C SOCKET编程

 

目录

1、socket通信流程

2、socket通信函数

3、socket简单实例

1、socket通信流程

2、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。

2.1、socket()函数

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

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

  • domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
  • type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
  • protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）。

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

2.2、bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

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

函数的三个参数分别为：

  • sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
  • addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，
  • 如ipv4对应的是： 
    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对应的是： 
    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域对应的是： 
    #define UNIX_PATH_MAX    108

struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};
  • addrlen：对应的是地址的长度。

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

网络字节序与主机字节序

主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：

　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

网络字节序：4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。

所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

2.3、listen()、connect()函数

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

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

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

2.4、accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

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

accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。

注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

2.5、read()、write()等函数

万事具备只欠东风，至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！网络I/O操作有下面几组：

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

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：

       #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函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或者baidu、Google，下面的例子中将使用到send/recv。

2.6、close()函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

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

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

服务器端：一直监听本机的8000号端口，如果收到连接请求，将接收请求并接收客户端发来的消息，并向客户端返回消息。

 3、socket通信实例

  1. /* File Name: server.c */  
  2. #include<stdio.h>  
  3. #include<stdlib.h>  
  4. #include<string.h>  
  5. #include<errno.h>  
  6. #include<sys/types.h>  
  7. #include<sys/socket.h>  
  8. #include<netinet/in.h>  
  9. #define DEFAULT_PORT 8000  
  10. #define MAXLINE 4096  
  11. int main(int argc, char** argv)  
  12. {  
  13.     int    socket_fd, connect_fd;  
  14.     struct sockaddr_in     servaddr;  
  15.     char    buff[4096];  
  16.     int     n;  
  17.     //初始化Socket  
  18.     if( (socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1 ){  
  19.     printf("create socket error: %s(errno: %d) ",strerror(errno),errno);  
  20.     exit(0);  
  21.     }  
  22.     //初始化  
  23.     memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));  
  24.     servaddr.sin_family = AF_INET;  
  25.     servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//IP地址设置成INADDR_ANY,让系统自动获取本机的IP地址。  
  26.     servaddr.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);//设置的端口为DEFAULT_PORT  
  27.   
  28.     //将本地地址绑定到所创建的套接字上  
  29.     if( bind(socket_fd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){  
  30.     printf("bind socket error: %s(errno: %d) ",strerror(errno),errno);  
  31.     exit(0);  
  32.     }  
  33.     //开始监听是否有客户端连接  
  34.     if( listen(socket_fd, 10) == -1){  
  35.     printf("listen socket error: %s(errno: %d) ",strerror(errno),errno);  
  36.     exit(0);  
  37.     }  
  38.     printf("======waiting for client's request====== ");  
  39.     while(1){  
  40. //阻塞直到有客户端连接，不然多浪费CPU资源。  
  41.         if( (connect_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr*)NULL, NULL)) == -1){  
  42.         printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);  
  43.         continue;  
  44.     }  
  45. //接受客户端传过来的数据  
  46.     n = recv(connect_fd, buff, MAXLINE, 0);  
  47. //向客户端发送回应数据  
  48.     if(!fork()){ /*紫禁城*/  
  49.         if(send(connect_fd, "Hello,you are connected! ", 26,0) == -1)  
  50.         perror("send error");  
  51.         close(connect_fd);  
  52.         exit(0);  
  53.     }  
  54.     buff[n] = '';  
  55.     printf("recv msg from client: %s ", buff);  
  56.     close(connect_fd);  
  57.     }  
  58.     close(socket_fd);  
  59. }  

客户端：

 

  1. /* File Name: client.c */  
  2.   
  3. #include<stdio.h>  
  4. #include<stdlib.h>  
  5. #include<string.h>  
  6. #include<errno.h>  
  7. #include<sys/types.h>  
  8. #include<sys/socket.h>  
  9. #include<netinet/in.h>  
  10.   
  11. #define MAXLINE 4096  
  12.   
  13.   
  14. int main(int argc, char** argv)  
  15. {  
  16.     int    sockfd, n,rec_len;  
  17.     char    recvline[4096], sendline[4096];  
  18.     char    buf[MAXLINE];  
  19.     struct sockaddr_in    servaddr;  
  20.   
  21.   
  22.     if( argc != 2){  
  23.     printf("usage: ./client <ipaddress> ");  
  24.     exit(0);  
  25.     }  
  26.   
  27.   
  28.     if( (sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0){  
  29.     printf("create socket error: %s(errno: %d) ", strerror(errno),errno);  
  30.     exit(0);  
  31.     }  
  32.   
  33.   
  34.     memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));  
  35.     servaddr.sin_family = AF_INET;  
  36.     servaddr.sin_port = htons(8000);  
  37.     if( inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){  
  38.     printf("inet_pton error for %s ",argv[1]);  
  39.     exit(0);  
  40.     }  
  41.   
  42.   
  43.     if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){  
  44.     printf("connect error: %s(errno: %d) ",strerror(errno),errno);  
  45.     exit(0);  
  46.     }  
  47.   
  48.   
  49.     printf("send msg to server:  ");  
  50.     fgets(sendline, 4096, stdin);  
  51.     if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)  
  52.     {  
  53.     printf("send msg error: %s(errno: %d) ", strerror(errno), errno);  
  54.     exit(0);  
  55.     }  
  56.     if((rec_len = recv(sockfd, buf, MAXLINE,0)) == -1) {  
  57.        perror("recv error");  
  58.        exit(1);  
  59.     }  
  60.     buf[rec_len]  = '';  
  61.     printf("Received : %s ",buf);  
  62.     close(sockfd);  
  63.     exit(0);  
  64. }  

inet_pton 是Linux下IP地址转换函数，可以在将IP地址在“点分十进制”和“整数”之间转换 ，是inet_addr的扩展。

 

  1. int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);//转换字符串到网络地址:  

第一个参数af是地址族，转换后存在dst中
    af = AF_INET:src为指向字符型的地址，即ASCII的地址的首地址（ddd.ddd.ddd.ddd格式的），函数将该地址转换为in_addr的结构体，并复制在*dst中
　　af =AF_INET6:src为指向IPV6的地址，函数将该地址转换为in6_addr的结构体，并复制在*dst中
如果函数出错将返回一个负值，并将errno设置为EAFNOSUPPORT，如果参数af指定的地址族和src格式不对，函数将返回0。

测试：

编译server.c

gcc -o server server.c

启动进程：

./server

显示结果：

======waiting for client's request======

并等待客户端连接。

编译 client.c

gcc -o client server.c

客户端去连接server：

./client 127.0.0.1 

等待输入消息

发送一条消息，输入：c++

此时服务器端看到：

客户端收到消息：

 

其实可以不用client,可以使用telnet来测试：

telnet 127.0.0.1 8000

 

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