socket编程

 本文介绍了在Linux环境下的socket编程常用函数用法及

socket编程的一般规则和客户/服务器模型的编程应注意的事项和

常遇问题的解决方法，并举了具体代码实例。要理解本文所谈的技

术问题需要读者具有一定C语言的编程经验和TCP/IP方面的基本知

识。要实习本文的示例，需要Linux下的gcc编译平台支持。

　　Socket定义

　　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编程相关数据类型定义

　　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。

　　我们要讨论的第一个结构类型是：struct sockaddr，该类型

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；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 */

　　};

　　这个结构使用更为方便。sin_zero(它用来将sockaddr_in结构

填充到与struct sockaddr同样的长度)应该用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。sin_family通常被赋AF_INET

；sin_port和sin_addr应该转换成为网络字节优先顺序；而

sin_addr则不需要转换。

　　我们下面讨论几个字节顺序转换函数：

　　htons()--"Host to Network Short" ; htonl()--"Host to

Network Long"

　　ntohs()--"Network to Host Short" ; ntohl()--"Network

to Host Long"

　　在这里， h表示"host" ，n表示"network"，s 表示"short"，

l表示 "long"。

　　打开socket 描述符、建立绑定并建立连接

　　socket函数原型为：

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

　　domain参数指定socket的类型：SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM；

protocol通常赋值“0”。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。

　　一旦通过socket调用返回一个socket描述符，你应该将该

socket与你本机上的一个端口相关联（往往当你在设计服务器端程

序时需要调用该函数。随后你就可以在该端口监听服务请求;而客

户端一般无须调用该函数）。 Bind函数原型为：

　　int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int

addrlen);

　　Sockfd是一个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)。

　　最后，对于bind 函数要说明的一点是，你可以用下面的赋值

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。Bind()函数在成功被调

用时返回0；遇到错误时返回“-1”并将errno置为相应的错误号。

另外要注意的是，当调用函数时，一般不要将端口号置为小于1024

的值，因为1~1024是保留端口号，你可以使用大于1024中任何一个

没有被占用的端口号。

　　Connect()函数用来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是目的服务器的sockt描述符；serv_addr是包含目的机

IP地址和端口号的指针。遇到错误时返回-1，并且errno中包含相

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，内核会自动选择一个未被占用的端口供客户端

来使用。

　　Listen()��监听是否有服务请求

　　在服务器端程序中，当socket与某一端口捆绑以后，就需要监

听该端口，以便对到达的服务请求加以处理。

　　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。当listen遇到错误时返

回-1，errno被置为相应的错误码。

　　故服务器端程序通常按下列顺序进行函数调用：

　　socket(); bind(); listen(); /* accept() goes here */

　　accept()��连接端口的服务请求。

　　当某个客户端试图与服务器监听的端口连接时，该连接请求将

排队等待服务器accept()它。通过调用accept()函数为其建立一个

连接，accept()函数将返回一个新的socket描述符，来供这个新连

接来使用。而服务器可以继续在以前的那个 socket上监听，同时

可以在新的socket描述符上进行数据send()（发送）和recv()（接

收）操作：

　　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）；addrten通常为一

个指向值为sizeof(struct sockaddr_in)的整型指针变量。错误发

生时返回一个-1并且设置相应的errno值。

　　Send()和recv()��数据传输

　　这两个函数是用于面向连接的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）。

　　char *msg = "Beej was here!"; int len， bytes_sent;

... ...

　　len = strlen(msg); bytes_sent = send(sockfd,

msg,len,0); ... ...

　　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。所以需要对send()的返回值进行测量。当send()返回值

与len不匹配时，应该对这种情况进行处理。

　　recv()函数原型为：

　　int recv(int sockfd,void *buf,int len,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，或当出现错误时，返回-1并置相应的errno值。

　　Sendto()和recvfrom()��利用数据报方式进行数据传输

　　在无连接的数据报socket方式下，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(int sockfd, 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,int len,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。

　　应注意的一点是，当你对于数据报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。

　　Close()和shutdown()��结束数据传输

　　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的含义是显而易见的，而参数 how可以设为下列值：

　　·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）。

　　DNS��域名服务相关函数

　　由于IP地址难以记忆和读写，所以为了读写记忆方便，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

gethostbyname()就是完成这种转换的，函数原型为：

　　struct hostent *gethostbyname(const char *name);

　　函数返回一种名为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。

　　面向连接的客户/服务器代码实例

　　 这个服务器通过一个连接向客户发送字符串"Hello，

world! "。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。

　　该服务器软件代码见程序1：

　　#include <stdio.h>

　　#include <stdlib.h>

　　#include <errno.h>

　　#include <string.h>

　　#include <sys/types.h>

　　#include <netinet/in.h>

　　#include <sys/socket.h>

　　#include <sys/wait.h>

　　#define MYPORT 3490 /*服务器监听端口号 */

　　#define BACKLOG 10 /* 最大同时连接请求数 */

　　main()

