Linux Socket編程

我們深谙信息交流的價值，那網絡中進程之間如何通信，如我們每天打開浏覽器浏覽網頁時，浏覽器的進程怎麼與web服務器通信的？當你用QQ聊天時，QQ進程怎麼與服務器或你好友所在的QQ進程通信？這些都得靠socket？那什麼是socket？socket的類型有哪些？還有socket的基本函數，這些都是本文想介紹的。本文的主要內容如下：

1、網絡中進程之間如何通信？
2、Socket是什麼？
3、socket的基本操作
    3.1、socket()函數
    3.2、bind()函數
    3.3、listen()、connect()函數
    3.4、accept()函數
    3.5、read()、write()函數等
    3.6、close()函數
4、socket中TCP的三次握手建立連接詳解
5、socket中TCP的四次握手釋放連接詳解
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、網絡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）
共享內存（匿名的和具名的）
遠程過程調用（Solaris門和Sun RPC）

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

使用TCP/IP協議的應用程序通常采用應用編程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實現網絡進程之間的通信。就目前而言，幾乎所有的應用程序都是采用socket，而現在又是網絡時代，網絡中進程通信是無處不在，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絡中的進程是通過socket來通信的，那什麼是socket呢？socket起源於Unix，而Unix/Linux基本哲學之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開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即是一種特殊的文件，一些socket函數就是對其進行的操作（讀/寫IO、打開、關閉），這些函數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日發布的文獻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：“命名空間的元素都可稱為套接字接口。一個套接字接口構成一個連接的一端，而一個連接可完全由一對套接字接口規定。”計算機歷史博物館補充道：“這比BSD的套接字接口定義早了大約12年。”

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數接口。下面以TCP為例，介紹幾個基本的socket接口函數。
3.1、socket()函數

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

socket函數對應於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()用於創建一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字一樣，後續的操作都有用到它，把它作為參數，通過它來進行一些讀寫操作。
正如可以給fopen的傳入不同參數值，以打開不同的文件。創建socket的時候，也可以指定不同的參數創建不同的socket描述符，socket函數的三個參數分別為：

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的地址類型，在通信中必須采用對應的地址，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類型對應的默認協議。

當我們調用socket創建一個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，就必須調用bind()函數，否則就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個端口。
3.2、bind()函數

正如上面所說bind()函數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地址和端口號組合賦給socket。

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

函數的三個參數分別為：

sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數創建了，唯一標識一個socket。bind()函數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的協議地址。這個地址結構根據地址創建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。
通常服務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），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是為什麼通常服務器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

網絡字節序與主機字節序

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

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

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

網絡字節序：4個字節的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字節序。由於TCP/IP首部中所有的二進制整數在網絡中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網絡字節序。字節序，顧名思義字節的順序，就是大於一個字節類型的數據在內存中的存放順序，一個字節的數據沒有順序的問題了。

所以：在將一個地址綁定到socket的時候，請先將主機字節序轉換成為網絡字節序，而不要假定主機字節序跟網絡字節序一樣使用的是Big-Endian。由於這個問題曾引發過血案！公司項目代碼中由於存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機字節序不要做任何假定，務必將其轉化為網絡字節序再賦給socket。

3.3、listen()、connect()函數

如果作為一個服務器，在調用socket()、bind()之後就會調用listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時調用connect()發出連接請求，服務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函數的第一個參數即為要監聽的socket描述字，第二個參數為相應socket可以排隊的最大連接個數。socket()函數創建的socket默認是一個主動類型的，listen函數將socket變為被動類型的，等待客戶的連接請求。

connect函數的第一個參數即為客戶端的socket描述字，第二參數為服務器的socket地址，第三個參數為socket地址的長度。客戶端通過調用connect函數來建立與TCP服務器的連接。
3.4、accept()函數

TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之後就想TCP服務器發送了一個連接請求。TCP服務器監聽到這個請求之後，就會調用accept()函數取接收請求，這樣連接就建立好了。之後就可以開始網絡I/O操作了，即類同於普通文件的讀寫I/O操作。

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

accept函數的第一個參數為服務器的socket描述字，第二個參數為指向struct sockaddr *的指針，用於返回客戶端的協議地址，第三個參數為協議地址的長度。如果accpet成功，那麼其返回值是由內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的第一個參數為服務器的socket描述字，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱為監聽socket描述字；而accept函數返回的是已連接的socket描述字。一個服務器通常通常僅僅只創建一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命周期內一直存在。內核為每個由服務器進程接受的客戶連接創建了一個已連接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已連接socket描述字就被關閉。
3.5、read()、write()等函數

萬事具備只欠東風，至此服務器與客戶已經建立好連接了。可以調用網絡I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同進程之間的通信！網絡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，這兩個函數是最通用的I/O函數，實際上可以把上面的其它函數都替換成這兩個函數。它們的聲明如下：

#include 

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

       #include 
       #include 

       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);

服務器端

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#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

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#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 \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);
}