Linux Socket程式設計（不限Linux）

“一切皆Socket！”

話雖些許誇張，但是事實也是，現在的網路程式設計幾乎都是用的socket。

——有感於實際程式設計和開源專案研究。

我們深諳資訊交流的價值，那網路中程式之間如何通訊，如我們每天開啟瀏覽器瀏覽網頁時，瀏覽器的程式怎麼與web伺服器通訊的？當你用QQ聊天時，QQ程式怎麼與伺服器或你好友所在的QQ程式通訊？這些都得靠socket？那什麼是socket？socket的型別有哪些？還有socket的基本函式，這些都是本文想介紹的。本文的主要內容如下：

• 1、網路中程式之間如何通訊？
• 2、Socket是什麼？
• 3、socket的基本操作
  • 3.1、socket()函式
  • 3.2、bind()函式
  • 3.3、listen()、connect()函式
  • 3.4、accept()函式
  • 3.5、read()、write()函式等
  • 3.6、close()函式
• 4、socket中TCP的三次握手建立連線詳解
• 5、socket中TCP的四次握手釋放連線詳解
• 6、一個例子（實踐一下）
• 7、留下一個問題，歡迎大家回帖回答！！！

1、網路中程式之間如何通訊？

本地的程式間通訊（IPC）有很多種方式，但可以總結為下面4類：

• 訊息傳遞（管道、FIFO、訊息佇列）
• 同步（互斥量、條件變數、讀寫鎖、檔案和寫記錄鎖、訊號量）
• 共享記憶體（匿名的和具名的）
• 遠端過程呼叫（Solaris門和Sun RPC）

但這些都不是本文的主題！我們要討論的是網路中程式之間如何通訊？首要解決的問題是如何唯一標識一個程式，否則通訊無從談起！在本地可以通過程式PID來唯一標識一個程式，但是在網路中這是行不通的。其實TCP/IP協議族已經幫我們解決了這個問題，網路層的“ip地址”可以唯一標識網路中的主機，而傳輸層的“協議+埠”可以唯一標識主機中的應用程式（程式）。這樣利用三元組（ip地址，協議，埠）就可以標識網路的程式了，網路中的程式通訊就可以利用這個標誌與其它程式進行互動。

使用TCP/IP協議的應用程式通常採用應用程式設計介面：UNIX  BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實現網路程式之間的通訊。就目前而言，幾乎所有的應用程式都是採用socket，而現在又是網路時代，網路中程式通訊是無處不在，這就是我為什麼說“一切皆socket”。

2、什麼是Socket？

上面我們已經知道網路中的程式是通過socket來通訊的，那什麼是socket呢？socket起源於Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆檔案”，都可以用“開啟open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。我的理解就是Socket就是該模式的一個實現，socket即是一種特殊的檔案，一些socket函式就是對其進行的操作（讀/寫IO、開啟、關閉），這些函式我們在後面進行介紹。

socket一詞的起源

在組網領域的首次使用是在1970年2月12日釋出的文獻IETF RFC33中發現的，撰寫者為Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根據美國計算機歷史博物館的記載，Croker寫道：“名稱空間的元素都可稱為套接字介面。一個套接字介面構成一個連線的一端，而一個連線可完全由一對套接字介面規定。”計算機歷史博物館補充道：“這比BSD的套接字介面定義早了大約12年。”

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實現，那麼socket就提供了這些操作對應的函式介面。下面以TCP為例，介紹幾個基本的socket介面函式。

3.1、socket()函式

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

socket函式對應於普通檔案的開啟操作。普通檔案的開啟操作返回一個檔案描述字，而socket()用於建立一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟檔案描述字一樣，後續的操作都有用到它，把它作為引數，通過它來進行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同引數值，以開啟不同的檔案。建立socket的時候，也可以指定不同的引數建立不同的socket描述符，socket函式的三個引數分別為：

• domain：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址型別，在通訊中必須採用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與埠號（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型別。常用的socket型別有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的型別有哪些？）。
• protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議（這個協議我將會單獨開篇討論！）。

