linux下Socket编程(一)

简介

  • Socket理论
  • Socket工作流程
  • 核心函数讲解
  • 服务的如何获取客户端的信息
  • 字符串ip和网络二进制的转换
  • 大小端问题
  • 示例源代码

Linux内核源码

Socket理论

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。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)。
说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层,它是一组接口。在设计模式中,Socket其实就是一个门面模式,它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面,对用户来说,一组简单的接口就是全部,让Socket去组织数据,以符合指定的协议。
注意:
其实socket也没有层的概念,它只是一个facade设计模式的应用,让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中,我们大量用的都是通过socket实现的。

套接字描述符

其实就是一个整数,我们最熟悉的句柄是0、1、2三个,0是标准输入,1是标准输出,2是标准错误输出。0、1、2是整数表示的,对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr

套接字API最初是作为UNIX操作系统的一部分而开发的,所以套接字API与系统的其他I/O设备集成在一起。特别是,当应用程序要为因特网通信而创建一个套接字(socket)时,操作系统就返回一个小整数作为描述符(descriptor)来标识这个套接字。然后,应用程序以该描述符作为传递参数,通过调用函数来完成某种操作(例如通过网络传送数据或接收输入的数据)。

当应用程序要创建一个套接字时,操作系统就返回一个小整数作为描述符,应用程序则使用这个描述符来引用该套接字需要I/O请求的应用程序请求操作系统打开一个文件。操作系统就创建一个文件描述符提供给应用程序访问文件。从应用程序的角度看,文件描述符是一个整数,应用程序可以用它来读写文件。下图显示,操作系统如何把文件描述符实现为一个指针数组,这些指针指向内部数据结构。

对于每个程序系统都有一张单独的表。精确地讲,系统为每个运行的进程维护一张单独的文件描述符表。当进程打开一个文件时,系统把一个指向此文件内部数据结构的指针写入文件描述符表,并把该表的索引值返回给调用者 。应用程序只需记住这个描述符,并在以后操作该文件时使用它。操作系统把该描述符作为索引访问进程描述符表,通过指针找到保存该文件所有的信息的数据结构。

文件描述符和文件指针的区别:
  • 文件描述符:在linux系统中打开文件就会获得文件描述符,它是个很小的正整数。每个进程在PCB(Process Control Block)中保存着一份文件描述符表,文件描述符就是这个表的索引,每个表项都有一个指向已打开文件的指针。
  • 文件指针:C语言中使用文件指针做为I/O的句柄。文件指针指向进程用户区中的一个被称为FILE结构的数据结构。FILE结构包括一个缓冲区和一个文件描述符。而文件描述符是文件描述符表的一个索引,因此从某种意义上说文件指针就是句柄的句柄(在Windows系统上,文件描述符被称作文件句柄)。

Socket工作流程

Socket.png

核心函数讲解

通过以上的图我们基本了解socket的

socket()
int socket(int domain, int type, int protocol);  //返回sockfd(描述符)

对应于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。

  • domain:即协议域,又称为协议族(family)
    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。
family 说明
AF_INET IPv4协议
AF_INET6 IPv6
AF_LOCAL Unix域协议
AF_ROUTE 路由套接字
AF_KEY 密钥套接字
domain.png
  • type: 指定socket类型。
type 说明
SOCK_STREAM(常用) 字节流套接字
SOCK_DGRAM 数据报套接字
SOCK_SEQPACKET 有序分组套接字
SOCK_RAW 原始套接字
  • protocol:指定协议。
protocol 说明
IPPROTO_TCP TCP传输协议
IPPROTO_UDP UDP传输协议
IPPROTO_SCTP SCTP传输协议
IPPROTO_TIPC TIPC传输协议

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。

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。

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

创建完socket之后就是地址的绑定了,通过bind系统调用实现。该调用通过传递进来的文件描述符找到对应的socket结构,把一个地址族中的特定地址赋给socket,也可以说是绑定ip端口和socket。

