Linux socket編程入門__html5

1、網路中進程之間如何通訊。

本地的處理序間通訊（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） 共用記憶體（匿名的和具名的） 遠端程序呼叫（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進程之間如何通訊。首要解決的問題是如何唯一標識一個進程，否則通訊無從談起。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+連接埠”可以唯一標識主機中的應用程式（進程）。這樣利用三元組（ip地址，協議，連接埠）就可以標識網路的進程了，網路中的進程通訊就可以利用這個標誌與其它進程進行互動。

使用TCP/IP協議的應用程式通常採用應用編程介面：UNIX  BSD的通訊端（socket）和UNIX System V的TLI（已經被淘汰），來實現網路進程之間的通訊。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，網路中進程通訊是無處不在，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進程是通過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函數就是對其進行的操作（讀/寫IO、開啟、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。根據美國電腦曆史博物館的記載，Croker寫道：“命名空間的元素都可稱為通訊端介面。一個通訊端介面構成一個串連的一端，而一個串連可完全由一對通訊端介面規定。”電腦曆史博物館補充道：“這比BSD的通訊端介面定義早了大約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數介面。下面以TCP為例，介紹幾個基本的socket介面函數。 3.1、socket()函數

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

socket函數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，以開啟不同的檔案。建立socket的時候，也可以指定不同的參數建立不同的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）與連接埠號碼（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類型對應的預設協議。

當我們調用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連接埠。 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地址和連接埠號碼組合賦給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()函數建立了，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 *指標，指向要綁定給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    108struct 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綁定一個眾所周知的地址（如ip地址+連接埠號碼），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連伺服器；而用戶端就不用指定，有系統自動分配一個連接埠號碼和自身的ip地址組合。這就是為什麼通常伺服器端在listen之前會調用bind()，而用戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機產生一個。 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有不同的位元組序類型，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類型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：在將一個地址綁定到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()函數

如果作為一個伺服器，在調用socket()、bind()之後就會調用listen()來監聽這個socket，如果用戶端這時調用connect()發出串連請求，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可以排隊的最大串連個數。socket()函數建立的socket預設是一個主動類型的，listen函數將socket變為被動類型的，等待客戶的串連請求。

connect函數的第一個參數即為用戶端的socket描述字，第二參數為伺服器的socket地址，第三個參數為socket地址的長度。用戶端通過調用connect函數來建立與TCP伺服器的串連。 3.4、accept()函數

TCP伺服器端依次調用socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket地址了。TCP用戶端依次調用socket()、connect()之後就想TCP伺服器發送了一個串連請求。TCP伺服器監聽到這個請求之後，就會調用accept()函數取接收請求，這樣串連就建立好了。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函數的第一個參數為伺服器的socket描述字，第二個參數為指向struct sockaddr *的指標，用於返回用戶端的協議地址，第三個參數為協議地址的長度。如果accpet成功，那麼其傳回值是由核心自動產生的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP串連。

注意：accept的第一個參數為伺服器的socket描述字，是伺服器開始調用socket()函數產生的，稱為監聽socket描述字；而accept函數返回的是已串連的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處理序接受的客戶串連建立了一個已串連socket描述字，當伺服器完成了對某個客戶的服務，相應的已串連socket描述字就被關閉。 3.5、read()、write()等函數

萬事具備只欠東風，至此伺服器與客戶已經建立好串連了。可以調用網路I/O進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同進程之間的通訊。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 <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表示網路連接出了問題。

write函數將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，當我們向通訊端檔案描述符寫時有倆種可能。1)write的傳回值大於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。我們要根據錯誤類型來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示網路連接出現了問題(對方已經關閉了串連)。

其它的我就不一一介紹這幾對I/O函數了，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

在伺服器與用戶端建立串連之後，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調用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，然後立即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個參數。

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用戶端向伺服器發送終止串連請求。 4、socket中TCP的三向交握建立串連詳解

我們知道tcp建立串連要進行“三向交握”，即交換三個分組。大致流程如下： 用戶端向伺服器發送一個SYN J 伺服器向用戶端響應一個SYN K，並對SYN J進行確認ACK J+1 用戶端再想伺服器發一個確認ACK K+1

只有就完了三向交握，但是這個三向交握發生在socket的那幾個函數中呢。請看下圖：

圖1、socket中發送的TCP三向交握

從圖中可以看出，當用戶端調用connect時，觸發了串連請求，向伺服器發送了SYN J包，這時connect進入阻塞狀態；伺服器監聽到串連請求，即收到SYN J包，調用accept函數接收請求向用戶端發送SYN K ，ACK J+1，這時accept進入阻塞狀態；用戶端收到伺服器的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，至此三向交握完畢，串連建立。

總結：用戶端的connect在三向交握的第二個次返回，而伺服器端的accept在三向交握的第三次返回。 5、socket中TCP的四次握手釋放串連詳解

上面介紹了socket中TCP的三向交握建立過程，及其涉及的socket函數。現在我們介紹socket中的四次握手釋放串連的過程，請看下圖：

圖2、socket中發送的TCP四次握手

圖示過程如下： 某個應用進程首先調用 close主動關閉串連，這時TCP發送一個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進程，因為FIN的接收意味著應用進程在相應的串連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進程調用 close關閉它的socket。這導致它的TCP也發送一個FIN N； 接收到這個FIN的源發送端TCP對它進行確認。

這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。