UnixLinux环境下的Socket编程.docx
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UnixLinux环境下的Socket编程
Unix/Linux环境下的Socket编程
来源：
CSDN博客
什么是Socket？
Socket接口是TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数或例程，程式员能用他们来研发TCP/IP网络上的应用程式。
要学Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解Socket接口。
Socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。
如果了解Unix系统的输入和输出的话，就非常容易了解Socket了。
网络的Socket数据传输是一种特别的I/O，Socket也是一种文件描述符。
Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket（），该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。
常用的Socket类型有两种：
流式Socket（SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。
流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。
Socket建立
为了建立Socket，程式能调用Socket函数，该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。
socket函数原型为：
intsocket（intdomain,inttype,intprotocol）;
domain指明所使用的协议族，通常为PF_INET，表示互连网协议族（TCP/IP协议族）；type参数指定socket的类型：
SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM，Socket接口还定义了原始Socket（SOCK_RAW），允许程式使用低层协议；protocol通常赋值"0"。
Socket（）调用返回一个整型socket描述符，你能在后面的调用使用他。
Socket描述符是个指向内部数据结构的指针，他指向描述符表入口。
调用Socket函数时，socket执行体将建立一个Socket，实际上"建立一个Socket"意味着为一个Socket数据结构分配存储空间。
Socket执行体为你管理描述符表。
两个网络程式之间的一个网络连接包括五种信息：
通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。
Socket数据结构中包含这五种信息。
Socket设置
通过socket调用返回一个socket描述符后，在使用socket进行网络传输以前，必须设置该socket。
面向连接的socket客户端通过调用Connect函数在socket数据结构中保存本地和远端信息。
无连接socket的客户端和服务端及面向连接socket的服务端通过调用bind函数来设置本地信息。
Bind函数将socket和本机上的一个端口相关联，随后你就能在该端口监听服务请求。
Bind函数原型为：
intbind（intsockfd,structsockaddr*my_addr,intaddrlen）;
Sockfd是调用socket函数返回的socket描述符,my_addr是个指向包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针；addrlen常被设置为sizeof（structsockaddr）。
structsockaddr结构类型是用来保存socket信息的：
structsockaddr{
unsignedshortsa_family;/*地址族，AF_xxx*/
charsa_data[14];/*14字节的协议地址*/
};
sa_family一般为AF_INET，代表Internet（TCP/IP）地址族；sa_data则包含该socket的IP地址和端口号。
另外更有一种结构类型：
structsockaddr_in{
shortintsin_family;/*地址族*/
unsignedshortintsin_port;/*端口号*/
structin_addrsin_addr;/*IP地址*/
unsignedcharsin_zero[8];/*填充0以保持和structsockaddr同样大小*/
};
这个结构更方便使用。
sin_zero用来将sockaddr_in结构填充到和structsockaddr同样的长度，能用bzero（）或memset（）函数将其置为零。
指向sockaddr_in的指针和指向sockaddr的指针能相互转换，这意味着如果一个函数所需参数类型是sockaddr时，你能在函数调用的时候将一个指向sockaddr_in的指针转换为指向sockaddr的指针；或相反。
