网络编程之 Socket函数 (一)

1. 概述

          在网络协议中，分层思想是非常重要的，各层协议分工明确，各干各事。在现实世界中，IP网际层的实现分布在路由器和各种PC终端中，TCP传输层的实现则存在于PC终端。换句话说，路由器只实现IP协议，而终端PC的操作系统同时实现了IP和TCP层协议。为了让开发者实现各种应用程序，不同的操作系统都会提供了一组socket函数，供开发者使用。通过socket函数，开发者能够进行网络通讯，并且能够对IP/TCP层协议的某些特性进行控制。

          在所有的套接字函数中，Berkeley套接字(也称为BSD套接字)使用的最为广泛。由于专利原因，Berkeley套接字由C语言实现，只被使用在UNIX操作系统上。但其接口形式成为了事实上的网络套接字的标准，不同操作系统都有类似接口，包括Linux和Window；大多数其他的编程语言也使用了与Berkeley套接字类似的接口。

          Berkeley套接字API库提供的函数包括：
          1. socket() 创建一个新的确定类型的套接字，类型用一个整型数值标识（文件描述符），并为它分配系统资源。
          2. bind() 一般用于服务器端，将一个套接字与一个套接字地址结构相关联。
          3. listen() 用于服务器端，使一个绑定的TCP套接字进入监听状态。
          4. connect() 用于客户端，为一个套接字分配一个自由的本地端口号。 如果是TCP套接字的话，它会试图获得一个新的TCP连接。
          5. accept() 用于服务器端。 它接受一个从远端客户端发出的创建一个新的TCP连接的接入请求，创建一个新的套接字，与该连接相应的套接字地址相关联。
          6. send()和recv(),或者write()和read(),或者recvfrom()和sendto(), 用于往/从远程套接字发送和接受数据。
          7. close() 用于系统释放分配给一个套接字的资源。 如果是TCP，连接会被中断。
          8. shutdown() 用于关闭socket连接。该函数允许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。
          9. gethostbyname()和gethostbyaddr() 用于解析主机名和地址。
          10. select() 用于修整有如下情况的套接字列表： 准备读，准备写或者是有错误。
          11. poll() 用于检查套接字的状态。 套接字可以被测试，看是否可以写入、读取或是有错误。
          12. getsockopt() 用于查询指定的套接字一个特定的套接字选项的当前值。
          13. setsockopt() 用于为指定的套接字设定一个特定的套接字选项。
          14. htons()、htonl()、ntohs()、ntohl() 用于网络序和本机序转换。
          15. inet_addr() 用于字符串形式的IP地址和网络序形式的IP地址的转换。
          16. inet_ntoa() 用于网络序形式的IP地址和字符串形式的IP地址的转换。

2. 结构体和函数

2.1 结构体

          套接字用到的各种数据类型
          1. socket描述符。它是一个int值。在window下可能被定义为SOCKET，SOCKET也是一个int值，根据平台不同，被定义为int32或者int64。

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1. struct sockaddr {   
2. 　　 unsigned short sa_family; /* 地址家族, AF_xxx */   
3. 　　 char sa_data[14]; /*14字节协议地址*/   
4. };   

          这个结构被为许多类型的套接字储存套接字地址信息。sa_family一般为"AF_INET"，sa_data包含套接字中的目标地址和端口信息。在一个字符数组中同时存储目标地址和端口信息非常令人困惑，所以还存在一个并列的结构，struct sockaddr_in ("in" 代表 "Internet"。)，其定义如下：

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1. #include <netinet/in.h>  
2. struct sockaddr_in {   
3. 　　 short int sin_family; /* 通信类型 */   
4. 　　 unsigned short int sin_port; /* 端口 */   
5. 　　 struct in_addr sin_addr; /* Internet 地址 */   
6. 　　 unsigned char sin_zero[8]; /* 与sockaddr结构的长度相同*/   
7. };   

