Linux Socket编程附实例Word格式.docx
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Linux Socket编程附实例Word格式.docx
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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SunRPC)
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:
UNIXBSD的套接字(socket)和UNIXSystemV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。
socket一词的起源
在组网领域的首次使用是在1970年2月12日发布的文献IETFRFC33中发现的,撰写者为StephenCarr、SteveCrocker和VintCerf。
根据美国计算机历史博物馆的记载,Croker写道:
“命名空间的元素都可称为套接字接口。
一个套接字接口构成一个连接的一端,而一个连接可完全由一对套接字接口规定。
”计算机历史博物馆补充道:
“这比BSD的套接字接口定义早了大约12年。
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。
intsocket(intdomain,inttype,intprotocol);
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(socketdescriptor),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(addressfamily,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。
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。
intbind(intsockfd,conststructsockaddr*addr,socklen_taddrlen);
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conststructsockaddr*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:
structsockaddr_in{
sa_family_tsin_family;
/*addressfamily:
AF_INET*/
in_port_tsin_port;
/*portinnetworkbyteorder*/
structin_addrsin_addr;
/*internetaddress*/
};
/*Internetaddress.*/
structin_addr{
uint32_ts_addr;
/*addressinnetworkbyteorder*/
ipv6对应的是:
structsockaddr_in6{
sa_family_tsin6_family;
/*AF_INET6*/
in_port_tsin6_port;
/*portnumber*/
uint32_tsin6_flowinfo;
/*IPv6flowinformation*/
structin6_addrsin6_addr;
/*IPv6address*/
uint32_tsin6_scope_id;
/*ScopeID(newin2.4)*/
structin6_addr{
unsignedchars6_addr[16];
Unix域对应的是:
#defineUNIX_PATH_MAX108
structsockaddr_un{
sa_family_tsun_family;
/*AF_UNIX*/
charsun_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。
网络字节序与主机字节序
主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式:
不同的CPU有不同的字节序类型,这些字节序是指整数在内存中保存的顺序,这个叫做主机序。
引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下:
a)Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端,高位字节排放在内存的高地址端。
b)Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端,低位字节排放在内存的高地址端。
网络字节序:
4个字节的32bit值以下面的次序传输:
首先是0~7bit,其次8~15bit,然后16~23bit,最后是24~31bit。
这种传输次序称作大端字节序。
由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序,因此它又称作网络字节序。
字节序,顾名思义字节的顺序,就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序,一个字节的数据没有顺序的问题了。
所以:
在将一个地址绑定到socket的时候,请先将主机字节序转换成为网络字节序,而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。
由于这个问题曾引发过血案!
公司项目代码中由于存在这个问题,导致了很多莫名其妙的问题,所以请谨记对主机字节序不要做任何假定,务必将其转化为网络字节序再赋给socket。
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。
intlisten(intsockfd,intbacklog);
intconnect(intsockfd,conststructsockaddr*addr,socklen_taddrlen);
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。
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。
intaccept(intsockfd,structsockaddr*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structsockaddr*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。
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_tread(intfd,void*buf,size_tcount);
ssize_twrite(intfd,constvoid*buf,size_tcount);
sys/types.h>
sys/socket.h>
ssize_tsend(intsockfd,constvoid*buf,size_tlen,intflags);
ssize_trecv(intsockfd,void*buf,size_tlen,intflags);
ssize_tsendto(intsockfd,constvoid*buf,size_tlen,intflags,
conststructsockaddr*dest_addr,socklen_taddrlen);
ssize_trecvfrom(intsockfd,void*buf,size_tlen,intflags,
structsockaddr*src_addr,socklen_t*addrlen);
ssize_tsendmsg(intsockfd,conststructmsghdr*msg,intflags);
ssize_trecvmsg(intsockfd,structmsghdr*msg,intflags);
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。
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<
intclose(intfd);
close一个TCPsocket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。
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。
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SYNJ
服务器向客户端响应一个SYNK,并对SYNJ进行确认ACKJ+1
客户端再想服务器发一个确认ACKK+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SYNJ包,这时connect进入阻塞状态;
服务器监听到连接请求,即收到SYNJ包,调用accept函数接收请求向客户端发送SYNK,ACKJ+1,这时accept进入阻塞状态;
客户端收到服务器的SYNK,ACKJ+1之后,这时connect返回,并对SYNK进行确认;
服务器收到ACKK+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。
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FINM;
另一端接收到FINM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FINN;
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、一个例子(实践一下)(此处没有引用原作者的举得例子)
说了这么多了,动手实践一下。
下面编写一个简单的服务器、客户端(使用TCP)——服务器端一直监听本机的6666号端口,如果收到连接请求,将接收请求并接收客户端发来的消息;
客户端与服务器端建立连接并发送一条消息。
文件结构如下:
mysocket类封装了服务端/客户端连接的建立
server.cpp启动服务端的main函数
client.cpp启动客户端的main函数
1.mysocket.h的代码
#ifndef_MYSOCKET_H
#define_MYSOCKET_H
classmysocket
{
public:
mysocket();
~mysocket();
boolcreateclient(intdomain,intsoctype,intprotype,intport);
boolcreateserver(intdomain,intsoctype,intprotype,intport);
voidrecvmsg();
voidsedmsg();
private:
intm_idomain;
intm_isoctype;
intm_iprotype;
intm_isocket;
#endif
2.mysocket.cpp的代码
#include"
mysocket.h"
#include<
netinet/in.h>
stdio.h>
stdlib.h>
string.h>
errno.h>
arpa/inet.h>
mysocket:
:
mysocket()
}
~mysocket()
boolmysocket:
createserver(intdomain,intsoctype,intprotype,intport)
m_idomain=domain;
m_isoctype=soctype;
m_iprotype=protype;
m_isocket=socket(m_idomain,m_isoctype,m_iprotype);
if(-1==m_isocket)
{
printf("
createsocketerror\n"
);
returnfalse;
}
structsockaddr_inservaddr;
memset(&
servaddr,0,sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family=domain;
servaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port=htons(port);
if(bind(m_isocket,(structsockaddr*)&
servaddr,sizeof(servaddr))==-1)
{
bindsocketerror\n"
if(listen(m_isocket,10)==-1)
listensocketerror\n"
printf("
======waitingforclient'
srequest======\n"
returntrue;
voidmysocket:
recvmsg()
intconnfd=-1;
charbuff[1024]={0};
intn=0;
while
(1)
if((connfd=accept(m_isocket,(structsockaddr*)NULL,NULL))==-1)
{
printf("
acceptsocketerror:
%s(errno:
%d)"
strerror
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