使用bind函数时，能用下面的赋值实现自动获得本机IP地址和随机获取一个没有被占用的端口号：
my_addr.sin_port=0;/*系统随机选择一个未被使用的端口号*/
my_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;/*填入本机IP地址*/
通过将my_addr.sin_port置为0，函数会自动为你选择一个未占用的端口来使用。
同样，通过将my_addr.sin_addr.s_addr置为INADDR_ANY，系统会自动填入本机IP地址。
注意在使用bind函数是需要将sin_port和sin_addr转换成为网络字节优先顺序；而sin_addr则不必转换。
计算机数据存储有两种字节优先顺序：
高位字节优先和低位字节优先。
Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，所以对于在内部是以低位字节优先方式存储数据的机器，在Internet上传输数据时就需要进行转换，否则就会出现数据不一致。
下面是几个字节顺序转换函数：
htonl（）：
把32位值从主机字节序转换成网络字节序
htons（）：
把16位值从主机字节序转换成网络字节序
ntohl（）：
把32位值从网络字节序转换成主机字节序
ntohs（）：
把16位值从网络字节序转换成主机字节序
Bind（）函数在成功被调用时返回0；出现错误时返回"-1"并将errno置为相应的错误号。
需要注意的是，在调用bind函数时一般不要将端口号置为小于1024的值，因为1到1024是保留端口号，你能选择大于1024中的所有一个没有被占用的端口号。
连接建立
面向连接的客户程式使用Connect函数来设置socket并和远端服务器建立一个TCP连接，其函数原型为：
intconnect（intsockfd,structsockaddr*serv_addr,intaddrlen）;
Sockfd是socket函数返回的socket描述符；serv_addr是包含远端主机IP地址和端口号的指针；addrlen是远端地质结构的长度。
Connect函数在出现错误时返回-1，并且设置errno为相应的错误码。
进行客户端程式设计无须调用bind（），因为这种情况下只需知道目的机器的IP地址，而客户通过哪个端口和服务器建立连接并不必关心，socket执行体为你的程式自动选择一个未被占用的端口，并通知你的程式数据什么时候到打断口。
Connect函数启动和远端主机的直接连接。
只有面向连接的客户程式使用socket时才需要将此socket和远端主机相连。
无连接协议从不建立直接连接。
面向连接的服务器也从不启动一个连接，他只是被动的在协议端口监听客户的请求。
Listen函数使socket处于被动的监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程式处理他们。
intlisten（intsockfd，intbacklog）;
Sockfd是Socket系统调用返回的socket描述符；backlog指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待accept（）他们（参考下文）。
Backlog对队列中等待服务的请求的数目进行了限制，大多数系统缺省值为20。
如果一个服务请求到来时，输入队列已满，该socket将拒绝连接请求，客户将收到一个出错信息。
当出现错误时listen函数返回-1，并置相应的errno错误码。
accept（）函数让服务器接收客户的连接请求。
在建立好输入队列后，服务器就调用accept函数，然后睡眠并等待客户的连接请求。
intaccept（intsockfd,void*addr,int*addrlen）;
sockfd是被监听的socket描述符，addr通常是个指向sockaddr_in变量的指针，该变量用来存放提出连接请求服务的主机的信息（某台主机从某个端口发出该请求）；addrten通常为一个指向值为sizeof（structsockaddr_in）的整型指针变量。
出现错误时accept函数返回-1并置相应的errno值。
首先，当accept函数监视的socket收到连接请求时，socket执行体将建立一个新的socket，执行体将这个新socket和请求连接进程的地址联系起来，收到服务请求的初始socket仍能继续在以前的socket上监听，同时能在新的socket描述符上进行数据传输操作。
数据传输
Send（）和recv（）这两个函数用于面向连接的socket上进行数据传输。
Send（）函数原型为：
intsend（intsockfd,constvoid*msg,intlen,intflags）;
Sockfd是你想用来传输数据的socket描述符；msg是个指向要发送数据的指针；Len是以字节为单位的数据的长度；flags一般情况下置为0（关于该参数的用法可参照man手册）。
Send（）函数返回实际上发送出的字节数，可能会少于你希望发送的数据。
在程式中应该将send（）的返回值和欲发送的字节数进行比较。
当send（）返回值和len不匹配时，应该对这种情况进行处理。
char*msg="Hello!