          可以看到其中sin_zero 被加入到这个结构，目的是为了使sockaddr_in和 struct sockaddr 长度一致，可以使用函数 bzero() 或 memset() 来全部置零。 而 sin_family 和 struct sockaddr 中的 sa_family 一致，能够设置为 "AF_INET"。结构体 sin_port和 sin_addr 则是网络字节顺序 (Network Byte Order)。(关于网络序可见文章数据类型转换)

          struct in_addr的定义如下:

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1. #include <netinet/in.h>  
2. struct in_addr {   
3. 　　 unsigned long s_addr;   
4. };   

2.2 字节转换:

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1. htons()--"Host to Network Short"  
2. htonl()--"Host to Network Long"  
3. ntohs()--"Network to Host Short"  
4. ntohl()--"Network to Host Long"  

          其中 short (两个字节)和 long (四个字节)。这些函数对于变量类型 unsigned 也是适用对。假设想将 short 从本机字节顺序转换为网络字节顺序。可以用 "h" 表示 "本机 (host)"，接着是 "to"，然后用 "n" 表示 "网络 (network)"，最后用 "s" 表示 "short"： h-to-n-s, 或者 htons() ("Host to Network Short")。

2.3 IP 地址和字符串转化：

          inet_addr()和inet_ntoa() 用于字符串和int值之间的字符串转换。使用如下：

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1. sockaddr_in ina；  
2. ina.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1");  
3.   
4. char *a1;  
5. a1 = inet_ntoa(ina.sin_addr); /* 这是192.168.1.1*/  
6. printf("address 1: %s/n",a1);  

2.4 函数：

2.4.1 socket()函数

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1. #include <sys/types.h>;   
2. #include <sys/socket.h>;   
3. int socket(int domain, int type, int protocol);   

          参数 domain: 通常被设置成 "AF_INET"。
          参数 type: 告诉内核是 SOCK_STREAM 类型还是 SOCK_DGRAM 类型。
          参数 protocol :通常被设置为 "0"。
          如果需要更多的信息，可以看 socket() 的 man帮助。
          返回值： socket() 只是返回你以后在系统调用种可能用到的 socket 描述符，在错误的时候返回-1。全局变量 errno 中将储存返回的错误值。

2.4.2 connect()函数

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1. #include <sys/types.h>;   
2. #include <sys/socket.h>;  
3. int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);   

          参数 sockfd ：是系统调用 socket() 返回的套接字文件描述符。
          参数 serv_addr ：是 保存着目的地端口和 IP 地址的数据结构 struct sockaddr。
          参数 addrlen： 设置 为 sizeof(struct sockaddr)。
          connect() 函数只用于客户端，使socket变成主动socket (active socket)

2.4.3 bind()函数

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1. #include <sys/types.h>;  
2. #include <sys/socket.h>;  
3. int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);   

          参数 sockfd ：是调用 socket 返回的文件描述符。
          参数 my_addr ：是指向数据结构 struct sockaddr 的指针，它保存地址(即端口和 IP 地址) 信息。如果IP地址信息为INADDR_ANY， 表示不关心本地地址信息。在存在多个IP地址的情况下，所有的IP都会进行被绑定。
          参数 addrlen ：设置为 sizeof(struct sockaddr)。
          返回值：bind() 在错误的时候依然是返回-1，并且设置全局错误变量errno。 


          使用bind()函数需要注意以下一些问题：
          1. bind() 函数只用于服务器端，使socket变成被动socket (passive socket)
          2. 不要采用小于 1024的端口号。所有小于1024的端口号都被系统保留！可以选择1024 到65535之间的端口。见<《计算机网络》 读书笔记(四) 运输层> "1.1.3 运输层端口"。
          3. 按照下面的写法可以让系统自动处理端口和地址。

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1. my_addr.sin_port = htons(0); /* 随机选择一个没有使用的端口 */   
2. my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);/* 使用自己的IP地址 */   

2.4.4 listen()函数

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1. int listen(int sockfd, int backlog);   

