Linux/Window下socket

http://c.biancheng.net/cpp/html/3032.html,非常好的学习网站，转载到这为了方便学习

在Linux中，一切都是文件，除了文本文件、源文件、二进制文件等，一个硬件设备也可以被映射为一个虚拟的文件，称为设备文件。例如，stdin 称为标准输入文件，它对应的硬件设备一般是键盘，stdout 称为标准输出文件，它对应的硬件设备一般是显示器。对于所有的文件，都可以使用 read() 函数读取数据，使用 write() 函数写入数据。

“一切都是文件”的思想极大地简化了程序员的理解和操作，使得对硬件设备的处理就像普通文件一样。所有在Linux中创建的文件都有一个 int 类型的编号，称为文件描述符（File Descriptor）。使用文件时，只要知道文件描述符就可以。例如，stdin 的描述符为 0，stdout 的描述符为 1。

在Linux中，socket 也被认为是文件的一种，和普通文件的操作没有区别，所以在网络数据传输过程中自然可以使用与文件 I/O 相关的函数。可以认为，两台计算机之间的通信，实际上是两个 socket 文件的相互读写。

文件描述符有时也被称为文件句柄（File Handle），但“句柄”主要是 Windows 中术语，所以本教程中如果涉及到 Windows 平台将使用“句柄”，如果涉及到 Linux 平台将使用“描述符”。

在Linux下创建 socket
在 Linux 下使用 <sys/socket.h> 头文件中 socket() 函数来创建套接字，原型为：

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

1) af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet”的简写。AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。
大家需要记住127.0.0.1，它是一个特殊IP地址，表示本机地址，后面的教程会经常用到。
你也可以使用PF前缀，PF是“Protocol Family”的简写，它和AF是一样的。例如，PF_INET 等价于 AF_INET，PF_INET6 等价于 AF_INET6。
2) type 为数据传输方式，常用的有 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM，在《socket是什么意思》一节中已经进行了介绍。
3) protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。

有了地址类型和数据传输方式，还不足以决定采用哪种协议吗？为什么还需要第三个参数呢？

正如大家所想，一般情况下有了 af 和 type 两个参数就可以创建套接字了，操作系统会自动推演出协议类型，除非遇到这样的情况：有两种不同的协议支持同一种地址类型和数据传输类型。如果我们不指明使用哪种协议，操作系统是没办法自动推演的。

该教程使用 IPv4 地址，参数 af 的值为 PF_INET。如果使用 SOCK_STREAM 传输数据，那么满足这两个条件的协议只有 TCP，因此可以这样来调用 socket() 函数：

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  //IPPROTO_TCP表示TCP协议

这种套接字称为 TCP 套接字。

如果使用 SOCK_DGRAM 传输方式，那么满足这两个条件的协议只有 UDP，因此可以这样来调用 socket() 函数：

int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);  //IPPROTO_UDP表示UDP协议

这种套接字称为 UDP 套接字。

上面两种情况都只有一种协议满足条件，可以将 protocol 的值设为 0，系统会自动推演出应该使用什么协议，如下所示：

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //创建TCP套接字int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  //创建UDP套接字

后面的教程中多采用这种简化写法。

在Windows下创建socket
Windows 下也使用 socket() 函数来创建套接字，原型为：

SOCKET socket(int af, int type, int protocol);

除了返回值类型不同，其他都是相同的。Windows 不把套接字作为普通文件对待，而是返回 SOCKET 类型的句柄。请看下面的例子：

SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //创建TCP套接字

socket() 函数用来创建套接字，确定套接字的各种属性，然后服务器端要用 bind() 函数将套接字与特定的IP地址和端口绑定起来，只有这样，流经该IP地址和端口的数据才能交给套接字处理；而客户端要用 connect() 函数建立连接。

bind() 函数
bind() 函数的原型为：

int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);  //Linuxint bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen);  //Windows

