网络中进程之间如何通信？

首先考虑一个问题：我们每天打开浏览器浏览网页时，浏览器的进程怎么与web服务器通信的？

这幅图很形象地描述了通信的过程，这也就引出了小媛想要和大家介绍的——网络中进程间具体是怎样通信的——

网络中进程间通信主要是靠socket

（网络中是与本地相对应的）

简单的通信流程如下所示：

一个服务器通常通过创建一个套接字,然后开始接受来自客户端的请求，它的常规顺序如下：

一个客户端与服务器通过 TCP/IP 进行通信需要做的事情：

接下来呢，小媛将会简单地介绍一下上述提到的socket通信中所需的一些基础函数。

首先，一个非常重要并且需要了解的概念是 文件描述符 。

一个文件描述符是一个正整数， 当一个进程打开一个存在的文件，创建一个新文件或创建一个新的套接字的时候，内核返回一个正整数给进程，这个正整数就是文件描述符。

你可能听说过，在 UNIX 中一切皆文件。内核通过文件描述符来索引一个进程打开的文件。当你需要读或写一个文件时，你需要用文件描述符来标记它。

网络中的进程通信

在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。

但是TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。

这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）来实现网络进程之间的通信。

socket是“open—write/read—close”模式的一种实现。

创建套接字 socket()

socket函数对应于普通文件的打开操作。

（使用协议PROTOCOL在域DOMAIN中创建TYPE类型的新套接字。如果PROTOCOL为零，则自动选择一个。返回新套接字的文件描述符，或者返回-1表示错误。）

/* Create a new socket of type TYPE in domain DOMAIN, using
  protocol PROTOCOL. If PROTOCOL is zero, one is chosen automatically.
  Returns a file descriptor for the new socket, or -1 for errors. */

    int socket (int __domain, int __type, int __protocol) __THROW;
    eg:
        httpd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

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。 （PF_INET和AF_INET在window中一样，在linux中有微小区别，AF 表示ADDRESS FAMILY 地址族PF 表示PROTOCOL FAMILY 协议族）
• type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM(流套接字，使用TCP协议传输)、SOCK_DGRAM (数据报套接字，使用UDP协议传输)、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些如下）。
• protocol：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

注意：上面的函数参数 type 和 protocol 不可以随意组合的，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 函数创建一个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。

socket绑定地址--bind() 函数

bind函数把地址族中的特定地址赋值给socket。

/* Give the socket FD the local address ADDR (which is LEN bytes long). */
int bind (int __fd, __CONST_SOCKADDR_ARG __addr, socklen_t __len)__THROW;

eg:
struct sockaddr_in name;
memset(&name, 0, sizeof(name));
   name.sin_family = AF_INET;
   name.sin_port = htons(*port);
   name.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
bind(httpd, (struct sockaddr *)&name, sizeof(name));

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 */
};

len：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。

监听函数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。

/* Prepare to accept connections on socket FD.
  N connection requests will be queued before further requests are refused.
  Returns 0 on success, -1 for errors. */
int listen(int sockfd, int backlog);
eg:
listen(httpd, 5)
/* Open a connection on socket FD to peer at ADDR (which LEN bytes long).
  For connectionless socket types, just set the default address to send to
  and the only address from which to accept transmissions.
  Return 0 on success, -1 for errors.

  This function is a cancellation point and therefore not marked with
  __THROW. */
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。

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。

/* Await a connection on socket FD.
  When a connection arrives, open a new socket to communicate with it,
  set *ADDR (which is *ADDR_LEN bytes long) to the address of the connecting
  peer and *ADDR_LEN to the address's actual length, and return the
  new socket's descriptor, or -1 for errors.

