(shù)接口。下面以TCP為例，介紹幾個基本的socket接口函數(shù)。

3.1、socket()函數(shù)

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函數(shù)對應(yīng)于普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個文件描述字，而socket()用于創(chuàng)建一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標(biāo)識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字一樣，后續(xù)的操作都有用到它，把它作為參數(shù)，通過它來進行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同參數(shù)值，以打開不同的文件。創(chuàng)建socket的時候，也可以指定不同的參數(shù)創(chuàng)建不同的socket描述符，socket函數(shù)的三個參數(shù)分別為：

• domain：即協(xié)議域，又稱為協(xié)議族（family）。常用的協(xié)議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協(xié)議族決定了socket的地址類型，在通信中必須采用對應(yīng)的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作為地址。
• type：指定socket類型。常用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的類型有哪些？）。
• protocol：故名思意，就是指定協(xié)議。常用的協(xié)議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應(yīng)TCP傳輸協(xié)議、UDP傳輸協(xié)議、STCP傳輸協(xié)議、TIPC傳輸協(xié)議（這個協(xié)議我將會單獨開篇討論！）。

注意：并不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當(dāng)protocol為0時，會自動選擇type類型對應(yīng)的默認(rèn)協(xié)議。

當(dāng)我們調(diào)用socket創(chuàng)建一個socket時，返回的socket描述字它存在于協(xié)議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址，就必須調(diào)用bind()函數(shù)，否則就當(dāng)調(diào)用connect()、listen()時系統(tǒng)會自動隨機分配一個端口。

3.2、bind()函數(shù)

正如上面所說bind()函數(shù)把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應(yīng)AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函數(shù)的三個參數(shù)分別為：

•sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數(shù)創(chuàng)建了，唯一標(biāo)識一個socket。bind()函數(shù)就是將給這個描述字綁定一個名字。

•addr：一個const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協(xié)議地址。這個地址結(jié)構(gòu)根據(jù)地址創(chuàng)建socket時的地址協(xié)議族的不同而不同，如ipv4對應(yīng)的是：

struct sockaddr_in {
  sa_family_t  sin_family; /* address family: AF_INET */
  in_port_t   sin_port;  /* port in network byte order */
  struct in_addr sin_addr;  /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
  uint32_t    s_addr;   /* address in network byte order */
};
ipv6對應(yīng)的是： 

struct sockaddr_in6 { 
  sa_family_t   sin6_family;  /* AF_INET6 */ 
  in_port_t    sin6_port;   /* port number */ 
  uint32_t    sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
  struct in6_addr sin6_addr;   /* IPv6 address */ 
  uint32_t    sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};

struct in6_addr { 
  unsigned char  s6_addr[16];  /* IPv6 address */ 
};

Unix域?qū)?yīng)的是：

#define UNIX_PATH_MAX  108

struct sockaddr_un { 
  sa_family_t sun_family;        /* AF_UNIX */ 
  char    sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ 
};

•addrlen：對應(yīng)的是地址的長度。

通常服務(wù)器在啟動的時候都會綁定一個眾所周知的地址（如ip地址+端口號），用于提供服務(wù)，客戶就可以通過它來接連服務(wù)器；而客戶端就不用指定，有系統(tǒng)自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是為什么通常服務(wù)器端在listen之前會調(diào)用bind()，而客戶端就不會調(diào)用，而是在connect()時由系統(tǒng)隨機生成一個。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序與主機字節(jié)序

主機字節(jié)序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字節(jié)序類型，這些字節(jié)序是指整數(shù)在內(nèi)存中保存的順序，這個叫做主機序。引用標(biāo)準(zhǔn)的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：

　　a) Little-Endian就是低位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，高位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，低位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序：4個字節(jié)的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節(jié)序。由于TCP/IP首部中所有的二進制整數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序。字節(jié)序，顧名思義字節(jié)的順序，就是大于一個字節(jié)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放順序，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)沒有順序的問題了。

所以：在將一個地址綁定到socket的時候，請先將主機字節(jié)序轉(zhuǎn)換成為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序，而不要假定主機字節(jié)序跟網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序一樣使用的是Big-Endian。由于這個問題曾引發(fā)過血案！公司項目代碼中由于存在這個問題，導(dǎo)致了很多莫名其妙的問題，所以請謹(jǐn)記對主機字節(jié)序不要做任何假定，務(wù)必將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序再賦給socket。

3.3、listen()、connect()函數(shù)

