C++进阶—>Socket通信那点事

1、网络中进程之间如何通信？

本地的进程间通信（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类：

• 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
• 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
• 共享内存（匿名的和具名的）
• 远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）

但这些都不是本文的主题！我们要讨论的是网络中进程之间如何通信？首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！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。其实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）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。

2、什么是Socket？

上面我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的，那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭），这些函数我们在后面进行介绍。

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面以TCP为例，介绍几个基本的socket接口函数。

3.1、socket()函数

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

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

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。
• type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
• protocol：故名思意，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（这个协议我将会单独开篇讨论！）。

注意：并不是上面的type和protocol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。

3.2、bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

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    108struct sockaddr_un {     sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */     char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ };

• addrlen：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。

3.3、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。

int listen(int sockfd, int backlog);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。

3.4、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。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

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。

3.5、read()、write()等函数

万事具备只欠东风，至此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)。

其它的我就不一一介绍这几对I/O函数了，具体参见man文档或者baidu、Google，下面的例子中将使用到send/recv。

3.6、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。

3.7、其余函数补充

    上述内容均转自：http://www.cnblogs.com/skynet/，下面为对其socket相关函数的补充。

int send( SOCKET s, const char FAR *buf, int len, int flags ); //面连连接的通信发送数据

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，即长度；
第四个参数一般置0。

int recv( SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags );  //面向连接的通信接受数据

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。

int sendto（int sockfd， const void *msg，int len， unsigned int flags， const struct sockaddr *to， int tolen）；  //面向无连接的通信发送数据

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，即长度；
第四个参数一般置0；
第五个参数为存储目的地的IP地址和端口的地址结构体，一般使用sockaddr_in结构体然后转成sockaddr*类型；
第六个参数为sizeof（sockaddr）。

int recvfrom（int sockfd，void *buf，int len，unsigned int lags，struct sockaddr *from，int *fromlen）；   //面向无连接的通信接受数据

第一个参数指定接受端套接字描述符；
第二个参数指明一个存放应用程序要接受数据的缓冲区；
第三个参数指明要接受数据的字节数，即长度；
第四个参数一般置0；
第五个参数为存储源地址的IP地址和端口的地址结构体，一般使用sockaddr_in结构体然后转成sockaddr*类型；
第六个参数为sizeof（sockaddr）。

4、socket中TCP的三次握手建立连接详解

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

• 客户端向服务器发送一个SYN J
• 服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
• 客户端再想服务器发一个确认ACK K+1

只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

图1、socket中发送的TCP三次握手

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

总结：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中TCP的四次握手释放连接详解

上面介绍了socket中TCP的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：

图2、socket中发送的TCP四次握手

图示过程如下：

• 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
• 另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
• 一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；
• 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。

这样每个方向上都有一个FIN和ACK。

6、关于socket通信中的个人学习及理解随笔

6.1TCP/IP通信示意图

6.2 bind何时用

（1）采用TCP通信时，客户端不需要bind()他自己的IP和端口号，而服务器必须要bind()自己本机的IP和端口号;
（2）若采用UDP通信时（这里是有客户端和服务器之分才这么说的，若是指定特定端口的UDP对等通信则不一样了），客户端也可以不需要bind（）他自己的IP和端口号，而服务器需要bind自己IP地址和端口号；

6.3 socket套接字对象有啥用

在socket编程之前，需要调用socket函数创建一个socket对象，该函数返回该socket对象的描述符。为什么每次都需要一个socket对象及socket对象有啥用。关于socket可以参考《struct socket 结构详解》文章，socket结构体如下：

struct socket   {       socket_state              state;       unsigned long             flags;       const struct proto_ops    *ops;       struct fasync_struct      *fasync_list;       struct file               *file;       struct sock               *sk;       wait_queue_head_t         wait;       short                     type;   };

其中，struct sock 包含有一个 sock_common 结构体，而sock_common结构体又包含有struct inet_sock 结构体，而struct inet_sock 结构体的部分定义如下：

struct inet_sock   {       struct sock     sk;   #if defined(CONFIG_IPV6) || defined(CONFIG_IPV6_MODULE)       struct ipv6_pinfo   *pinet6;   #endif       __u32           daddr;          //IPv4的目的地址。       __u32           rcv_saddr;      //IPv4的本地接收地址。       __u16           dport;          //目的端口。       __u16           num;            //本地端口（主机字节序）。      …………      }

由此可知，socket对象即相当于网络通讯中的数据包，里面包含了网络通信的各种相关数据、协议等信息，当然源地址、端口和目的地址、端口也包含在其中。简单的理解就把socket当作网络通信传输的数据包，在编程时是必须的 若不正确定义socket会导致程序错误。

