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Socket函数用法详解

socket()

Linux 中的一切都是文件,每个文件都有一个整数类型的文件描述符;socket 也是一个文件,也有文件描述符。使用 socket() 函数创建套接字以后,返回值就是一个 int 类型的文件描述符。

在 Linux 下使用 <sys/socket.h> 头文件中 socket() 函数来创建套接字,原型为:

int socket ( int domain , int type , int protocol );
功能:为通信创建一个端点,并返回该端点对应的文件描述符,文件描述符的使用原则是最小未分配原则
1) af 为地址族(Address Family),也就是 IP 地址类型,常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的简写,INET是“Inetnet”的简写。AF_INET 表示 IPv4 地址,例如 127.0.0.1;AF_INET6 表示 IPv6 地址,例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。
2) type 为数据传输方式/套接字类型,常用的有 SOCK_STREAM(流格式套接字/面向连接的套接字) 和 SOCK_DGRAM(数据报套接字/无连接的套接字)

 3) protocol 表示传输协议,常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP,分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。

有了地址类型和数据传输方式,还不足以决定采用哪种协议吗?为什么还需要第三个参数呢?

正如大家所想,一般情况下有了 af 和 type 两个参数就可以创建套接字了,操作系统会自动推演出协议类型,除非遇到这样的情况:有两种不同的协议支持同一种地址类型和数据传输类型。如果我们不指明使用哪种协议,操作系统是没办法自动推演的。

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //IPPROTO_TCP表示TCP协议

这种套接字称为 TCP 套接字。

int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); //IPPROTO_UDP表示UDP协议 

这种套接字称为 UDP 套接字。

上面两种情况都只有一种协议满足条件,可以将 protocol 的值设为 0,系统会自动推演出应该使用什么协议,如下所示

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //创建TCP套接字

int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //创建UDP套接字

bind()

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。类似地,客户端也要用 connect() 函数建立连接。 

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

功能:为套接字分配名称,给套接字绑定ip地址和端口号

sockfd 为 socket 文件描述符,addr 为 sockaddr 结构体变量的指针,addrlen 为 addr 变量的大小,可由 sizeof() 计算得出 

下面的代码,将创建的套接字与IP地址 127.0.0.1、端口 1234 绑定:

//创建套接字
int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充
serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口

//将套接字和IP、端口绑定
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

sockaddr_in 结构体

struct sockaddr_in{
    sa_family_t     sin_family;   //地址族(Address Family),也就是地址类型
    uint16_t        sin_port;     //16位的端口号
    struct in_addr  sin_addr;     //32位IP地址
    char            sin_zero[8];  //不使用,一般用0填充
};

1) sin_family 和 socket() 的第一个参数的含义相同,取值也要保持一致。

2) sin_prot 为端口号。uint16_t 的长度为两个字节,理论上端口号的取值范围为 0~65536,但 0~1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序,例如 Web 服务的端口号为 80,FTP 服务的端口号为 21,所以我们的程序要尽量在 1024~65536 之间分配端口号。

端口号需要用 htons() 函数转换,后面会讲解为什么。

3) sin_addr 是 struct in_addr 结构体类型的变量。

4) sin_zero[8] 是多余的8个字节,没有用,一般使用 memset() 函数填充为 0。上面的代码中,先用 memset() 将结构体的全部字节填充为 0,再给前3个成员赋值,剩下的 sin_zero 自然就是 0 了。

in_addr 结构体

struct in_addr{
    in_addr_t  s_addr;  //32位的IP地址
};

in_addr_t 在头文件 <netinet/in.h> 中定义,等价于 unsigned long,长度为4个字节。也就是说,s_addr 是一个整数,而IP地址是一个字符串,所以需要 inet_addr() 函数进行转换,例如:

unsigned long ip = inet_addr("127.0.0.1");
printf("%ld\n", ip);

为什么使用 sockaddr_in 而不使用 sockaddr

bind() 第二个参数的类型为 sockaddr,而代码中却使用 sockaddr_in,然后再强制转换为 sockaddr,这是为什么呢?

