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Socket 接口簡介

Socket 套接字是由 BSD（加州大學(xué)伯克利分校軟件研發(fā)中心）開發(fā)的一套獨(dú)立于具體協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口值骇，應(yīng)用程序可以用這個(gè)接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。要注意：Socket 不是一套通信協(xié)議（HTTP缕减，F(xiàn)TP 等是通信協(xié)議）雷客，而是編程的接口，即我們在程序中使用的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)桥狡。TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)編程底層就是使用 Socket 接口來通信搅裙，所以在學(xué)習(xí) TCP/IP 編程之前必須知道 Socket 的接口使用方法。

Socket API 接口

基本的編程接口有：socket裹芝，bind部逮，listen，accept嫂易，connect兄朋，send，recv 等怜械，這些函數(shù)都很重要颅和，下面來一一學(xué)習(xí)這些函數(shù)傅事。

創(chuàng)建通信套接字：socket

socket 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)通信的端點(diǎn)，并返回一個(gè)指向該端點(diǎn)的文件描述符（Linux 下一切皆是文件）：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

/*
 * domain: 通信協(xié)議簇峡扩，例如 AF_INET, AF_UNIX...
 * type: SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM 等等
 * protocol: 通常為 0
 * return: 成功返回文件描述符蹭越，失敗返回 -1，并設(shè)置 erron
 */
int socket(int domain, int type, int protocol);

例如服務(wù)器端創(chuàng)建一個(gè)用于接受客戶端連接的 socket 的代碼：

int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(-1 == server_fd) {
    perror("socket");
    exit(1);
}

分配套接字名稱：bind

當(dāng)用 socket 函數(shù)創(chuàng)建套接字后教届，并沒有為它分配 IP 地址和端口响鹃，我們還需要使用 bind 函數(shù)來將指定的 IP 和端口分配給已經(jīng)創(chuàng)建的 socket：

#include <sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>

/*
 * sockfd: socket 返回的文件描述符
 * addr: 含有要綁定的 IP 和端口的地址結(jié)構(gòu)指針
 * addrlen: 第二個(gè)參數(shù)的大小，使用 sizeof 來計(jì)算
 * return: 成功返回 0案训，失敗返回 -1买置，并設(shè)置 erron
 */
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

其實(shí)第二個(gè)參數(shù)要注意，參數(shù)指定的是 struct sockaddr * 類型强霎，一般不直接使用這個(gè)結(jié)構(gòu)忿项，這個(gè)類型在 Linux 上有許多的變種，例如 sockaddr_in 和 sockaddr_un脆栋，經(jīng)常使用后面 2 個(gè)結(jié)構(gòu)定義 IP 和端口信息倦卖，在 bind 是強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成 struct sockaddr * 類型：

// struct sockaddr_un myaddr;
struct sockaddr_in myaddr;
myaddr.sin_family = AF_INET;
// 接受任何 IP 地址的連接
myaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
// 指定連接端口為 8080
myaddr.sin_port = htons(8080);
if(bind(server_fd, (struct sockaddr *)&myaddr, sizeof(sockaddr_in)) == -1) {
    perror("bind");
    exit(1);
}

開始監(jiān)聽：listen

使用 listen 來建立一個(gè)監(jiān)聽客戶端連接的隊(duì)列：

#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>

/*
 * sockfd: 監(jiān)聽的 socket 描述符
 * backlog: 建立的最大連接數(shù)
 * return: 成功返回 0洒擦，失敗返回 -1椿争，并設(shè)置 erron
 */
int listen(int sockfd, int backlog);