注意：並不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type型別對應的預設協議。

當我們呼叫socket建立一個socket時，返回的socket描述字它存在於協議族（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，就必須呼叫bind()函式，否則就當呼叫connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個埠。

3.2、bind()函式

正如上面所說bind()函式把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和埠號組合賦給socket。

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

函式的三個引數分別為：

• sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函式建立了，唯一標識一個socket。bind()函式就是將給這個描述字繫結一個名字。
• addr：一個const struct sockaddr *指標，指向要繫結給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址建立socket時的地址協議族的不同而不同，如ipv4對應的是： 
  

  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域對應的是： 
  

  #define UNIX_PATH_MAX    108
  
  struct sockaddr_un { 
      sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
      char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
  };

• addrlen：對應的是地址的長度。

通常伺服器在啟動的時候都會繫結一個眾所周知的地址（如ip地址+埠號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連伺服器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個埠號和自身的ip地址組合。這就是為什麼通常伺服器端在listen之前會呼叫bind()，而客戶端就不會呼叫，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

網路位元組序與主機位元組序

主機位元組序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的位元組序型別，這些位元組序是指整數在記憶體中儲存的順序，這個叫做主機序。引用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：

　　a) Little-Endian就是低位位元組排放在記憶體的低地址端，高位位元組排放在記憶體的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位位元組排放在記憶體的低地址端，低位位元組排放在記憶體的高地址端。

網路位元組序：4個位元組的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然後16～23bit，最後是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端位元組序。由於TCP/IP首部中所有的二進位制整數在網路中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網路位元組序。位元組序，顧名思義位元組的順序，就是大於一個位元組型別的資料在記憶體中的存放順序，一個位元組的資料沒有順序的問題了。

所以：在將一個地址繫結到socket的時候，請先將主機位元組序轉換成為網路位元組序，而不要假定主機位元組序跟網路位元組序一樣使用的是Big-Endian。由於這個問題曾引發過血案！公司專案程式碼中由於存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機位元組序不要做任何假定，務必將其轉化為網路位元組序再賦給socket。

3.3、listen()、connect()函式

如果作為一個伺服器，在呼叫socket()、bind()之後就會呼叫listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時呼叫connect()發出連線請求，伺服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函式的第一個引數即為要監聽的socket描述字，第二個引數為相應socket可以排隊的最大連線個數。socket()函式建立的socket預設是一個主動型別的，listen函式將socket變為被動型別的，等待客戶的連線請求。

connect函式的第一個引數即為客戶端的socket描述字，第二引數為伺服器的socket地址，第三個引數為socket地址的長度。客戶端通過呼叫connect函式來建立與TCP伺服器的連線。

3.4、accept()函式

TCP伺服器端依次呼叫socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次呼叫socket()、connect()之後就想TCP伺服器傳送了一個連線請求。TCP伺服器監聽到這個請求之後，就會呼叫accept()函式取接收請求，這樣連線就建立好了。之後就可以開始網路I/O操作了，即類同於普通檔案的讀寫I/O操作。

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

accept函式的第一個引數為伺服器的socket描述字，第二個引數為指向struct sockaddr *的指標，用於返回客戶端的協議地址，第三個引數為協議地址的長度。如果accpet成功，那麼其返回值是由核心自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連線。

注意：accept的第一個引數為伺服器的socket描述字，是伺服器開始呼叫socket()函式生成的，稱為監聽socket描述字；而accept函式返回的是已連線的socket描述字。一個伺服器通常通常僅僅只建立一個監聽socket描述字，它在該伺服器的生命週期內一直存在。核心為每個由伺服器程式接受的客戶連線建立了一個已連線socket描述字，當伺服器完成了對某個客戶的服務，相應的已連線socket描述字就被關閉。

3.5、read()、write()等函式

萬事具備只欠東風，至此伺服器與客戶已經建立好連線了。可以呼叫網路I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同程式之間的通訊！網路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()函式，這兩個函式是最通用的I/O函式，實際上可以把上面的其它函式都替換成這兩個函式。它們的宣告如下：