          参数 sockfd ：是调用 socket() 返回的套接字文件描述符。

          参数backlog： 是在进入队列中允许的连接数目。 进入的连接是在队列中一直等待直到你接受连接。它们的数目限制于队列的允许。 大多数系统的允许数目是20。
          返回值：和别的函数一样，在发生错误的时候返回-1，并设置全局错误变量 errno。
          listen() 函数只用于服务器端

2.4.5 accept()函数

          调用 accept() 将返回一个新的套接字文件描述符。新的套接字可以用于发送 (send()) 和接收 ( recv()) 数据。

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1. #include <sys/socket.h>;  
2. int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);   

          参数 sockfd ：相当简单，是和 listen() 中一样的套接字描述符。
          参数 addr： 是个指向局部的数据结构 sockaddr_in 的指针。这是一个传出参数，可以用于测定那个地址在那个端口呼叫，这用于机器存在多个IP地址的情况。
          参数 addrlen ：是个局部的整形变量，设置为 sizeof(struct sockaddr_in)。 
          返回值：同样，在错误时返回-1，并设置全局错误变量 errno。 

2.4.6 send()函数

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1. #include <sys/socket.h>;  
2. int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);   

          参数 sockfd ：是你想发送数据的套接字描述符(或者是调用 socket() 或者是 accept() 返回的。
          参数 msg ：是指向你想发送的数据的指针。
          参数 len ：是数据的长度。 
          参数 flags ：用于操作数据发送时TCP层的一些特性，如发送外带数据，通常设置为 0。
          返回值：send() 返回实际发送的数据的字节数--它可能小于要求发送的数目。 注意，有时候你告诉它要发送一堆数据可是它不能处理成功。它只是发送它可能发送的数据，然后希望你能够发送其它的数据。
          如果 send() 返回的数据和 len 不匹配，你就应该发送其它的数据。
          它在错误的时候返回-1，并设置 errno。

2.4.7 recv()函数

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1. #include <sys/socket.h>;  
2. int recv(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flags);    

          参数 sockfd ：是要读的套接字描述符。
          参数 buf ：是要读的信息的缓冲。
          参数 len： 是缓 冲的最大长度。
          参数flags ：用于控制读取行为的一些属性，如读取外带数据或者查询buf而不读取数据等，通常设置为0。
          返回值：recv() 返回实际读入缓冲的数据的字节数。或者在错误的时候返回-1， 同时设置 errno。

2.4.8 sendto()函数

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1. #include <sys/socket.h>;  
2. int sendto(int sockfd, const void *msg, int len, unsigned int flags,  const struct sockaddr *to, int tolen);    

          sendto用于无连接数据报套接字，也就是UDP协议数据发送。
          参数 sockfd ：是你想发送数据的套接字描述符(或者是调用 socket() 或者是 accept() 返回的。
          参数 msg： 是指向你想发送的数据的指针。
          参数 len: 是数据的长度。 
          参数 flags: 通常设置为0，UDP协议中是不存在外带数据的。
          参数 to :是个指向数据结构 struct sockaddr 的指针，包含了目的地的 IP 地址和端口信息。
          参数 tolen: 可以简单地设置为 sizeof(struct sockaddr)。 
          返回值：和函数 send() 类似，sendto() 返回实际发送的字节数(它也可能小于 你想要发送的字节数)，或者在错误的时候返回 -1。

2.4.9 recvfrom()函数

          recvfrom用于无连接数据报套接字，也就是UDP协议数据接受。
          参数 sockfd： 是要读的套接字描述符。
          参数 buf ：是要读的信息的缓冲。
          参数 len： 是缓 冲的最大长度。
          参数 flags ：用于控制读取行为的一些属性，通常设置为0，同样由于UDP协议不支持外带数据，flags也无法设置为读取外带数据。

          参数 from： 是一个指向局部数据结构 struct sockaddr 的指针，它的内容是源机器的 IP 地址和端口信息。           

          参数 fromlen： 是个int 型的局部指针，它的初始值为 sizeof(struct sockaddr)。函数调用返回后，fromlen 保存着实际储存在 from 中的地址的长度。