例如創(chuàng)建一個(gè)可以監(jiān)聽 10 個(gè)客戶端連接請求的隊(duì)列：

if(listen(server_fd, 10) == -1) {
    perror("listen");
    exit(1);
}

接受連接請求：accept

網(wǎng)絡(luò)編程的核心一步就是建立客戶端和服務(wù)器端的連接，使用 accept 來建立 2 者的連接：

#include <sys/types.h>   
#include <sys/socket.h>

/*
 * sockfd: 已經(jīng)創(chuàng)建的本地正在監(jiān)聽的 socket
 * addr: 保存連接的客戶端的地址信息
 * addrlen: sockaddr 的長度指針
 * return: 成功返回客戶端的 socket 文件描述符號熟嫩，失敗返回 -1秦踪，設(shè)置 erron
 */
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

后兩個(gè)參數(shù)我們需要定義，但是不需要初始化掸茅，在連接成功后客戶端的 socket 信息會(huì)自動(dòng)地填入第 3 個(gè)結(jié)構(gòu)中椅邓。使用方法如下：

struct sockaddr_in clientaddr;
int clientaddr_len = sizeof(clientaddr);

// 建立連接請求
int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientaddr_len);
if(client_fd == -1) {
    perror("accept error") ;
    exit(1) ;
}

// socket fd 使用完畢也必須關(guān)閉
close(client_fd);

發(fā)送數(shù)據(jù)：send，sendto

在建立連接之后昧狮，當(dāng)然要發(fā)送數(shù)據(jù)景馁，既然 socket 也是文件，發(fā)送數(shù)據(jù)其實(shí)也就是寫文件逗鸣，我們使用 send 函數(shù)來發(fā)送 socket 數(shù)據(jù)：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

/*
 * sockfd: 接受數(shù)據(jù)的 socket
 * buf: 發(fā)送的數(shù)據(jù)
 * len: 數(shù)據(jù)長度
 * flags: 當(dāng)這個(gè)參數(shù)為 0合住，該函數(shù)等價(jià)與 write
 * return: 成功返回發(fā)送的字節(jié)數(shù)，失敗返回 -1撒璧，并設(shè)置 erron
 */
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

/* sendto 功能是將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的地址 dest_addr透葛，其他參數(shù)基本相同 */
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

例如服務(wù)器在建立連接后發(fā)送一個(gè)字符串到客戶端：

char msg[] = "Hello Client."
send(client_fd, msg, strlen(msg), 0);

sendto(client_fd, msg, strlen(msg), 0,
      (struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(dest_addr));

接收數(shù)據(jù)：recv，recvfrom

既然有發(fā)送數(shù)據(jù)卿樱，必然有接收數(shù)據(jù)的函數(shù)僚害，與 send 類似，recv 的功能也跟 read 幾乎相同：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

/*
 * sockfd: 接收的 socket fd
 * buf: 接收緩沖區(qū)
 * len: 緩沖區(qū)長度
 * flags: 當(dāng)這個(gè)參數(shù)為 0繁调，該函數(shù)等價(jià)與 read
 * return: 成功返回接受的字節(jié)數(shù)萨蚕，失敗返回 -1靶草，并設(shè)置 erron
 */
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

/* recvfrom 從指定的地址 src_addr 接收數(shù)據(jù)，其他參數(shù)與 recv 類似 */
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

例如接受服務(wù)器發(fā)送的字符串：

char msg_buf[100] = { 0 };
recv(server_fd, msg_buf, 100, 0);

int srcaddr_len = sizeof(src_addr);
recvfrom(server_fd, msg_buf, 100, 0,
        (struct sockaddr*)&src_addr, &srcaddr_len);

基本的 socket 函數(shù)就介紹完了岳遥，但是這里不可能將所有細(xì)節(jié)都列出來爱致，想要深入的學(xué)習(xí)建議你查看對應(yīng)函數(shù)的 man 手冊，例如 man socket寒随，man recvfrom 等等糠悯。