  • 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。
    • ipv4:sockaddr_in
    • ipv6:sockaddr_in6
    • Unix域:sockaddr_un

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。

struct sockaddr和struct sockaddr_in

这两个结构体用来处理网络通信的地址。在各种系统调用或者函数中,只要和网络地址打交道,就得用到这两个结构体。

include <netinet/in.h>
 
struct sockaddr {
    unsigned short    sa_family;    // 2 bytes address family, AF_xxx
    char              sa_data[14];     // 14 bytes of protocol address
};
 
// IPv4 AF_INET sockets:
 
struct sockaddr_in {
    short            sin_family;       // 2 bytes e.g. AF_INET, AF_INET6
    unsigned short   sin_port;    // 2 bytes e.g. htons(3490)
    struct in_addr   sin_addr;     // 4 bytes see struct in_addr, below
    char             sin_zero[8];     // 8 bytes zero this if you want to
};
 
struct in_addr {
    unsigned long s_addr;          // 4 bytes load with inet_pton()
};

注释中标明了属性的含义及其字节大小,这两个结构体一样大,都是16个字节,而且都有family属性,不同的是:

  • sockaddr用其余14个字节来表示sa_data,
  • sockaddr_in把14个字节拆分成sin_port, sin_addr和sin_zero分别表示端口、ip地址。sin_zero用来填充字节使sockaddr_in和sockaddr保持一样大小。

sckaddr和sockaddr_in包含的数据都是一样的,但他们在使用上有区别:
程序员不应操作sockaddr,sockaddr是给操作系统用的。程序员应使用sockaddr_in来表示地址,sockaddr_in区分了地址和端口,使用更方便。

listen
int listen(int sockfd, int backlog);

和listen相关的大部分信息存储在inet_connection_sock结构中。同样的内核通过文件描述符找到对应的sock,然后将其转换为inet_connection_sock结构。在inet_connection_sock结构体中含有一个类型为request_sock_queue的icsk_accept_queue变量
inet_connection_sock.在linux内核代码中linux-2.6.32.12\include\net\inet_connection_sock.h

struct inet_connection_sock {
   /* inet_sock has to be the first member! */
   struct inet_sock      icsk_inet;
   struct request_sock_queue icsk_accept_queue;
   struct inet_bind_bucket   *icsk_bind_hash;
   //....省略后面的代码
}
  • 第二个参数规定了内核要为该套接字排队的最大连接个数。
  • 在创建套接字的时候使用了socket函数,它创建的套接字是主动套接字,listen函数的功能就是通过这个将主动套接字,变成被动套接字,告诉内核应该接受指向这个套接字的请求,CLOSED状态变成LISTEN状态
accept
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

该调用创建新的struct socket表示新的连接

  • 1、如果第二三个参数为空,代表了,我们对客户的身份不感兴趣,因此置为NULL;
  • 2、第一个参数为socket创建的监听套接字,返回的是已连接套接字,两个套接字是有区别的,而且非常重要。区别:我们所创建的监听套接字一般服务器只创建一个,并且一直存在。而内核会为每一个服务器进程的客户连接建立一个连接套接字,当服务器完成对某个给定客户的服务时,连接套接字就会被关闭。

如果accept成功返回,则服务器与客户已经正确建立连接了,此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。

accept默认会阻塞进程,直到有一个客户连接建立后返回,它返回的是一个新可用的套接字,这个套接字是连接套接字。

两种套接字
  • 监听套接字: 监听套接字正如accept的参数sockfd,它是监听套接字,在调用listen函数之后,是服务器开始调用socket()函数生成的,称为监听socket描述字(监听套接字)
  • 连接套接字:一个套接字会从主动连接的套接字变身为一个监听套接字;而accept函数返回的是已连接socket描述字(一个连接套接字),它代表着一个网络已经存在的点点连接。

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。

为什么要有两种套接字?

