Linux系统环境下的Socket编程详细解析

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，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。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，就很容易了解Socket了。网络的Socket数据传输是一种特殊的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，程序可以调用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：

　　int socket(int domain, int type, intprotocol);

　　domain指明所使用的协议族，通常为AF_INET，表示互联网协议族（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），允许程序使用低层协议；protocol通常赋值"0"（表示根据type来自动选择协议）。socket()调用返回一个整型socket描述符，你可以在后面的调用使用它。

　　Socket描述符是一个指向内部数据结构的指针，它指向描述符表入口。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。

　　两个网络程序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配置

　　通过socket函数调用返回一个socket描述符后，在使用socket进行网络传输以前，必须配置该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的客户端和服务端以及面向连接socket的服务端通过调用bind函数来配置本地信息。 
bind函数将socket与本机上的一个端口相关联，随后你就可以在该端口监听服务请求。bind函数原型为：

　　

int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen); 
sockfd是调用socket函数返回的socket描述符,

my_addr是一个指向包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针；

addrlen常被设置为sizeof(struct sockaddr)。 
　　struct sockaddr结构类型是用来保存socket信息的： 
　　struct sockaddr { 
　　 unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */ 
char sa_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。 
　　另外还有一种结构类型： 
　　struct sockaddr_in { 
　　 short int sin_family; /* 地址族 */ 
　　 unsigned short int sin_port; /* 端口号 */ 
　　 struct in_addr sin_addr; /* IP地址 */ 
　　 unsigned char sin_zero[8]; /* 填充0 以保持与struct sockaddr同样大小 */ 
　　};

　　这个结构更方便使用。sin_zero用来将sockaddr_in结构填充到与struct sockaddr同样的长度，可以用bzero()或memset()函数将其置为零。指向sockaddr_in 的指针和指向sockaddr的指针可以相互转换，这意味着如果一个函数所需参数类型是sockaddr时，你可以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；或者相反。

　　使用bind函数时，可以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_family则不需要转换。

　　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，你可以选择大于1024中的任何一个没有被占用的端口号。

连接建立

面向连接的客户程序使用connect函数来配置socket并与远端服务器建立一个TCP连接，其函数原型为：

int connect(int sockfd, struct sockaddr*serv_addr, int addrlen); 
sockfd是socket函数返回的socket描述符；serv_addr是包含远端主机IP地址和端口的指针；addrlen是远端地址结构的长度(sizeof(struct sockaddr))。connect函数在出现错误时返回-1，并且设置errno为相应的错误码。进行客户端程序设计无须调用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与服务器建立连接并不需要关心，socket执行体为你的程序自动选择一个未被占用的端口，并通知你的程序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序使用socket时才需要将此socket与远端主机相连。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，它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，直到程序处理它们。

　　int listen(int sockfd， int backlog);

　　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()它们（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。

　　int accept(int sockfd, void *addr, int*addrlen);

　　sockfd是被监听的socket描述符，addr通常是一个指向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）；addrlen通常为一个指向值为sizeof(struct sockaddr_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仍可以继续在以前的 socket上监听，同时可以在新的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：

　　int send(int sockfd, const void *msg,int len, int flags); 
sockfd是你想用来传输数据的socket描述符；msg是一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。在程序中应该将send()的返回值与欲发送的字节数进行比较。当send()返回值与len不匹配时，应该对这种情况进行处理。 
char *msg = "Hello!"; 
int len, bytes_sent; 
…… 
len = strlen(msg); 
bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0); 
…… 
　　recv()函数原型为：

　　int recv(int sockfd,void *buf,intlen,unsigned int flags);

　　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并没有与远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。 
　　sendto()函数原型为： 
　　int sendto(intsockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to,int tolen);

　　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 (struct sockaddr)。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：

　　int recvfrom(int sockfd,void *buf,intlen,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);

　　from是一个struct sockaddr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 (struct sockaddr)。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，你也可以利用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，你可以调用close()函数来释放该socket，从而停止在该socket上的任何数据操作：

　　close(sockfd);

　　你也可以调用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。如你可以关闭某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。

　　int shutdown(int sockfd,int how);

　　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， 
·均为不允许则调用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。

 

面向连接的Socket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, you are connected!"。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 
#define SERVPORT 3333 /*服务器监听端口号 */ 
#define BACKLOG 10 /* 最大同时连接请求数 */ 
main() 
{ 
int sockfd,client_fd; /*sock_fd：监听socket；client_fd：数据传输socket */ 
　struct sockaddr_in my_addr; /* 本机地址信息 */ 
　struct sockaddr_in remote_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, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) / 
　　 == -1) { 
perror("bind出错！"); 
exit(1); 
} 
　if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) { 
perror("listen出错！"); 
exit(1); 
} 
while(1) { 
　　sin_size = sizeof(struct sockaddr_in); 
　　if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&remote_addr, / 
　　&sin_size)) == -1) { 
perror("accept出错"); 
continue; 
} 
　　printf("received a connection from %s/n", inet_ntoa(remote_addr.sin_addr)); 
　 if (!fork()) { /* 子进程代码段 */ 
　　 if (send(client_fd, "Hello, you are connected!/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函数将其与本机地址以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，you are connected!"。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，它与if语句后面的父进程代码部分是并发执行的。 