下面以Linux为例进行讲解，Windows与此类似。
sock 为 socket 文件描述符，addr 为 sockaddr 结构体变量的指针，addrlen 为 addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。

下面的代码，将创建的套接字与IP地址 127.0.0.1、端口 1234 绑定：

//创建套接字int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);//创建sockaddr_in结构体变量struct sockaddr_in serv_addr;memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口//将套接字和IP、端口绑定bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

这里我们使用 sockaddr_in 结构体，然后再强制转换为 sockaddr 类型，后边会讲解为什么这样做。

sockaddr_in 结构体
接下来不妨先看一下 sockaddr_in 结构体，它的成员变量如下：

struct sockaddr_in{    sa_family_t     sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址类型    uint16_t        sin_port;     //16位的端口号    struct in_addr  sin_addr;     //32位IP地址    char            sin_zero[8];  //不使用，一般用0填充};

1) sin_family 和 socket() 的第一个参数的含义相同，取值也要保持一致。
2) sin_prot 为端口号。uint16_t 的长度为两个字节，理论上端口号的取值范围为 0~65536，但 0~1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，例如 Web 服务的端口号为 80，FTP 服务的端口号为 21，所以我们的程序要尽量在 1024~65536 之间分配端口号。
端口号需要用 htons() 函数转换，后面会讲解为什么。
3) sin_addr 是 struct in_addr 结构体类型的变量，下面会详细讲解。
4) sin_zero[8] 是多余的8个字节，没有用，一般使用 memset() 函数填充为 0。上面的代码中，先用 memset() 将结构体的全部字节填充为 0，再给前3个成员赋值，剩下的 sin_zero 自然就是 0 了。

in_addr 结构体
sockaddr_in 的第3个成员是 in_addr 类型的结构体，该结构体只包含一个成员，如下所示：

struct in_addr{    in_addr_t  s_addr;  //32位的IP地址};

in_addr_t 在头文件 <netinet/in.h> 中定义，等价于 unsigned long，长度为4个字节。也就是说，s_addr 是一个整数，而IP地址是一个字符串，所以需要 inet_addr() 函数进行转换，例如：
unsigned long ip = inet_addr("127.0.0.1");
printf("%ld\n", ip);
运行结果：
16777343


图解 sockaddr_in 结构体
为什么要搞这么复杂，结构体中嵌套结构体，而不用 sockaddr_in 的一个成员变量来指明IP地址呢？socket() 函数的第一个参数已经指明了地址类型，为什么在 sockaddr_in 结构体中还要再说明一次呢，这不是啰嗦吗？
这些繁琐的细节确实给初学者带来了一定的障碍，我想，这或许是历史原因吧，后面的接口总要兼容前面的代码。各位读者一定要有耐心，暂时不理解没有关系，根据教程中的代码“照猫画虎”即可，时间久了自然会接受。
为什么使用 sockaddr_in 而不使用 sockaddr
bind() 第二个参数的类型为 sockaddr，而代码中却使用 sockaddr_in，然后再强制转换为 sockaddr，这是为什么呢？

sockaddr 结构体的定义如下：

struct sockaddr{    sa_family_t  sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址类型    char         sa_data[14];  //IP地址和端口号};

下图是 sockaddr 与 sockaddr_in 的对比（括号中的数字表示所占用的字节数）：

sockaddr 和 sockaddr_in 的长度相同，都是16字节，只是将IP地址和端口号合并到一起，用一个成员 sa_data 表示。要想给 sa_data 赋值，必须同时指明IP地址和端口号，例如”127.0.0.1:80“，遗憾的是，没有相关函数将这个字符串转换成需要的形式，也就很难给 sockaddr 类型的变量赋值，所以使用 sockaddr_in 来代替。这两个结构体的长度相同，强制转换类型时不会丢失字节，也没有多余的字节。