原因很简单,如果使用一个描述字的话,那么它的功能太多,使得使用很不直观,同时在内核确实产生了一个这样的新的描述字。
连接套接字socketfd_new 并没有占用新的端口与客户端通信,依然使用的是与监听套接字socketfd一样的端口号,此时我们需要区分两种套接字

connect

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。

close

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。

accept获取客户端信息(ip和端口)

如果服务端不需要知道客户端的信息,accept的第二个和第三个参数可以传NULL。如果需要则传入struct sockaddr*和socklen_t 。而这里struct sockaddr指向struct sockaddr_in。socklen_t *指向int。sockaddr_in的数据结构上一节已经讲到。

struct sockaddr_in sockaddrClient;
int clientl=sizeof(sockaddrClient);
// if((connfd = accept(sock,NULL,NULL))==-1) {
if((connfd = accept(sock,(struct sockaddr*)&sockaddrClient,(socklen_t *)&clientl))==-1) {
        printf("accpet socket error: %s errno :%d\n",strerror(errno),errno);
}
unsigned short port= ntohs(sockaddrClient.sin_port);
const char *ip=inet_ntop(AF_INET,(void *)&sockaddrClient.sin_addr,cilentIp,16);
printf("client %s:%d\n",cilentIp,port);

字符串ip和网络二进制的转换

inet_ntop

把IPv4 and IPv6的地址从二进制转化成字符串。函数成功的话返回字符串的首地址,错误返回NULL;

#include <arpa/inet.h>
const char *inet_ntop(int af, const void *src,char *dst, socklen_t size);
  • af 可以是AF_INET或AF_INET6
  • src 一个指向网络字节序的二进制值的指针
  • 转换后的点分十进制串的指针
  • socklen_t size 代表缓冲区dst的大小,避免溢出,如果缓存区太小无法存储地址的值,则返回一个空指针,并将errno置为ENOSPC。

示例:

const char *ip=inet_ntop(AF_INET,(void *)&sockaddrClient.sin_addr,cilentIp,16);
if(ip!=NULL){
  printf("ip is :%s",ip);
}
inet_pton

将ipv4和ipv6的点十进制的ip字符串转换成二进制。

#include <arpa/inet.h>
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

参数的含义与inet_ntop相似,只是少了一个参数。
示例:

char *servInetAddr = "127.0.0.1";
//端口号由外部传入
int port=atoi(argv[1]);
sockaddr.sin_port = htons(port);
inet_pton(AF_INET,servInetAddr,&sockaddr.sin_addr);

大小端问题

不同的CPU有不同的字节顺序类型,这些字节顺序类型指的是整数在内存中保存的顺序,即主机字节顺序。

Intelx86 的机器都是小端对齐模式。

小端转大端
  • htons
    整型变量从主机字节顺序转变成网络字节顺序,也就是小端转大端。
  • hotnl
    将主机数转换成无符号长整型的网络字节顺序。
大端转小端
  • ntohs
    将一个16位数由网络字节顺序
  • ntohl
    将一个无符号长整形数从网络字节顺序

示例源码

socket_project.png
server.cpp
#include "stdio.h"
//socket相关函数需要
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
//close函数需要
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <netinet/in.h>
#include <errno.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <thread>
#include <iostream>
#include "SocketThread.h"
using namespace std;