如果作為一個服務(wù)器，在調(diào)用socket()、bind()之后就會調(diào)用listen()來監(jiān)聽這個socket，如果客戶端這時調(diào)用connect()發(fā)出連接請求，服務(wù)器端就會接收到這個請求。

int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函數(shù)的第一個參數(shù)即為要監(jiān)聽的socket描述字，第二個參數(shù)為相應(yīng)socket可以排隊的最大連接個數(shù)。socket()函數(shù)創(chuàng)建的socket默認(rèn)是一個主動類型的，listen函數(shù)將socket變?yōu)楸粍宇愋偷?，等待客戶的連接請求。

connect函數(shù)的第一個參數(shù)即為客戶端的socket描述字，第二參數(shù)為服務(wù)器的socket地址，第三個參數(shù)為socket地址的長度。客戶端通過調(diào)用connect函數(shù)來建立與TCP服務(wù)器的連接。

3.4、accept()函數(shù)

TCP服務(wù)器端依次調(diào)用socket()、bind()、listen()之后，就會監(jiān)聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調(diào)用socket()、connect()之后就想TCP服務(wù)器發(fā)送了一個連接請求。TCP服務(wù)器監(jiān)聽到這個請求之后，就會調(diào)用accept()函數(shù)取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網(wǎng)絡(luò)I/O操作了，即類同于普通文件的讀寫I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept函數(shù)的第一個參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字，第二個參數(shù)為指向struct sockaddr *的指針，用于返回客戶端的協(xié)議地址，第三個參數(shù)為協(xié)議地址的長度。如果accpet成功，那么其返回值是由內(nèi)核自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連接。

注意：accept的第一個參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字，是服務(wù)器開始調(diào)用socket()函數(shù)生成的，稱為監(jiān)聽socket描述字；而accept函數(shù)返回的是已連接的socket描述字。一個服務(wù)器通常通常僅僅只創(chuàng)建一個監(jiān)聽socket描述字，它在該服務(wù)器的生命周期內(nèi)一直存在。內(nèi)核為每個由服務(wù)器進程接受的客戶連接創(chuàng)建了一個已連接socket描述字，當(dāng)服務(wù)器完成了對某個客戶的服務(wù)，相應(yīng)的已連接socket描述字就被關(guān)閉。

3.5、read()、write()等函數(shù)

萬事具備只欠東風(fēng)，至此服務(wù)器與客戶已經(jīng)建立好連接了。可以調(diào)用網(wǎng)絡(luò)I/O進行讀寫操作了，即實現(xiàn)了網(wǎng)咯中不同進程之間的通信！網(wǎng)絡(luò)I/O操作有下面幾組：

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto()

我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數(shù)，這兩個函數(shù)是最通用的I/O函數(shù)，實際上可以把上面的其它函數(shù)都替換成這兩個函數(shù)。它們的聲明如下：

   #include <unistd.h>

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

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

    ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
    ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

    ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
           const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
    ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
            struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

    ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
    ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函數(shù)是負(fù)責(zé)從fd中讀取內(nèi)容.當(dāng)讀成功時，read返回實際所讀的字節(jié)數(shù)，如果返回的值是0表示已經(jīng)讀到文件的結(jié)束了，小于0表示出現(xiàn)了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網(wǎng)絡(luò)連接出了問題。

write函數(shù)將buf中的nbytes字節(jié)內(nèi)容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節(jié)數(shù)。失敗時返回-1，并設(shè)置errno變量。 在網(wǎng)絡(luò)程序中，當(dāng)我們向套接字文件描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大于0，表示寫了部分或者是全部的數(shù)據(jù)。2)返回的值小于0，此時出現(xiàn)了錯誤。我們要根據(jù)錯誤類型來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現(xiàn)了中斷錯誤。如果為EPIPE表示網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)了問題(對方已經(jīng)關(guān)閉了連接)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數(shù)了，具體參見man文檔或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

3.6、close()函數(shù)

在服務(wù)器與客戶端建立連接之后，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關(guān)閉相應(yīng)的socket描述字，好比操作完打開的文件要調(diào)用fclose關(guān)閉打開的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close一個TCP socket的缺省行為時把該socket標(biāo)記為以關(guān)閉，然后立即返回到調(diào)用進程。該描述字不能再由調(diào)用進程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個參數(shù)。

注意：close操作只是使相應(yīng)socket描述字的引用計數(shù)-1，只有當(dāng)引用計數(shù)為0的時候，才會觸發(fā)TCP客戶端向服務(wù)器發(fā)送終止連接請求。

4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解

我們知道tcp建立連接要進行“三次握手”，即交換三個分組。大致流程如下：

• 客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個SYN J
• 服務(wù)器向客戶端響應(yīng)一個SYN K，并對SYN J進行確認(rèn)ACK J+1
• 客戶端再想服務(wù)器發(fā)一個確認(rèn)ACK K+1