可以认为，sockaddr 是一种通用的结构体，可以用来保存多种类型的IP地址和端口号，而 sockaddr_in 是专门用来保存 IPv4 地址的结构体。另外还有 sockaddr_in6，用来保存 IPv6 地址，它的定义如下：

struct sockaddr_in6 {     sa_family_t sin6_family;  //(2)地址类型，取值为AF_INET6    in_port_t sin6_port;  //(2)16位端口号    uint32_t sin6_flowinfo;  //(4)IPv6流信息    struct in6_addr sin6_addr;  //(4)具体的IPv6地址    uint32_t sin6_scope_id;  //(4)接口范围ID};

正是由于通用结构体 sockaddr 使用不便，才针对不同的地址类型定义了不同的结构体。

connect() 函数
connect() 函数用来建立连接，它的原型为：

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);  //Linuxint connect(SOCKET sock, const struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);  //Windows

各个参数的说明和 bind() 相同，不再赘述。
对于服务器端程序，使用 bind() 绑定套接字后，还需要使用 listen() 函数让套接字进入被动监听状态，再调用 accept() 函数，就可以随时响应客户端的请求了。

listen() 函数
通过 listen() 函数可以让套接字进入被动监听状态，它的原型为：
int listen(int sock, int backlog);  //Linux
int listen(SOCKET sock, int backlog);  //Windows
sock 为需要进入监听状态的套接字，backlog 为请求队列的最大长度。

所谓被动监听，是指当没有客户端请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到客户端请求时，套接字才会被“唤醒”来响应请求。
请求队列

当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直到缓冲区满。这个缓冲区，就称为请求队列（Request Queue）。

缓冲区的长度（能存放多少个客户端请求）可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定，但究竟为多少并没有什么标准，可以根据你的需求来定，并发量小的话可以是10或者20。

如果将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN，就由系统来决定请求队列长度，这个值一般比较大，可能是几百，或者更多。

当请求队列满时，就不再接收新的请求，对于 Linux，客户端会收到 ECONNREFUSED 错误，对于 Windows，客户端会收到 WSAECONNREFUSED 错误。
注意：listen() 只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。

accept() 函数
当套接字处于监听状态时，可以通过 accept() 函数来接收客户端请求。它的原型为：

int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);  //LinuxSOCKET accept(SOCKET sock, struct sockaddr *addr, int *addrlen);  //Windows

它的参数与 listen() 和 connect() 是相同的：sock 为服务器端套接字，addr 为 sockaddr_in 结构体变量，addrlen 为参数 addr 的长度，可由 sizeof() 求得。
accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信，addr 保存了客户端的IP地址和端口号，而 sock 是服务器端的套接字，大家注意区分。后面和客户端通信时，要使用这个新生成的套接字，而不是原来服务器端的套接字。

最后需要说明的是：listen() 只是让套接字进入监听状态，并没有真正接收客户端请求，listen() 后面的代码会继续执行，直到遇到 accept()。accept() 会阻塞程序执行（后面代码不能被执行），直到有新的请求到来。
Linux 不区分套接字文件和普通文件，使用 write() 可以向套接字中写入数据，使用 read() 可以从套接字中读取数据。

前面我们说过，两台计算机之间的通信相当于两个套接字之间的通信，在服务器端用 write() 向套接字写入数据，客户端就能收到，然后再使用 read() 从套接字中读取出来，就完成了一次通信。

write() 的原型为：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);

fd 为要写入的文件的描述符，buf 为要写入的数据的缓冲区地址，nbytes 为要写入的数据的字节数。
size_t 是通过 typedef 声明的 unsigned int 类型；ssize_t 在 "size_t" 前面加了一个"s"，代表 signed，即 ssize_t 是通过 typedef 声明的 signed int 类型。
write() 函数会将缓冲区 buf 中的 nbytes 个字节写入文件 fd，成功则返回写入的字节数，失败则返回 -1。


read() 的原型为：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

fd 为要读取的文件的描述符，buf 为要接收数据的缓冲区地址，nbytes 为要读取的数据的字节数。

read() 函数会从 fd 文件中读取 nbytes 个字节并保存到缓冲区 buf，成功则返回读取到的字节数（但遇到文件结尾则返回0），失败则返回 -1。
Windows下数据的接收和发送

