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Linux C Socket Api详解

文章主要梳理于《UNIX 环境高级编程第二版》 第十六章 网络IPC: 套接字

以前都只是在网上搜的能用的例子,对一些参数不是很清楚,这次汇总。而且网络通信还是很常用的通信手段。

UNIX 环境高级编程对Socket通信的描述是套接字网络IPC(进程间通信),可以用于计算机间通信也可用于计算机内通信,管道、消息队列、信号量以及共享内存等都是属于计算机内通信的情况。

一、 套接字Api详细介绍

1. 套接字描述符

首先会先到的是文件描述符,对Linux一切皆文件的哲学又多懂了一点儿点儿。

套接字是通信端点的抽象。与应用程序使用文件描述符一样,访问套接字需要使用套接字描述符。套接字描述符在UNIX系统是用文件描述符实现的。

#include  <sys/socket.h>
int  socket (int domain, int type, int protocal);
返回值:成功返回文件(套接字)描述符,出错返回-1

参数domain(域)确定通信的特性,包括地址格式。各个域都有自己的格式表示地址,表示各个域的常数都以AF_开头,意指地址族(address family).

参数type确定套接字的类型,进一步确定通信特征。下图给出了一些类型,但在实现中可以自由增加对其他类型的支持。

参数protocol通常是0,表示按给定的域和套接字类型选择默认的协议。当对同一域和套接字类型支持多个协议时,可以使用proticol参数选择一个特定协议。在A_FINET通信域中套接字类型SOCK_STREAM的默认协议是TCP(传输控制协议);A_FINET通信域中套接字类型SOCK_DGRAM的默认协议是UDP(用户数据报协议)。

字节流(SOCK_STREAM)要求在交换数据之前,在本地套接字和远程套接字之间建

立一个逻辑联系。

Tcp:没有报文界限,提供的是字节流服务。之前写过Qt传输图片的拆包与解包,原因就是如此吧。

调用socket与调用open类型,均可获得用于输入、输出的文件描述符。不用的时候记得close关闭。

2. 寻址

如何确定一个目标通信进程?

进程的标识有两个部分:计算机的网络地址可以确定网络上与之想要通信的计算机

服务可以确定计算机上的特定进程。

2.1 字节序

在同一台计算机上进程间通信时,一般无需考虑字节序。

TCP/IP协议栈使用大端字节序。有关字节序大家可自行百度。

Linux系统是小端字节序。

2.2 地址格式

地址确定了特定通信域中的套接字端点,地址格式与特定的通信域相关。为使不同格式的地址能够被传入到套接字函数,地址被强转换成通用的地址结构sockaddr表示。

Linux中,sockaddr_in定义如下:

struct sockaddr_in {
sa_family_t    sin_family;
in_port_t      sin_port;
struct  in_addr   sin_addr;
unsigned char    sin_zero[8];
};

其中成员sin_zero为填充字段,必须全部置0. 所以在网上搜到的例子有使用bzero.

我目前使用的ubuntu定义如下:

/* Structure describing an Internet socket address.  */
struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);
    in_port_t sin_port;      /* Port number.  */
    struct in_addr sin_addr;    /* Internet address.  */

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
         __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
         sizeof (in_port_t) -
         sizeof (struct in_addr)];
  };

还有很多关于地址查询的函数,这里就不一一列举了。

3. 将套接字与地址绑定

使用bind函数将地址绑定到一个套接字上。

#include  <sys/socket.h>
int bind(int  sockfd, const struct sockaddr * addr, socklen_t  len);
返回值:成功返回0,出错返回-1

参数socklen_t使用sizeof来计算就好了。

对于使用地址的一些限制:

端口号不能小于1024,除非该进程具有相应的特权(即为超级用户)。可见规则总是因人而异,计算机也是如此~

对于因特网域,如果指定IP地址为ADDR_ANY,套接字端点可以被绑定到所有的系统网络接口。

注意:linux的man命令可以查看api的详细说明,而且还有例子,也挺不错的。

4. 建立连接

1> connect

如果处理的是面向连接的网络服务(SOCK_STREAM或SOCK_SEQPACKET),在开始交换数据前,需要在请求服务的进程套接字(客户端)和提供服务的进程套接字(服务器)之间建立一个连接。使用connect.

#include  <sys/socket.h>
int connect(int  sockfd, const struct sockaddr  *addr,  socklen_t  len);
返回值:成功返回0,出错返回-1

诶,这个参数好熟悉呀,和bind函数的参数一模一样呀~

当client连接server时,由于一些原因,连接可能会失败。可以使用指数补偿的算法解决,了解一下即可。

2> listen

server调用listen来宣告可以接受连接请求:

#include  <sys/socket.h>
Int listen(int  sockfd, int  backlog);
返回值:成功返回0,出错返回-1

参数backlog提供了一个提示,用于表示该进程所要入队的连接请求数量。其值由系统决定,但上限由<sys/socket.h>中SOMAXCONN指定。

一旦队列满,系统会拒绝多余的连接请求。

3> accept

一旦服务器调用了listen,套接字就能接收连接请求。使用函数accept获得连接请求并建立连接。

#include  <sys/socket.h>
Int accept(int sockfd,  struct sockaddr *restrict  addr, socklen_t *restrict  len);
返回值:成功返回文件(套接字)描述符,出错返回-1

函数accept所返回的文件描述符是套接字描述符,该描述符连接到调用connect的客户端。这个新的套接字描述符和原始套接字(sockfd)具有相同的套接字类型和地址族。传给accept的原始套接字没有关联到这个连接,而是继续保持可用状态并接受其他连接请求。

如果不关心客户端标识,可以将addr和len设置为NULL,否则addr存放的是连接的客户端的地址。

如果没有连接请求等待处理,accept会阻塞直到有请求到来。另外server可以使用poll或select来等待一个请求的到来。

5. 数据传输

既然将套接字端点表示为文件描述符,那么只要建立连接,就可以使用read和write来通过套接字通信。read和write函数我几乎不用,了解一下即可。

1> send

#include  <sys/socket.h>
Int send(int sockfd,  const void *buf,  size_t  nbytes,  int  flags);
返回值:成功返回发送的字节数,出错返回-1

注意:如果send成功返回,并不一定并表示连接的另一端的进程接收数据。可以保证的是数据已经无误的发送到网络上。

标志我一直用的是0

2> recv

#include  <sys/socket.h>
int recv(int sockfd,  const void *buf,  size_t  nbytes,  int  flags);
返回值:以字节计数的消息长度,若无可用消息或对方已经按序结束则返回0,      出错返回-1

仍然一直是0

如果想定位发送者,可以使用recvfrom来得到数据发送者的源地址。

3> recvfrom

#include  <sys/socket.h>
int recv(int sockfd,  void *restrict buf, size_t len, int flag, 
struct sockaddr *restrict  addr, 
socklen_t *restrict  len);
返回值:以字节计数的消息长度,若无可用消息或对方已经按序结束则返回0,      出错返回-1

因为可以获得发送者的地址,recvfrom通常用于无连接套接字。否则,recvfrom等同于recv。

二、 小结

这里面再提一个带外数据,感兴趣的同志可以自行百度。

之前写过一个server和client的例子,连接如下,可对应本文做对比阅读。

Linux Socket Server 与 Client 例子

个人觉得这只是套接字的入门,如果一个服务器要连接多个客户端呢?以后有机会和大家一起分享下select的套接字用法。

思考:毕业后的学习与在学校的学习有什么区别呢 ?

本文分享自微信公众号 - Pou光明(pou0230),作者:PouG

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原始发表时间:2020-07-05

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