          返回值：recvfrom() 返回收到的字节长度，或者在发生错误后返回 -1。

          send() 和 recv() 也可以用于UDP数据传输，只要在创建socket时指定协议类型为SOCK_DGRAM。

2.4.10 close()函数

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1. void close(sockfd);  

          参数 sockfd ：是要关闭的套接字描述符
          close用于优雅的关闭socket连接，在TCP下它将按照标准TCP四次握手执行。它可以防止对套接字进行更多的数据读写，任何在另一端读写套接字的企图都将返回错误信息。

2.4.11 shutdown()函数

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1. int shutdown(int sockfd, int how);   

          它允许你将一定方向上的通讯或者双向的通讯(就象close()一 样)关闭，你可以使用：
          参数 sockfd： 是想要关闭的套接字文件描述符。
          参数 how ：的值是下面的其中之 一：
　　 0 – 不允许接受
　 　1 – 不允许发送
         2 – 不允许发送和接受(和 close() 一样)
         shutdown() 成功时返回 0，失败时返回 -1(同时设置 errno。) 如果在无连接的数据报套接字中使用shutdown()，那么只不过是让 send() 和 recv() 不能使用。

2.4.12 getpeername()函数

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1. #include <sys/socket.h>;  
2. int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *addr, int *addrlen);  

          函数 getpeername() 告诉在连接的流式套接字上谁在另外一边。一旦获得它们的地址，就可以使用 inet_ntoa() 或者 gethostbyaddr() 来打印或者获得更多的信息。
          参数 sockfd ：是连接的流式套接字的描述符。
          参数 addr ：是一个指向结构 struct sockaddr (或者是 struct sockaddr_in) 的指针，它保存着连接的另一边的 信息。
          参数 addrlen ：是一个 int 型的指针，它初始化为 sizeof(struct sockaddr)。
          返回值：函数在错误的时候返回 -1，设置相应的 errno。

2.4.13 gethostname()函数

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1. #include <unistd.h>;  
2. int gethostname(char *hostname, size_t size);  

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1.   

          它返回程序所运行的机器的主机名字。然后你可以使用 gethostbyname() 以获得机器的 IP 地址。

          参数 hostname： 是一个字符数组指针，它将在函数返回时保存主机名。

          参数 size：是hostname 数组的字节长度。

          返回值：函数调用成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置 errno。

2.4.14 gethostbyname()函数

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1. #include <netdb.h>;  
2. struct hostent *gethostbyname(const char *name);   

          它主要的功能是：给它一个容易记忆的某站点的地址，它转换出IP地址。
          返回值：它返回一个指向 struct hostent 的指针。这个数据结构如下：

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1. struct hostent {  
2. 　　 char *h_name;        //地址的正式名称  
3. 　　 char **h_aliases;        //空字节-地址的预备名称的指针。  
4. 　　 int h_addrtype;      //地址类型; 通常是AF_INET。  
5. 　　 int h_length;        //地址的比特长度  
6. 　　 char **h_addr_list;  //零字节-主机网络地址指针。网络字节顺序  
7. };  
8. #define h_addr h_addr_list[0]   //h_addr_list中的第一地址  

          gethostbyname() 成功时返回一个指向结构体 hostent 的指针，或者 是个空 (NULL) 指针。和以前不同，不设置errno，而用h_errno 设置错误信息。获取错误信息需要使用 herror()函数。

2.4.15 gethostbyaddr()函数

[cpp] view plaincopy

1. #include <netdb.h>;  
2. struct hostent gethostbyaddr(const char* addr, int len, int type);  

          参数 addr ：指向网络字节顺序地址的指针。
          参数 len： 地址的长度，在AF_INET类型地址中为4。
          参数 type： 地址类型，应为AF_INET。
          返回值：它返回一个指向 struct hostent 的指针。hostent定义同上。
          gethostbyaddr() 成功时返回一个指向结构体 hostent 的指针，或者 是个空 (NULL) 指针。和以前不同，不设置errno，而用h_errno 设置错误信息。获取错误信息需要使用 herror()函数。

