Linux下socket编程基础——socket地址API

socket编程指的是一整套关于socket的API编程，不是只有socket()系统调用的使用，还有围绕着这一个系统调用的一整套函数。下面我们将从基础的地方开始，了解如何初步的编写socket程序。

主机字节序和网络字节序

要学习socket编程，首先先了解下什么是字节序。

现代CPU的累加器一次都能装载（至少）4个字节（这里考虑32位机器，下同）。那么这4个字节在内存中的排列的顺序将影响它被累加器装载成整数的值，这就是字节序问题。字节序分为大端字节序（big endian）和小端字节序（little endian）。大端字节序是指一个整数的高位字节在内存的低地址，小端字节序是指一个整数的低位字节在内存的低地址。下面给一个测试机器字节序的程序：

#include <stdio.h>int main(){    union{        short s;        char c[sizeof(short)];    } test;    test.s = 0x1234;    if((test.c[0] == 0x34) && (test.c[1] == 0x12)){        printf("little endian\n");    }else((test.c[0] == 0x12) && (test.c[1] == 0x34)){        printf("big endian\n");    }else{        printf("unknow...\n");    }}

现代PC大多数采用小端字节序，因此小端字节序又称为主机字节序。

当格式化的数据（比如32bit整数和16bit短整数）在两台使用不同字节序的主机上传输时，接收端必然错误的解释。解决的办法就是进行统一格式化，都采用大端字节序发送和接收，因此，大端字节序又被称为网络字节序。

需要注意的是，即使在同一台主机上的两个进程（一个用C编写，一个用java编写）通信，也要考虑字节序问题（java虚拟机采用大端字节序）。

linux提供了如下四个函数来完成主机字节序和网络字节序的转换：

#include <netinet/in.h>unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong);unsigned short int htons(unsigned short int hostshort);unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong);unsigned short int ntohs(unsigned short int netshrot);

如何记住他们，举一个例子就可以了：htonl表示“host to network long”。
这四个函数中，长整型函数通常用来转换IP地址，短整型函数用来转换端口号。

通用socket地址

socket网络编程接口中表示socket地址的结构体sockaddr，其定义如下：

#include <bits/socket.h>struct sockaddr{    sa_family_t sa_family;    char sa_data[14];};

sa_family成员是地址族类型（sa_family_t）的变量。地址族类型通常与协议类型对应。常见的协议族（protocol family，也称domain）和对应的地址族下表：

协议族 地址族 描述 PF_UNIX AF_UNIX UNIX本地域协议族 PF_INET AF_INET TCP/IPv4协议族 PF_INET6 AF_INET6 TCP/IPv6协议族

宏PF_*和AF_*都定义在bits/socket.h中，而且具有完全相同的值，所以也可以混用。

sa_data成员用于存放socket地址值，但是不同的协议族的地址值具有不同的含义和长度。如下表：

协议族 地址值含义和长度 PF_UNIX 文件的路径名，长度可以达到108个字节 PF_INET 16bit端口号和32bit IPv4地址，共6个字节 PF_INET6 16bit端口号和32bit 流标识，128bit IPv6地址，32bit范围ID，共26字节

由上表可见，14字节的sa_data根本无法完全容纳多数协议族的地址值。因此，Linux定义了下面这个新的通用的socket地址结构体：

#include <bits/socket.h>struct sockaddr_storage{    sa_family_t sa_family;    unsigned long int __ss_align;    char __ss_padding[128-sizeof(__ss_align)];};

这个结构体不仅提供了足够大的空间用于存放地址值，而且是内存对齐的（这是__ss_align成员的作用）

专用socket地址

上面这两个通用socket地址结构体显然不是很好用，比如设置与获取IP地址和端口号久需要执行繁琐的位操作。所以Linux为各个协议族提供了专门的socket地址结构体。

Unix本地域协议族使用如下专用socket地址结构体：

#include <sys/un.h>struct sockaddr_un{    sa_family_t sa_family;/* 地址族协议：AF_UNIX */    char sun_path[108]; /* 文件路径名 */};

TCP/IP协议族有sockaddr_in和sockaddr_in6两个专用socket地址结构体，他们分别用于IPv4和IPv6：

struct sockaddr_in{    sa_family sin_family;/* 地址族：AF_INET */    u_int16_t sin_port;/* 端口号（网络字节序） */    struct in_addr sin_addr;/* IPv4地址结构体，下见 */};struct in_addr{    u_int32_t s_addr;/* IPv4地址（网络字节序） */};struct sockaddr_in6{    sa_family_t sin6_family;/* 地址族：AF_INT6 */    u_int16_t sin6_port;/* 端口号（网络字节序） */    u_int32_t sin6_flowinfo;/* 流信息，应设置为0 */    struct in6_addr sin6_addr;/* IPv6地址结构体，见下面 */    u_int32_t sin6_scope_id;/* scope ID，尚处于实验阶段 */}struct in6_addr{    unsigned char sa_addr[16];/* IPv6地址（网络字节序） */}

这两个专用socket地址结构体各字段的含义都很明确，所有专用socket地址（以及sockaddr_storage）类型的变量在实际使用时都需要转化为通用socket地址类型sockaddr（强制转换即可），因为所有socket编程接口使用的地址参数的类型都是sockaddr。

IP地址转化函数

通常，我们习惯用字符串来表示IP地址，如“192.168.1.1”，在进行socket编程的时候需要把这个字符串IP转换成struct in_addr类型的，下面几个函数就是提供地址类型转换的。

#include <arpa/inet.h>in_addr_t inet_addr(const char *strptr);int inet_aton(const char *cp,struct in_addr *inp);char* inet_ntoa(struct in_addr in);

inet_addr函数将用点分十进制字符串表示的IPv4地址转换为用网络字节序整数表示的IPv4地址。它失败时返回INADDR_NONE。

inet_aton函数完成inet_addr同样的功能，但转化结果存在inp指向的in_addr地址结构体中。

inet_ntoa函数将网络字节序整数表示的IPv4地址转换为用点分十进制字符串表示的IPv4地址。但需要注意的是，该函数内部用一个静态变量储存转换结果，函数的返回值指向该静态内存，因此inet_ntoa是不可重入的。下面代码显示了这种不可重入：

char *szVaule1 = inet_ntoa(/*1.2.3.4*/);char *szValue2 = inet_ntoa(/*5.6.7.8*/);printf("%s\n",szVaule1);printf("%s\n",szVaule2);

结果是：
5.6.7.8
5.6.7.8

另外还有针对IPv6的（也兼容IPv4）：

#include <arpa/inet.h>int inet_pton(int af,const char *src,void *dst);const char* inet_ntop(int af,const void *src,char *dst,socklen_t cnt);

这里我暂时没有去了解，目前IPv4对我来说已经够了，以后有需要再来深入学习吧。