只有就完了三次握手，但是這個三次握手發(fā)生在socket的那幾個函數(shù)中呢？請看下圖：

圖1、socket中發(fā)送的TCP三次握手

從圖中可以看出，當(dāng)客戶端調(diào)用connect時，觸發(fā)了連接請求，向服務(wù)器發(fā)送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態(tài)；服務(wù)器監(jiān)聽到連接請求，即收到SYN J包，調(diào)用accept函數(shù)接收請求向客戶端發(fā)送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態(tài)；客戶端收到服務(wù)器的SYN K ，ACK J+1之后，這時connect返回，并對SYN K進行確認(rèn)；服務(wù)器收到ACK K+1時，accept返回，至此三次握手完畢，連接建立。

總結(jié)：客戶端的connect在三次握手的第二個次返回，而服務(wù)器端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解

上面介紹了socket中TCP的三次握手建立過程，及其涉及的socket函數(shù)?，F(xiàn)在我們介紹socket中的四次握手釋放連接的過程，請看下圖：

圖2、socket中發(fā)送的TCP四次握手

圖示過程如下：

• 某個應(yīng)用進程首先調(diào)用close主動關(guān)閉連接，這時TCP發(fā)送一個FIN M；
• 另一端接收到FIN M之后，執(zhí)行被動關(guān)閉，對這個FIN進行確認(rèn)。它的接收也作為文件結(jié)束符傳遞給應(yīng)用進程，因為FIN的接收意味著應(yīng)用進程在相應(yīng)的連接上再也接收不到額外數(shù)據(jù)；
• 一段時間之后，接收到文件結(jié)束符的應(yīng)用進程調(diào)用close關(guān)閉它的socket。這導(dǎo)致它的TCP也發(fā)送一個FIN N；
• 接收到這個FIN的源發(fā)送端TCP對它進行確認(rèn)。

這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。

6、一個例子（實踐一下）

說了這么多了，動手實踐一下。下面編寫一個簡單的服務(wù)器、客戶端（使用TCP）——服務(wù)器端一直監(jiān)聽本機的6666號端口，如果收到連接請求，將接收請求并接收客戶端發(fā)來的消息；客戶端與服務(wù)器端建立連接并發(fā)送一條消息。

服務(wù)器端代碼：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char** argv)
{
  int  listenfd, connfd;
  struct sockaddr_in   servaddr;
  char  buff[4096];
  int   n;

  if( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){
  printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
  exit(0);
  }

  memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  servaddr.sin_port = htons(6666);

  if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){
  printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
  exit(0);
  }

  if( listen(listenfd, 10) == -1){
  printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
  exit(0);
  }

  printf("======waiting for client's request======\n");
  while(1){
  if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){
    printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);
    continue;
  }
  n = recv(connfd, buff, MAXLINE, 0);
  buff[n] = '\0';
  printf("recv msg from client: %s\n", buff);
  close(connfd);
  }

  close(listenfd);
}

客戶端代碼：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>

#define MAXLINE 4096

int main(int argc, char** argv)
{
  int  sockfd, n;
  char  recvline[4096], sendline[4096];
  struct sockaddr_in  servaddr;

  if( argc != 2){
  printf("usage: ./client <ipaddress>\n");
  exit(0);
  }

  if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){
  printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno);
  exit(0);
  }

  memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;
  servaddr.sin_port = htons(6666);
  if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){
  printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]);
  exit(0);
  }

  if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){
  printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);
  exit(0);
  }

  printf("send msg to server: \n");
  fgets(sendline, 4096, stdin);
  if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)
  {
  printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);
  exit(0);
  }

  close(sockfd);
  exit(0);
}

當(dāng)然上面的代碼很簡單，也有很多缺點，這就只是簡單的演示socket的基本函數(shù)使用。其實不管有多復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)程序，都使用的這些基本函數(shù)。上面的服務(wù)器使用的是迭代模式的，即只有處理完一個客戶端請求才會去處理下一個客戶端的請求，這樣的服務(wù)器處理能力是很弱的，現(xiàn)實中的服務(wù)器都需要有并發(fā)處理能力！為了需要并發(fā)處理，服務(wù)器需要fork()一個新的進程或者線程去處理請求等。

7、動動手

留下一個問題，歡迎大家回帖回答?。?！是否熟悉Linux下網(wǎng)絡(luò)編程？如熟悉，編寫如下程序完成如下功能：

服務(wù)器端：

接收地址192.168.100.2的客戶端信息，如信息為“Client Query”，則打印“Receive Query”

客戶端：

向地址192.168.100.168的服務(wù)器端順序發(fā)送信息“Client Query test”，“Cleint Query”，“Client Query Quit”，然后退出。

題目中出現(xiàn)的ip地址可以根據(jù)實際情況定。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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