使用 Socket 進(jìn)行 TCP 通信

TCP 通信的概念在上一篇文章中已經(jīng)介紹過了，這里使用 Socket 提供的編程接口來實(shí)際編寫一個(gè)簡單的服務(wù)器和客戶端來模擬通信過程妻往，下面是使用 Socket 進(jìn)行 TCP 通信的過程：

tcp socket

1. TCP 服務(wù)器

其中用到的都是上面介紹的 socket 函數(shù)互艾，整個(gè)通信過程不算很復(fù)雜，主要是：建立連接-傳輸或處理數(shù)據(jù)-關(guān)閉連接讯泣。下面就是一個(gè)基于 TCP 的簡單服務(wù)器的例子纫普，這里為了防止代碼過多就省去了返回值檢查的過程（檢查過程可以參考前面的例子）：

// tcp_server.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(void) {
    int server_fd, client_fd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    struct sockaddr_in client_addr;
    // 1. init server addr
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(8888);
    int client_addr_len = sizeof(client_addr);
    // 2. create socket
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
    // 3. bind server_addr to server_fd
    bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    // 4. listen server_fd, max listen client num = 10
    listen(server_fd, 10);
    printf("TCP server is listening...\n");
    // 5. accept client connect
    char send_msg[] = "hello client";
    while(1) {
        client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
        // 6. send data
        send(client_fd, send_msg, sizeof(send_msg), 0);
        printf("Write \"hello client\" to client ok.\n");
        // 7. close client fd
        close(client_fd);
    }
    // 8. close server fd
    close(server_fd);
    return 0;
}

這個(gè)例子非常基礎(chǔ)好渠，但是還是有 4 處容易出錯(cuò)的地方：

1. INADDR_ANY: 允許任何 IP 地址的客戶端連接本服務(wù)器
2. 指定端口為 8888: 連接的端口被指定為 8888昨稼，如果連接不成功則端口可能被占用，可以嘗試更換端口
3. AF_INET 和 SOCK_STREAM: 兩者確定了當(dāng)前使用的是 TCP 協(xié)議
4. 強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為 struct sockaddr *: 在使用 bind 和 accept 時(shí)拳锚，都需要將 sockaddr_in 或 sockaddr_un 強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為這個(gè)類型
5. 不要忘記關(guān)閉 socket 的文件描述符 fd

編譯運(yùn)行該服務(wù)器：

gcc tcp_server.c -o tcp_server

./tcp_server
TCP server is listening...
^C

運(yùn)行正常假栓，下面來看看 TCP 客戶端的代碼。

2. TCP 客戶端

TCP 客戶端直接創(chuàng)建 socket霍掺，然后使用 connect 連接服務(wù)器匾荆，之后接收服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc < 2) {
        printf("Usage: ./tcp_client localhost\n");
        exit(1);
    }
    int server_fd = 0;
    // 1. init client addr
    struct sockaddr_in client_addr;
    client_addr.sin_family = AF_INET;
    struct hostent *myhost = gethostbyname(argv[1]);
    client_addr.sin_addr = (*((struct in_addr *)(myhost->h_addr)));
    client_addr.sin_port = htons(8888);
    // 2. create socket
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // 3. connect server
    connect(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, sizeof(client_addr));
    // 4. recv msg from server
    char msg_buf[100] = { 0 };
    recv(server_fd, msg_buf, 100, 0);
    printf("Client get server msg: %s\n", msg_buf);
    // 5. close fd
    close(server_fd);
    return 0;
}

要注意的是客戶端這里根據(jù)實(shí)際的域名來獲取 IP，也可以使用下面的代碼直接使用指定的 IP 地址：

client_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

編譯看看：

gcc tcp_client.c -o tcp_client

./tcp_client localhost

沒有錯(cuò)誤杆烁，下面來測試下牙丽。

3. 測試 TCP 連接

先運(yùn)行服務(wù)器：

./tcp_server
TCP server is listening...

在新的終端中運(yùn)行客戶端：

./tcp_client localhost
Client get server msg: hello client

成功接收了服務(wù)器的消息，并且服務(wù)器也打印了消息：

./tcp_server
Write "hello client" to client ok.