Windows 和 Linux 不同，Windows 区分普通文件和套接字，并定义了专门的接收和发送的函数。

从服务器端发送数据使用 send() 函数，它的原型为：

int send(SOCKET sock, const char *buf, int len, int flags);

sock 为要发送数据的套接字，buf 为要发送的数据的缓冲区地址，len 为要发送的数据的字节数，flags 为发送数据时的选项。
返回值和前三个参数不再赘述，最后的 flags 参数一般设置为 0 或 NULL，初学者不必深究。

在客户端接收数据使用 recv() 函数，它的原型为：

int recv(SOCKET sock, char *buf, int len, int flags);

window部分补充：

WSAStartup()函数以及DLL的加载
WinSock（Windows Socket）编程依赖于系统提供的动态链接库(DLL)，有两个版本：
较早的DLL是 wsock32.dll，大小为 28KB，对应的头文件为 winsock1.h；
最新的DLL是 ws2_32.dll，大小为 69KB，对应的头文件为 winsock2.h。

几乎所有的 Windows 操作系统都已经支持 ws2_32.dll，包括个人操作系统 Windows 95 OSR2、Windows 98、Windows Me、Windows 2000、XP、Vista、Win7、Win8、Win10 以及服务器操作系统 Windows NT 4.0 SP4、Windows Server 2003、Windows Server 2008 等，所以你可以毫不犹豫地使用最新的 ws2_32.dll。

使用DLL之前必须把DLL加载到当前程序，你可以在编译时加载，也可以在程序运行时加载，《C语言高级教程》中讲到了这两种加载方式，请猛击：动态链接库DLL的加载：隐式加载(载入时加载)和显式加载(运行时加载)。

这里使用#pragma命令，在编译时加载：

#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")

WSAStartup() 函数

使用DLL之前，还需要调用 WSAStartup() 函数进行初始化，以指明 WinSock 规范的版本，它的原型为：

int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);

wVersionRequested 为 WinSock 规范的版本号，低字节为主版本号，高字节为副版本号（修正版本号）；lpWSAData 为指向 WSAData 结构体的指针。
关于 WinSock 规范

WinSock 规范的最新版本号为 2.2，较早的有 2.1、2.0、1.1、1.0，ws2_32.dll 支持所有的规范，而 wsock32.dll 仅支持 1.0 和 1.1。

wsock32.dll 已经能够很好的支持 TCP/IP 通信程序的开发，ws2_32.dll 主要增加了对其他协议的支持，不过建议使用最新的 2.2 版本。

wVersionRequested 参数用来指明我们希望使用的版本号，它的类型为 WORD，等价于 unsigned short，是一个整数，所以需要用 MAKEWORD() 宏函数对版本号进行转换。例如：
MAKEWORD(1, 2);  //主版本号为1，副版本号为2，返回 0x0201
MAKEWORD(2, 2);  //主版本号为2，副版本号为2，返回 0x0202

关于 WSAData 结构体
WSAStartup() 函数执行成功后，会将与 ws2_32.dll 有关的信息写入 WSAData 结构体变量。WSAData 的定义如下：

typedef struct WSAData {    WORD           wVersion;  //ws2_32.dll 建议我们使用的版本号    WORD           wHighVersion;  //ws2_32.dll 支持的最高版本号    //一个以 null 结尾的字符串，用来说明 ws2_32.dll 的实现以及厂商信息    char           szDescription[WSADESCRIPTION_LEN+1];    //一个以 null 结尾的字符串，用来说明 ws2_32.dll 的状态以及配置信息    char           szSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN+1];    unsigned short iMaxSockets;  //2.0以后不再使用    unsigned short iMaxUdpDg;  //2.0以后不再使用    char FAR       *lpVendorInfo;  //2.0以后不再使用} WSADATA, *LPWSADATA;