2.4.16 select()函数

          select() 函数可以同时监视多个套接字。它可以告诉你哪个套接字准备读，哪个又准备写，哪个套接字又发生了例外 (exception)。

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1. #include <sys/time.h>;  
2. #include <sys/types.h>;  
3. #include <unistd.h>;  
4. int select(int numfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);  

          参数 numfds ：应该等于最高的文件描述符的值加1。
          参数 readfds：为可读文件集
          参数 writefds：为可写文件集
          参数 exceptfds：为异常文件集
          参数 timeout：为超时时间，数据结构 struct timeval 如下： 

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1. struct timeval {   
2. 　　 int tv_sec; /* seconds */   
3. 　　 int tv_usec; /* microseconds */   
4. };   

          当函数 select() 返回的时候，readfds 的值修改为反映你选择的哪个文件描述符可以读。可以用下面讲到的宏 FD_ISSET() 来测试。 
          对这些集合进行操作系统定义了一些宏，每个集合类型都是 fd_set。
          FD_ZERO(fd_set *set) – 清除一个文件描述符集合 
          FD_SET(int fd, fd_set *set) - 添加fd到集合 
          FD_CLR(int fd, fd_set *set) – 从集合中移去fd 
          FD_ISSET(int fd, fd_set *set) – 测试fd是否在集合中 

2.4.17 poll()函数

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1. #include <poll.h>  
2. int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)；  

          参数 fds：是一个struct pollfd结构类型的数组，用于存放需要检测其状态的Socket描述符；每当调用这个函数之后，系统不会清空这个数组，操作起来比较方便；特别是对于socket连接比较多的情况下，在一定程度上可以提高处理的效率；这一点与select()函数不同，调用select()函数之后，select()函数会清空它所检测的socket描述符集合，导致每次调用select()之前都必须把socket描述符重新加入到待检测的集合中；因此，select()函数适合于只检测一个socket描述符的情况，而poll()函数适合于大量socket描述符的情况； 

         struct pollfd结构定义如下:

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1. truct pollfd {  
2.          int fd; /*文件描述符*/  
3.          short events; /* 等待的需要测试事件 */   
4.          short revents; /* 实际发生了的事件，也就是返回结果 */  
5. };  

          event和revents可为下列选项：

          POLLIN                            普通或优先级带数据可读
          POLLRDNORM              普通数据可读
          POLLRDBAND               优先级带数据可读
          POLLPRI                         高优先级数据可读
          POLLOUT                        普通数据可写
          POLLWRNORM              普通数据可写
          POLLWRBAND               优先级带数据可写
          POLLERR                        发生错误
          POLLHUP                        发生挂起
          POLLNVAL                       描述字不是一个打开的文件

          参数 nfds：nfds_t类型的参数，用于标记数组fds中的结构体元素的总数量；

          参数 timeout：是poll函数调用阻塞的时间，单位：毫秒；
          返回值:
          >0：数组fds中准备好读、写或出错状态的那些socket描述符的总数量；
          ==0：数组fds中没有任何socket描述符准备好读、写，或出错；此时poll超时，超时时间是timeout毫秒；换句话说，如果所检测的socket描述符上没有任何事件发生的话，那么poll()函数会阻塞timeout所指定的毫秒时间长度之后返回，如果timeout==0，那么poll() 函数立即返回而不阻塞，如果timeout==INFTIM，那么poll() 函数会一直阻塞下去，直到所检测的socket描述符上的感兴趣的事件发生是才返回，如果感兴趣的事件永远不发生，那么poll()就会永远阻塞下去；
          -1： poll函数调用失败，同时会自动设置全局变量errno；
          poll()函数与select()十分相似，当返回正值时，代表满足响应事件的文件描述符的个数，如果返回0则代表在规定时间内没有事件发生。如发现返回为负则应该立即查看 errno，因为这代表有错误发生。如果没有事件发生，revents会被清空，所以你不必多此一举。