";
intlen,bytes_sent;
……
len=strlen（msg）;
bytes_sent=send（sockfd,msg,len,0）;
……
recv（）函数原型为：
intrecv（intsockfd,void*buf,intlen,unsignedintflags）;
Sockfd是接受数据的socket描述符；buf是存放接收数据的缓冲区；len是缓冲的长度。
Flags也被置为0。
Recv（）返回实际上接收的字节数，当出现错误时，返回-1并置相应的errno值。
Sendto（）和recvfrom（）用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。
由于本地socket并没有和远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。
sendto（）函数原型为：
intsendto（intsockfd,constvoid*msg,intlen,unsignedintflags,conststructsockaddr*to,inttolen）;
该函数比send（）函数多了两个参数，to表示目地机的IP地址和端口号信息，而tolen常常被赋值为sizeof（structsockaddr）。
Sendto函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。
Recvfrom（）函数原型为：
intrecvfrom（intsockfd,void*buf,intlen,unsignedintflags,structsockaddr*from,int*fromlen）;
from是个structsockaddr类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。
fromlen常置为sizeof（structsockaddr）。
当recvfrom（）返回时，fromlen包含实际存入from中的数据字节数。
Recvfrom（）函数返回接收到的字节数或当出现错误时返回-1，并置相应的errno。
如果你对数据报socket调用了connect（）函数时，你也能利用send（）和recv（）进行数据传输，但该socket仍然是数据报socket，并且利用传输层的UDP服务。
但在发送或接收数据报时，内核会自动为之加上目地和源地址信息。
结束传输
当所有的数据操作结束以后，你能调用close（）函数来释放该socket，从而停止在该socket上的所有数据操作：
close（sockfd）;
你也能调用shutdown（）函数来关闭该socket。
该函数允许你只停止在某个方向上的数据传输，而一个方向上的数据传输继续进行。
如你能关闭某socket的写操作而允许继续在该socket上接受数据，直至读入所有数据。
intshutdown（intsockfd,inthow）;
Sockfd是需要关闭的socket的描述符。
参数how允许为shutdown操作选择以下几种方式：
0-------不允许继续接收数据
1-------不允许继续发送数据
2-------不允许继续发送和接收数据，
?
均为允许则调用close（）
shutdown在操作成功时返回0，在出现错误时返回-1并置相应errno。
Socket编程实例
代码实例中的服务器通过socket连接向客户端发送字符串"Hello,youareconnected!
"。
只要在服务器上运行该服务器软件，在客户端运行客户软件，客户端就会收到该字符串。
该服务器软件代码如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#defineSERVPORT3333/*服务器监听端口号*/
#defineBACKLOG10/*最大同时连接请求数*/
main（）
{
intsockfd,client_fd;/*sock_fd：
监听socket；client_fd：
数据传输socket*/
structsockaddr_inmy_addr;/*本机地址信息*/
structsockaddr_inremote_addr;/*客户端地址信息*/
if（（sockfd=socket（AF_INET,SOCK_STREAM,0））==-1）{
perror（"socket创建出错！
"）;exit
（1）;
}
my_addr.sin_family=AF_INET;
my_addr.sin_port=htons（SERVPORT）;
my_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
bzero（&（my_addr.sin_zero）,8）;
if（bind（sockfd,（structsockaddr*）&my_addr,sizeof（structsockaddr））==-1）{
perror（"bind出错！
"）;
exit
（1）;
}
if（listen（sockfd,BACKLOG）==-1）{
perror（"listen出错！
"）;
exit
（1）;
}
while
（1）{
sin_size=sizeof（structsockaddr_in）;
if（（client_fd=accept（sockfd,（structsockaddr*）&remote_addr,&sin_size））==-1）{
perror（"accept出错"）;
continue;
}
printf（"receivedaconnectionfrom%s＼n",inet_ntoa（remote_addr.sin_addr））;
if（!
fork（））{/*子进程代码段*/
if（send（client_fd,"Hello,youareconnected!
＼n",26,0）==-1）
perror（"send出错！
"）;
close（client_fd）;
exit（0）;
}
close（client_fd）;
}
}
}
服务器的工作流程是这样的：
首先调用socket函数创建一个Socket，然后调用bind函数将其和本机地址及一个本地端口号绑定，然后调用listen在相应的socket上监听，当accpet接收到一个连接服务请求时，将生成一个新的socket。
服务器显示该客户机的IP地址，并通过新的socket向客户端发送字符串"Hello，youareconnected!