這就成功的實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的使用 TCP 實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端通信的例子了兔魂，例子實(shí)現(xiàn)起來很簡單烤芦，把前面介紹的 API 理解并學(xué)會(huì)使用就可以了。下面再來看看使用 UDP 的如何實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程的通信析校。

使用 Socket 進(jìn)行 UDP 通信

UDP 通信的基本概念也在上一篇文章中构罗，可以點(diǎn)擊查看，UDP 是一種面向無連接的協(xié)議勺良，因而具有資源消耗小绰播，處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，所以通常音頻尚困、視頻等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)在傳送時(shí)使用 UDP 較多蠢箩，因?yàn)樗鼈兗词古紶杹G失一兩個(gè)數(shù)據(jù)包，也不會(huì)對接收結(jié)果產(chǎn)生太大影響，比如 QQ 就是使用的 UDP 協(xié)議谬泌。通信過程如下：

udp socket

下面是一個(gè)具體的通信例子滔韵。

1. UDP 服務(wù)器端

最后的 recvfrom 函數(shù)是從指定的地址接收 UDP 數(shù)據(jù)，與 recv 的作用基本相同掌实。

// udp_server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/un.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(8888);

    int serveraddr_len = sizeof(server_addr);
    // 1.create socket
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    // 2.bind
    bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, serveraddr_len);
    // 3.recv data
    char buf[100];
    recvfrom(server_fd, buf, 100, 0,
            (struct sockaddr*)&server_addr, &serveraddr_len);
    printf("UDP server get data from client: %s\n", buf);
    // 4.close
    close(server_fd);
    return 0;
}

2. UDP 客戶端

sendto 函數(shù)是把 UDP 數(shù)據(jù)發(fā)送給指定的地址陪蜻，詳細(xì)使用方法參考 man sendto。

// udp_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>

int main(int argc, char* argv[]) {
    struct hostent* myhost = gethostbyname(argv[1]);
    struct sockaddr_in client_addr;
    client_addr.sin_family = AF_INET;
    client_addr.sin_addr = *((struct in_addr*)(myhost->h_addr));
    client_addr.sin_port = htons(8888);

    // 1.socket
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    // 2.send data
    sendto(server_fd, "Hello World", 11, 0,
          (struct sockaddr*)&client_addr, sizeof(client_addr));
    printf("UDP client send data ok.\n");
    close(server_fd);
    return 0;
}

3. 測試 UDP 通信

先來編譯：

gcc -Wall udp_server.c -o udp_server
gcc -Wall udp_client.c -o udp_client

這里會(huì)出現(xiàn)些警告贱鼻，我們暫時(shí)忽略宴卖，因?yàn)椴挥绊懽詈蟮慕Y(jié)果，但是在實(shí)際工作中還是要注意警告邻悬！再來運(yùn)行 UDP 服務(wù)器端：

./udp_server

接著新開一個(gè)終端運(yùn)行 UDP 客戶端：

./udp_client localhost
UDP client send data ok.

數(shù)據(jù)包發(fā)送完成症昏，回到 UDP 服務(wù)器端：

UDP server get data from client: Hello World

服務(wù)器端也成功接收了數(shù)據(jù)了，通信成功啦父丰！

結(jié)語

這篇博客主要介紹了使用 Socket 提供的 API 進(jìn)行 TCP 和 UDP 網(wǎng)絡(luò)通信的基本方法肝谭，并實(shí)際介紹了 2 個(gè) demo，把這兩個(gè) demo 弄清楚了蛾扇，基本的 TCP攘烛，UDP 原理也就理解的差不多了，但在實(shí)際工作中我們主要還是使用優(yōu)秀的開源網(wǎng)絡(luò)庫镀首，一般不會(huì)自己封裝坟漱。網(wǎng)絡(luò)通信是一個(gè)很大的主題，很多細(xì)節(jié)沒有介紹到蘑斧，有興趣可以查看 「計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)」 和 「unix 網(wǎng)絡(luò)編程」 這兩本經(jīng)典書籍靖秩。

那我們下次見须眷，謝謝你的閱讀 :)