6.4 connect函数干了啥

在TCP客户端，首先调用一个socket()函数，得到一个socket描述符s，然后通过connect函数对服务器进行连接，连接成功后，就可以利用这个s描述符使用send/recv函数收发数据了。对于为什么在connect之后使用send/recv收发数据不需要输入源、目的地址和端口，因为在connect函数调用之后将源地址、端口和目的地址、端口存储在对应的socket中了，至于socket中除此之外还存储了哪些东西 这里不做深究，感兴趣的可以研究此函数源码。

6.5 accept函数产生socket占没占新端口

/* 参数：sockfd 监听套接字，即服务器端创建的用于listen的socket描述符。   * 参数：addr  这是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址   * 参数：len 描述 addr 的长度   */ int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* len)

accept函数主要用于服务器端，一般位于listen函数之后，默认会阻塞进程，直到有一个客户请求连接，建立好连接后，它返回的一个新的套接字 socketfd_new ，此后，服务器端即可使用这个新的套接字socketfd_new与该客户端进行通信，而sockfd 则继续用于监听其他客户端的连接请求。

毫无疑问accept函数所产生的accept函数所产生的socket套接字套接字并未占用原套接字的端口，这是因为一个端口只能绑定到一个socket中若再绑定到别的socket中则会报错；accept函数所产生的socketfd_new套接字只是复制了原监听套接字sockfd 里面的相关信息而已，并未与端口进行绑定。当客户端与服务端进行通信的时候socketfd_new套接字接受并与之通信。而对于连接服务器端的请求则使用的是通过bind函数绑定的socket套接字与其建立连接。

6.6 UDP通信嘚吧嘚

UDP通信是无连接的通信，因此其通信速度更快，但由于其没有想TCP/IP那种数据容错机制，若通信不佳，则往往UDP在数据通信的时候会导致数据丢失；实时通信上使用的是UDP协议，如QQ、微信等，数据传输中则使用的是TCP协议，如文件传输、视频在线播放等。

创建UDP通信的套接字函数往往如下：

m_udpSocket=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); //SOCK_DGRAM为UDP流 SOCK_STREAM为TCP流

UDP通信的时候无需绑定端口和地址（当然在UDP通信时存在服务器的情况下 服务器是需要使用bind绑定的），在通信时要指定发送者或接受者的地址和端口，函数如下：

int sendto（int sockfd， const void *msg，int len， unsigned int flags， const struct sockaddr *to， int tolen）；  //面向无连接的通信发送数据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，即长度；第四个参数一般置0；第五个参数为存储目的地的IP地址和端口的地址结构体，一般使用sockaddr_in结构体然后转成sockaddr*类型；第六个参数为sizeof（sockaddr）。int recvfrom（int sockfd，void *buf，int len，unsigned int lags，struct sockaddr *from，int *fromlen）；   //面向无连接的通信接受数据第一个参数指定接受端套接字描述符；第二个参数指明一个存放应用程序要接受数据的缓冲区；第三个参数指明要接受数据的字节数，即长度；第四个参数一般置0；第五个参数为存储接收到的源地址的IP地址和端口的地址结构体，一般使用sockaddr_in结构体然后转成sockaddr*类型；第六个参数为sizeof（sockaddr）。

使用UDP通信的流程较为简单大致步骤如下：

/***********************下面函数是发送UDP数据的***********************/

        char hostname[50];int Result;Result=gethostname(hostname,50);   //获取本地主机名给hostnameif(Result!=0){MessageBox("主机查找错误!","Error!",MB_OK);return FALSE;}HOSTENT* hst=NULL;CString strTemp;struct in_addr ia; hst = gethostbyname((LPCTSTR)hostname);//通过主机名获得本地主机相关设备信息给hstmemcpy(&ia.s_addr,hst->h_addr_list[0],sizeof(ia.s_addr)); //将本机的ip地址拷给ia结构体SOCKADDR_IN m_Addr   //定义存储地址和端口的结构体m_Addr        m_Addr.sin_addr=ia;m_Addr.sin_family=AF_INET;m_Addr.sin_port=htons(1234);        m_sendSocket = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0)  //定义UDP套接字        int Result=sendto(m_sendSocket,m_msg,m_msg.GetLength(),0,(sockaddr*)&m_SevAddr,sizeof(SOCKADDR)); //发送数据m_msg给目的地址if(Result==SOCKET_ERROR){MessageBox("信息发送失败!");return;}

/***********************下面函数是接受UDP数据的***********************/

       char buf[30];       SOCKADDR_IN AddrMsgSend;int len=sizeof(SOCKADDR);SOCKET  m_socket = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);int result;        result=recvfrom(m_socket,buf,30,0,(sockaddr*)&AddrMsgSend,&len);if(result!=SOCKET_ERROR)MessageBox("Error!");

当然为了省去每次发送数据都要输入目标地址和端口的麻烦，可以使用connect函数进行连接，这样与目的地址和端口连接之后即可使用send和secv函数进行数据的收发了！