  This function is a cancellation point and therefore not marked with
  __THROW. */
int accept (int __fd, __SOCKADDR_ARG __addr,socklen_t *__restrict __addr_len);
eg:
client_sock = accept(server_sock, (struct sockaddr *)&client_name,
               &client_name_len);

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。

read(), write() 函数

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).

recv() 函数

int recv( SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags);

不论是客户还是服务器应用程序都用recv函数从TCP连接的另一端接收数据。

该函数的第一个参数指定接收端套接字描述符；

第二个参数指明一个缓冲区，该缓冲区用来存放recv函数接收到的数据；

第三个参数指明buf的长度；

第四个参数一般置0。

这里只描述同步Socket的recv函数的执行流程。当应用程序调用recv函数时，

1）recv先等待s的发送缓冲中的数据被协议传送完毕，如果协议在传送s的发送缓冲中的数据时出现网络错误，那么recv函数返回SOCKET_ERROR；

2）如果s的发送缓冲中没有数据或者数据被协议成功发送完毕后，recv先检查套接字s的接收缓冲区，如果s接收缓冲区中没有数据或者协议正在接收数据，那么recv就一直等待，直到协议把数据接收完毕。

当协议把数据接收完毕，recv函数就把s的接收缓冲中的数据copy到buf中（注意协议接收到的数据可能大于buf的长度，所以 在这种情况下要调用几次recv函数才能把s的接收缓冲中的数据copy完。recv函数仅仅是copy数据，真正的接收数据是协议来完成的）；

recv函数返回其实际copy的字节数。如果recv在copy时出错，那么它返回SOCKET_ERROR；如果recv函数在等待协议接收数据时网络中断了，那么它返回0。

注意：在Unix系统下，如果recv函数在等待协议接收数据时网络断开了，那么调用recv的进程会接收到一个SIGPIPE信号，进程对该信号的默认处理是进程终止。

send() 函数

int send( SOCKET s, const char FAR \*buf, int len, int flags );

不论是客户还是服务器应用程序都用send函数来向TCP连接的另一端发送数据。

客户程序一般用send函数向服务器发送请求，而服务器则通常用send函数来向客户程序发送应答。

该函数的第一个参数指定发送端套接字描述符；

第二个参数指明一个存放应用程序要发送数据的缓冲区；

第三个参数指明实际要发送的数据的字节数；

第四个参数一般置0。

这里只描述同步Socket的send函数的执行流程。当调用该函数时：

1）send先比较待发送数据的长度len和套接字s的发送缓冲的长度， 如果len大于s的发送缓冲区的长度，该函数返回SOCKET_ERROR；

2）如果len小于或者等于s的发送缓冲区的长度，那么send先检查协议是否正在发送s的发送缓冲中的数据，如果是就等待协议把数据发送完，如果协议还没有开始发送s的发送缓冲中的数据或者s的发送缓冲中没有数据，那么send就比较s的发送缓冲区的剩余空间和len；

3）如果len大于剩余空间大小，send就一直等待协议把s的发送缓冲中的数据发送完

4）如果len小于剩余 空间大小，send就仅仅把buf中的数据copy到剩余空间里（注意并不是send把s的发送缓冲中的数据传到连接的另一端的，而是协议传的，send仅仅是把buf中的数据copy到s的发送缓冲区的剩余空间里）。

如果send函数copy数据成功，就返回实际copy的字节数，如果send在copy数据时出现错误，那么send就返回SOCKET_ERROR；

如果send在等待协议传送数据时网络断开的话，那么send函数也返回SOCKET_ERROR。

（要注意send函数把buf中的数据成功copy到s的发送缓冲的剩余空间里后它就返回了，但是此时这些数据并不一定马上被传到连接的另一端。）

如果协议在后续的传送过程中出现网络错误的话，那么下一个Socket函数就会返回SOCKET_ERROR。

每一个除send外的Socket函数在执行的最开始总要先等待套接字的发送缓冲中的数据被协议传送完毕才能继续，如果在等待时出现网络错误，那么该Socket函数就返回 SOCKET_ERROR。

注意：在Unix系统下，如果send在等待协议传送数据时网络断开的话，调用send的进程会接收到一个SIGPIPE信号，进程对该信号的默认处理是进程终止。

通过测试发现，异步socket的send函数在网络刚刚断开时还能发送返回相应的字节数，同时使用select检测也是可写的，但是过几秒钟之后，再send就会出错了，返回-1。select也不能检测出可写了。

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。

关于TCP连接的建立请看往期推文：面试必考 | TCP 协议（第一弹）

最后，小媛还给大家提供了socket基本函数的简单演示例程。需要的同学后台回复“socket”即可获得。

您在看的过程中有什么问题欢迎和小媛交流讨论哦！

本文主要参考自：《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》

作者：西瓜媛

编辑：西瓜媛

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