　　客户端程序代码如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define SERVPORT 3333 
#define MAXDATASIZE 100 /*每次最大数据传输量 */ 
main(int argc, char *argv[]){ 
　int sockfd, recvbytes; 
　char buf[MAXDATASIZE]; 
　struct hostent *host; 
　struct sockaddr_in serv_addr; 
　if (argc < 2) { 
fprintf(stderr,"Please enter the server's hostname!/n"); 
exit(1); 
} 
　if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) { 
herror("gethostbyname出错！"); 
exit(1); 
} 
　if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){ 
perror("socket创建出错！"); 
exit(1); 
} 
　serv_addr.sin_family=AF_INET; 
　serv_addr.sin_port=htons(SERVPORT); 
　serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr); 
　bzero(&(serv_addr.sin_zero),8); 
　if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, / 
　　 sizeof(struct sockaddr)) == -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); 
}

 

客户端程序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函数与服务器建立连接，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：

　　struct hostent *gethostbyname(const char *name); 
　　函数返回为hosten的结构类型，它的定义如下： 
　　struct hostent { 
　 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 */ 
　　 int h_addrtype; /* 返回的地址类型，在Internet环境下为AF-INET */ 
　　int h_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*/ 
　　}; 
　　#define h_addr h_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struct hosten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/服务器程序的在原理上和连接的客户/服务器是一样的，两者的区别在于无连接的客户/服务器中的客户一般不需要建立连接，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序调用另一个函数。例如，程序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序语句。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）。而非阻塞操作则可以立即完成。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，则可以通过将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调用立即返回。 
　　#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，可以实现"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，函数将立即返回，返回值为-1，并置errno值为EWOULDBLOCK。但是这种"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，它允许你把进程本身挂起来，而同时使系统内核监听所要求的一组文件描述符的任何活动，只要确认在任何被监控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: 
int select(int numfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds， 
fd_set *exceptfds,struct timeval *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可以从标准输入和某个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经准备被读取，你可以通过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，它提供了一组宏： 
　　FD_ZERO(fd_set*set)----清除一个文件描述符集； 
　　FD_SET(intfd,fd_set *set)----将一个文件描述符加入文件描述符集中； 
　　FD_CLR(intfd,fd_set *set)----将一个文件描述符从文件描述符集中清除； 
　　FD_ISSET(intfd,fd_set *set)----试判断是否文件描述符被置位。 
　　Timeout参数是一个指向struct timeval类型的指针，它可以使select()在等待timeout长时间后没有文件描述符准备好即返回。struct timeval数据结构为： 
　　struct timeval { 
　　 int tv_sec; /*seconds */ 
　　 int tv_usec; /*microseconds */ }; 

　　POP3客户端实例

　　下面的代码实例基于POP3的客户协议，与邮件服务器连接并取回指定用户帐号的邮件。与邮件服务器交互的命令存储在字符串数组POPMessage中，程序通过一个do-while循环依次发送这些命令。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#define POP3SERVPORT 110 
#define MAXDATASIZE 4096

main(int argc, char *argv[]){ 
int sockfd; 
struct hostent *host; 
struct sockaddr_in serv_addr; 
char *POPMessage[]={ 
"USER userid/r/n", 
"PASS password/r/n", 
"STAT/r/n", 
"LIST/r/n", 
"RETR 1/r/n", 
"DELE 1/r/n", 
"QUIT/r/n", 
NULL 
}; 
int iLength; 
int iMsg=0; 
int iEnd=0; 
char buf[MAXDATASIZE];

if((host=gethostbyname("your.server"))==NULL) { 
perror("gethostbyname error"); 
exit(1); 
} 
if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){ 
perror("socket error"); 
exit(1); 
} 
serv_addr.sin_family=AF_INET; 
serv_addr.sin_port=htons(POP3SERVPORT); 
serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr); 
bzero(&(serv_addr.sin_zero),8); 
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1){ 
perror("connect error"); 
exit(1); 
}

do { 
send(sockfd,POPMessage[iMsg],strlen(POPMessage[iMsg]),0); 
printf("have sent: %s",POPMessage[iMsg]);

iLength=recv(sockfd,buf+iEnd,sizeof(buf)-iEnd,0); 
iEnd+=iLength; 
buf[iEnd]='/0'; 
printf("received: %s,%d/n",buf,iMsg);

iMsg++; 
} while (POPMessage[iMsg]);

close(sockfd); 
}