sockaddr 结构体的定义如下:

struct sockaddr{
    sa_family_t  sin_family;   //地址族(Address Family),也就是地址类型
    char         sa_data[14];  //IP地址和端口号
};

下图是 sockaddr 与 sockaddr_in 的对比(括号中的数字表示所占用的字节数):

 sockaddr 和 sockaddr_in 的长度相同,都是16字节,只是将IP地址和端口号合并到一起,用一个成员 sa_data 表示。要想给 sa_data 赋值,必须同时指明IP地址和端口号,例如”127.0.0.1:80“,遗憾的是,没有相关函数将这个字符串转换成需要的形式,也就很难给 sockaddr 类型的变量赋值,所以使用 sockaddr_in 来代替。这两个结构体的长度相同,强制转换类型时不会丢失字节,也没有多余的字节。

可以认为,sockaddr 是一种通用的结构体,可以用来保存多种类型的IP地址和端口号,而 sockaddr_in 是专门用来保存 IPv4 地址的结构体。

另外还有 sockaddr_in6,用来保存 IPv6 地址,它的定义如下:

struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t sin6_family;  //(2)地址类型,取值为AF_INET6
    in_port_t sin6_port;  //(2)16位端口号
    uint32_t sin6_flowinfo;  //(4)IPv6流信息
    struct in6_addr sin6_addr;  //(4)具体的IPv6地址
    uint32_t sin6_scope_id;  //(4)接口范围ID
};

 正是由于通用结构体 sockaddr 使用不便,才针对不同的地址类型定义了不同的结构体。

connect()

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

功能:将指定的套接字,连接到给定的地址上

参数 1 :要连接的套接字文件描述符
参数 2 :通用地址信息结构体
参数 3 :参数 2 的大小
返回值:成功返回 0 ,失败返回 - 1 并置位错误码

 listen()

通过 listen() 函数可以让套接字进入被动监听状态,它的原型为: 

int listen ( int sockfd , int backlog );
功能:将套接字设置成被动监听状态
参数 1 :套接字文件描述符
参数 2 :挂起队列能够增长的最大长度,一般为 128
返回值:成功返回 0 ,失败返回 - 1 并置位错误码
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,对于 Windows,客户端会收到 WSAECONNREFUSED 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()

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。它的原型为: 

int accept ( int sockfd , struct sockaddr * addr , socklen_t * addrlen );
功能:阻塞等待客户端的连接请求,如果已连接队列中有客户端,则从连接队列中拿取第一个,并创建一个用于通信的套接字
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。 返回值:成功返回一个新的用于通信的套接字文件描述符,失败返回 - 1 并置位错误码
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。

 recv()

ssize_t recv ( int sockfd , void * buf , size_t len , int flags );
功能:从套接字中读取消息放入到 buf
参数 1 :通信的套接字文件描述符
参数 2 :要存放数据的起始地址
参数 3 :读取的数据的大小
参数 4 :读取标识位,是否阻塞读取
0 :表示阻塞等待
MSG_DONTWAIT :非阻塞
返回值:可以是大于 0 :表示成功读取的字节个数
可以是等于 0 :表示对端已经下线(针对于 TCP 通信)
- 1 :失败,并置位错误码

 send() 

ssize_t send ( int sockfd , const void * buf , size_t len , int flags );
功能:向套接字文件描述符中将 buf 这个容器中的内容写入
参数 1 :通信的套接字文件描述符
参数 2 :要发送的数据的起始地址
参数 3 :发送的数据的大小
参数 4 :读取标识位,是否阻塞读取
0 :表示阻塞等待
MSG_DONTWAIT :非阻塞
返回值:成功返回发送字节的个数
- 1 :失败,并置位错误码

close() 

int close ( int fd );
功能:关闭套接字文件描述符
参数:要关闭的套接字文件描述符
返回值:成功返回 0 ,失败返回 - 1 并置位错误码

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