"。
最后关闭该socket。
代码实例中的fork（）函数生成一个子进程来处理数据传输部分，fork（）语句对于子进程返回的值为0。
所以包含fork函数的if语句是子进程代码部分，他和if语句后面的父进程代码部分是并发执行的。
客户端程式代码如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#defineSERVPORT3333
#defineMAXDATASIZE100/*每次最大数据传输量*/
main（intargc,char*argv[]）{
intsockfd,recvbytes;
charbuf[MAXDATASIZE];
structhostent*host;
structsockaddr_inserv_addr;
if（argch_addr）;
bzero（&（serv_addr.sin_zero）,8）;
if（connect（sockfd,（structsockaddr*）&serv_addr,＼
sizeof（structsockaddr））==-1）{
perror（"connect出错！
"）;
exit
（1）;
}
if（（recvbytes=recv（sockfd,buf,MAXDATASIZE,0））==-1）{
perror（"recv出错！
"）;
exit
（1）;
}
buf[recvbytes]=’＼0’;
printf（"Received:
%s",buf）;
close（sockfd）;
}
客户端程式首先通过服务器域名获得服务器的IP地址，然后创建一个socket，调用connect函数和服务器建立连接，连接成功之后接收从服务器发送过来的数据，最后关闭socket。
函数gethostbyname（）是完成域名转换的。
由于IP地址难以记忆和读写，所以为了方便，人们常常用域名来表示主机，这就需要进行域名和IP地址的转换。
函数原型为：
structhostent*gethostbyname（constchar*name）;
函数返回为hosten的结构类型，他的定义如下：
structhostent{
char*h_name;/*主机的官方域名*/
char**h_aliases;/*一个以NULL结尾的主机别名数组*/
inth_addrtype;/*返回的地址类型，在Internet环境下为AF-INET*/
inth_length;/*地址的字节长度*/
char**h_addr_list;/*一个以0结尾的数组，包含该主机的所有地址*/
};
#defineh_addrh_addr_list[0]/*在h-addr-list中的第一个地址*/
当gethostname（）调用成功时，返回指向structhosten的指针，当调用失败时返回-1。
当调用gethostbyname时，你不能使用perror（）函数来输出错误信息，而应该使用herror（）函数来输出。
无连接的客户/服务器程式的在原理上和连接的客户/服务器是相同的，两者的差别在于无连接的客户/服务器中的客户一般不必建立连接，而且在发送接收数据时，需要指定远端机的地址。
阻塞和非阻塞
阻塞函数在完成其指定的任务以前不允许程式调用另一个函数。
例如，程式执行一个读数据的函数调用时，在此函数完成读操作以前将不会执行下一程式语句。
当服务器运行到accept语句时，而没有客户连接服务请求到来，服务器就会停止在accept语句上等待连接服务请求的到来。
这种情况称为阻塞（blocking）。
而非阻塞操作则能即时完成。
比如，如果你希望服务器仅仅注意检查是否有客户在等待连接，有就接受连接，否则就继续做其他事情，则能通过将Socket设置为非阻塞方式来实现。
非阻塞socket在没有客户在等待时就使accept调用即时返回。
#include
#include
……
sockfd=socket（AF_INET,SOCK_STREAM,0）;
fcntl（sockfd,F_SETFL,O_NONBLOCK）；
……
通过设置socket为非阻塞方式，能实现"轮询"若干Socket。
当企图从一个没有数据等待处理的非阻塞Socket读入数据时，函数将即时返回，返回值为-1，并置errno值为EWOULDBLOCK。
不过这种"轮询"会使CPU处于忙等待方式，从而降低性能，浪费系统资源。
而调用select（）会有效地解决这个问题，他允许你把进程本身挂起来，而同时使系统内核监听所需求的一组文件描述符的所有活动，只要确认在所有被监视的文件描述符上出现活动，select（）调用将返回指示该文件描述符已准备好的信息，从而实现了为进程选出随机的变化，而不必由进程本身对输入进行测试而浪费CPU开销。
Select函数原型为:
intselect（intnumfds,fd_set*readfds,fd_set*writefds，
fd_set*exceptfds,structtimeval*timeout）;
其中readfds、writefds、exceptfds分别是被select（）监视的读、写和异常处理的文件描述符集合。
如果你希望确定是否能从标准输入和某个socket描述符读取数据，你只需要将标准输入的文件描述符0和相应的sockdtfd加入到readfds集合中；numfds的值是需要检查的号码最高的文件描述符加1，这个例子中numfds的值应为sockfd+1；当select返回时，readfds将被修改，指示某个文件描述符已准备被读取，你能通过FD_ISSSET（）来测试。
为了实现fd_set中对应的文件描述符的设置、复位和测试，他提供了一组宏：
FD_ZER
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