　　{

　　intsock fd,new_fd; /* 监听socket: sock_fd,数据传输

socket: new_fd */

　　struct sockaddr_in my_addr; /* 本机地址信息 */

　　struct sockaddr_in their_addr; /* 客户地址信息 */

　　n_size;

　　if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)

{ /*错误检测*/

　　perror("socket"); exit(1); }

　　my_addr.sin_family=AF_INET;

　　my_addr.sin_port=htons(MYPORT);

　　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) {/*错误检测*/

　　perror("bind"); exit(1); }

　　if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) {/*错误检测*/

　　perror("listen"); exit(1); }

　　while(1) { /* main accept() loop */

　　sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);

　　if ((new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr

*)&their_addr,

　　&sin_size)) == -1) {

　　perror("accept"); continue; }

　　printf("server: got connection from %s ",

　　inet_ntoa(their_addr.sin_addr));

　　if (!fork()) { /* 子进程代码段 */

　　if (send(new_fd, "Hello, world! ", 14, 0) == -1)

　　perror("send"); close(new_fd); exit(0); }

　　close(new_fd); /* 父进程不再需要该socket */

　　waitpid(-1,NULL,WNOHANG) > 0 /*等待子进程结束，清除子

进程所占用资源 */

　　}

　　}

　　（程序1）

　　服务器首先创建一个Socket，然后将该Socket与本地地址/端

口号捆绑，成功之后就在相应的socket上监听，当accpet捕捉到一

个连接服务请求时，就生成一个新的socket，并通过这个新的

socket向客户端发送字符串"Hello，world! "，然后关闭该

socket。

　　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。

　　客户端软件代码部分见程序2：

　　#include<stdio.h>

　　#include <stdlib.h>

　　#include <errno.h>

　　#include <string.h>

　　#include <netdb.h>

　　#include <sys/types.h>

　　#include <netinet/in.h>

　　#include <sys/socket.h>

　　#define PORT 3490

　　#define MAXDATASIZE 100 /*每次最大数据传输量 */

　　int main(int argc, char *argv[])

　　{

　　int sockfd, numbytes;

　　char buf[MAXDATASIZE];

　　struct hostent *he;

　　struct sockaddr_in their_addr;

　　if (argc != 2) {

　　fprintf(stderr,"usage: client hostname "); exit(1); }

　　if((he=gethostbyname(argv[1]))==NULL) {

　　herror("gethostbyname"); exit(1); }

　　if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)

{

　　perror("socket"); exit(1); }

　　their_addr.sin_family=AF_INET;

　　their_addr.sin_port=htons(PORT);

　　their_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)he->h_addr);

　　bzero(&(their_addr.sin_zero),8);

　　if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&their_addr,

　　 sizeof(struct sockaddr)) == -1) {/*错误检测*/

　　perror("connect"); exit(1); }

　　if ((numbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==

-1) {

　　perror("recv"); exit(1); }

　　buf[numbytes] = '';

　　printf("Received: %s",buf);

　　close(sockfd);

　　return 0;

　　}

　　（程序2）

　　客户端代码相对来说要简单一些，首先通过服务器域名获得其

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

，结束程序。

　　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。

　　 关于阻塞(blocking)的概念和select()函数

　　当服务器运行到accept语句时，而没有客户连接服务请求到

来，那么会发生什么情况?这时服务器就会停止在accept语句上等

待连接服务请求的到来；同样，当程序运行到接收数据语句时，如

果没有数据可以读取，则程序同样会停止在接收语句上。这种情况

称为blocking。但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

Socke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 <unistd.h>

　　#include <fcntl.h>

　　. . . . ； 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，并且返回值置为-1，并且errno置为EWOULDBLOCK。

但是这种“轮询”会使CPU处于忙等待方式，从而降低性能。考虑

到这种情况，假设你希望服务器监听连接服务请求的同时从已经建

立的连接读取数据，你也许会想到用一个accept语句和多个recv()

语句，但是由于accept及recv都是会阻塞的，所以这个想法显然不

会成功。

　　调用非阻塞的socket会大大地浪费系统资源。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(int fd,fd_set *set)----将一个文件描述符加入文件

描述符集中；

　　FD_CLR(int fd,fd_set *set)----将一个文件描述符从文件描

述符集中清除；

　　FD_ISSET(int fd,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 */

　　};

　　我们通过程序3来说明：

　　#include <sys/time.h>

　　#include <sys/types.h>

　　#include <unistd.h>

　　#define STDIN 0 /*标准输入文件描述符*/

　　main()

　　{

　　 struct timeval tv;

　　 fd_set readfds;

　　 tv.tv_sec = 2;

　　 tv.tv_usec = 500000;

　　 FD_ZERO(&readfds);

　　 FD_SET(STDIN,&readfds);

　　 /* 这里不关心写文件和异常处理文件描述符集合 */

　　 select(STDIN+1， &readfds， NULL， NULL， &tv);

　　 if (FD_ISSET(STDIN， &readfds)) printf("A key was

pressed! ");

　　 else printf("Timed out. ");

　　}

　　（程序3）

　　select()在被监视端口等待2.5秒钟以后，就从select返回。