最后3个成员已弃之不用，szDescription 和 szSystemStatus 包含的信息基本没有实用价值，读者只需关注前两个成员即可。请看下面的代码：

#include <stdio.h>#include <winsock2.h>#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")int main(){    WSADATA wsaData;    WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);    printf("wVersion: %d.%d\n", LOBYTE(wsaData.wVersion), HIBYTE(wsaData.wVersion));    printf("wHighVersion: %d.%d\n", LOBYTE(wsaData.wHighVersion), HIBYTE(wsaData.wHighVersion));    printf("szDescription: %s\n", wsaData.szDescription);    printf("szSystemStatus: %s\n", wsaData.szSystemStatus);    return 0;}

运行结果：
wVersion: 2.2
wHighVersion: 2.2
szDescription: WinSock 2.0
szSystemStatus: Running

ws2_32.dll 支持的最高版本为 2.2，建议使用的版本也是 2.2。
综上所述：WinSock 编程的第一步就是加载 ws2_32.dll，然后调用 WSAStartup() 函数进行初始化，并指明要使用的版本号。

Linux

服务器端代码 server.cpp：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>int main(){    //创建套接字    int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);    //将套接字和IP、端口绑定    struct sockaddr_in serv_addr;    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充    serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址    serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口    bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));    //进入监听状态，等待用户发起请求    listen(serv_sock, 20);    //接收客户端请求    struct sockaddr_in clnt_addr;    socklen_t clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);    int clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);    //向客户端发送数据    char str[] = "Hello World!";    write(clnt_sock, str, sizeof(str));       //关闭套接字    close(clnt_sock);    close(serv_sock);    return 0;}

客户端代码 client.cpp：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/socket.h>int main(){    //创建套接字    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);    //向服务器（特定的IP和端口）发起请求    struct sockaddr_in serv_addr;    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充    serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址    serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口    connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));       //读取服务器传回的数据    char buffer[40];    read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);       printf("Message form server: %s\n", buffer);       //关闭套接字    close(sock);    return 0;}

Window

服务器端代码 server.cpp：

#include <stdio.h>#include <winsock2.h>#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dllint main(){    //初始化 DLL    WSADATA wsaData;    WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);    //创建套接字    SOCKET servSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);    //绑定套接字    sockaddr_in sockAddr;    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充    sockAddr.sin_family = PF_INET;  //使用IPv4地址    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址    sockAddr.sin_port = htons(1234);  //端口    bind(servSock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));    //进入监听状态    listen(servSock, 20);    //接收客户端请求    SOCKADDR clntAddr;    int nSize = sizeof(SOCKADDR);    SOCKET clntSock = accept(servSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &nSize);    //向客户端发送数据    char *str = "Hello World!";    send(clntSock, str, strlen(str)+sizeof(char), NULL);    //关闭套接字    closesocket(clntSock);    closesocket(servSock);    //终止 DLL 的使用    WSACleanup();    return 0;}

客户端代码 client.cpp：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <WinSock2.h>#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dllint main(){    //初始化DLL    WSADATA wsaData;    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);    //创建套接字    SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);    //向服务器发起请求    sockaddr_in sockAddr;    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充    sockAddr.sin_family = PF_INET;    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");    sockAddr.sin_port = htons(1234);    connect(sock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));    //接收服务器传回的数据    char szBuffer[MAXBYTE] = {0};    recv(sock, szBuffer, MAXBYTE, NULL);    //输出接收到的数据    printf("Message form server: %s\n", szBuffer);    //关闭套接字    closesocket(sock);    //终止使用 DLL    WSACleanup();    system("pause");    return 0;}