#define MAXLINE 1024

int main(int argc,char ** argv){
        int connfd;
        char buff[MAXLINE];
        int n;
        //创建一个socket
        int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
        if(sock==-1) {
                printf("create socket failed\n" );
        }
        //监听的端口
        unsigned short bindPort=8888;
        if(argc>=2) {
                //如果外部自定义了端口,则用外部自定义的端口
                bindPort=atoi(argv[1]);
        }
        printf("create socket success! %d\n", sock);
        struct sockaddr_in sockaddr;
        memset(&sockaddr,0,sizeof(sockaddr));
        sockaddr.sin_family=AF_INET;
        sockaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
        sockaddr.sin_port=htons(bindPort);
        //开始绑定
        //这里要注意要使用::  这样就调用的全局的bind函数,而不是std中的bind
        ::bind(sock,(struct sockaddr *)&sockaddr,sizeof(sockaddr));
        //监听,最多支持10个连接
        listen(sock,10);
        char cilentIp[20];
        while (true) {
                /* code */
                struct sockaddr_in sockaddrClient;
                int clientl=sizeof(sockaddrClient);
                printf("wait for client connect\n" );
                //不关心客户端的信息
                // if((connfd = accept(sock,NULL,NULL))==-1) {
                //接受客户端连接的同时,获取客户端的信息
                if((connfd = accept(sock,(struct sockaddr*)&sockaddrClient,(socklen_t *)&clientl))==-1) {
                        printf("accpet socket error: %s errno :%d\n",strerror(errno),errno);
                }
                //获取端口
                unsigned short port= ntohs(sockaddrClient.sin_port);
                //网络Ip=>主机Ip
                const char *ip=inet_ntop(AF_INET,(void *)&sockaddrClient.sin_addr,cilentIp,16);
                printf("client %s:%d\n",cilentIp,port);
                //使用线程
                SocketThread* st=new SocketThread(connfd);
                thread t(&SocketThread::run,st);
                t.detach();
        }
        int ret=close(sock);
        if(ret==-1) {
                printf("socket close failed\n");
        }else{
                printf("%d close success!\n",sock );
        }
        return 0;
}
client.cpp
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#define MAXLINE 1024
int main(int argc,char **argv)
{
        //连接的地址
        const char *servInetAddr = "127.0.0.1";
        int socketfd;
        struct sockaddr_in sockaddr;
        char recvline[MAXLINE], sendline[MAXLINE];
        int n;
        unsigned short port=8888;
        if(argc >= 2)
        {
                //端口号由外部传入
                port=atoi(argv[1]);
        }
        socketfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
        memset(&sockaddr,0,sizeof(sockaddr));
        sockaddr.sin_family = AF_INET;
        sockaddr.sin_port = htons(port);
        //主机Ip=>网络Ip
        inet_pton(AF_INET,servInetAddr,&sockaddr.sin_addr);
        //连接服务端
        if((connect(socketfd,(struct sockaddr*)&sockaddr,sizeof(sockaddr))) < 0 )
        {
                printf("connect error :[%s] errno: %d\n",strerror(errno),errno);
                exit(0);
        }
        printf("send message to server\n");
        int cmp=0;
        while(true) {
                printf("input your mssage\n");
                fgets(sendline,1024,stdin);
                //判断输入,如果是exit则退出并关闭连接
                int cmp=strcmp(sendline,"exit\n");
                if(cmp==0) {
                        break;
                }
                //发送数据。
                if((send(socketfd,sendline,strlen(sendline),0)) < 0)
                {
                        printf("send mes error: [%s] errno : %d",strerror(errno),errno);
                        exit(0);
                }
                memset(sendline,0,sizeof(sendline));
        }
        close(socketfd);
        printf("exit\n");
        exit(0);
}
SocketThread.h
#ifndef SOCKET_THREAD_H
#define SOCKET_THREAD_H
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>

using namespace std;
class SocketThread{
private:
  int sock;
public:
    SocketThread(int sock){
        this->sock=sock;
    }
    ~SocketThread(){
      cout<<"release"<<endl;
    }
    void run(){
        int n=0;
        cout<<"new thread for socket "<<this->sock<<endl;
        char buff[1024];
        for(;; ) {
                n = recv(this->sock,buff,1024,0);
                if(n<=0) {
                        //如果客户端断开了,这里就跳出循环
                        break;
                }
                buff[n] = '\0';
                printf("%d=>%s",n,buff);
        }
        close(this->sock);
        cout<<this->sock<<" closed"<<endl;
    }
};
#endif
Makefile文件
all: server client
objects = SocketThread.h server.cpp

server : $(objects)
    # g++ -o server $(objects)
    g++ -lpthread -o server $(objects)  -std=c++0x

client : client.cpp
    g++ -o client client.cpp

.PHONY : clean
clean :
    -rm  server client

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