       #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函式是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的位元組數，如果返回的值是0表示已經讀到檔案的結束了，小於0表示出現了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網路連線出了問題。

write函式將buf中的nbytes位元組內容寫入檔案描述符fd.成功時返回寫的位元組數。失敗時返回-1，並設定errno變數。 在網路程式中，當我們向套接字檔案描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是全部的資料。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤型別來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示網路連線出現了問題(對方已經關閉了連線)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函式了，具體參見man文件或者baidu、Google，下面的例子中將使用到send/recv。

3.6、close()函式

在伺服器與客戶端建立連線之後，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完開啟的檔案要呼叫fclose關閉開啟的檔案。

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

close一個TCP socket的預設行為時把該socket標記為以關閉，然後立即返回到呼叫程式。該描述字不能再由呼叫程式使用，也就是說不能再作為read或write的第一個引數。

注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向伺服器傳送終止連線請求。

4、socket中TCP的三次握手建立連線詳解

我們知道tcp建立連線要進行“三次握手”，即交換三個分組。大致流程如下：

• 客戶端向伺服器傳送一個SYN J
• 伺服器向客戶端響應一個SYN K，並對SYN J進行確認ACK J+1
• 客戶端再想伺服器發一個確認ACK K+1

只有就完了三次握手，但是這個三次握手發生在socket的那幾個函式中呢？請看下圖：

圖1、socket中傳送的TCP三次握手

從圖中可以看出，當客戶端呼叫connect時，觸發了連線請求，向伺服器傳送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態；伺服器監聽到連線請求，即收到SYN J包，呼叫accept函式接收請求向客戶端傳送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態；客戶端收到伺服器的SYN K ，ACK J+1之後，這時connect返回，並對SYN K進行確認；伺服器收到ACK K+1時，accept返回，至此三次握手完畢，連線建立。

總結：客戶端的connect在三次握手的第二個次返回，而伺服器端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中TCP的四次握手釋放連線詳解

上面介紹了socket中TCP的三次握手建立過程，及其涉及的socket函式。現在我們介紹socket中的四次握手釋放連線的過程，請看下圖：

圖2、socket中傳送的TCP四次握手

圖示過程如下：

• 某個應用程式首先呼叫close主動關閉連線，這時TCP傳送一個FIN M；
• 另一端接收到FIN M之後，執行被動關閉，對這個FIN進行確認。它的接收也作為檔案結束符傳遞給應用程式，因為FIN的接收意味著應用程式在相應的連線上再也接收不到額外資料；
• 一段時間之後，接收到檔案結束符的應用程式呼叫close關閉它的socket。這導致它的TCP也傳送一個FIN N；
• 接收到這個FIN的源傳送端TCP對它進行確認。

這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。

6、一個例子（實踐一下）

說了這麼多了，動手實踐一下。下面編寫一個簡單的伺服器、客戶端（使用TCP）——伺服器端一直監聽本機的6666號埠，如果收到連線請求，將接收請求並接收客戶端發來的訊息；客戶端與伺服器端建立連線併傳送一條訊息。

伺服器端程式碼：

客戶端程式碼：

當然上面的程式碼很簡單，也有很多缺點，這就只是簡單的演示socket的基本函式使用。其實不管有多複雜的網路程式，都使用的這些基本函式。上面的伺服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，這樣的伺服器處理能力是很弱的，現實中的伺服器都需要有併發處理能力！為了需要併發處理，伺服器需要fork()一個新的程式或者執行緒去處理請求等。

7、動動手

留下一個問題，歡迎大家回帖回答！！！是否熟悉Linux下網路程式設計？如熟悉，編寫如下程式完成如下功能：

伺服器端：

接收地址192.168.100.2的客戶端資訊，如資訊為“Client Query”，則列印“Receive Query”

客戶端：

向地址192.168.100.168的伺服器端順序傳送資訊“Client Query test”，“Cleint Query”，“Client Query Quit”，然後退出。

題目中出現的ip地址可以根據實際情況定。

——本文只是介紹了簡單的socket程式設計。

更為複雜的需要自己繼續深入。

（unix domain socket）使用udp傳送>=128K的訊息會報ENOBUFS的錯誤（一個實際socket程式設計中遇到的問題，希望對你有幫助）