Linuxsocket编程入门.docx

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Linuxsocket编程入门

Linuxsocket编程入门

（一）TCPserver端：

1、建模

作者：

龙飞

       绝大部分关于socket编程的教程总是从socket的概念开始讲起的。

要知道，socket的初衷是个庞大的体系，TCP/IP只是这个庞大体系下一个很小的子集，而我们真正能用上的更是这个子集中的一小部分：

运输层（Host-to-HostTransportLayer）的TCP和UDP协议，以及使用这两个协议进行应用层（ApplicationLayer）的开发。

即使是socket的核心部分，网络层（InternetLayer）的IP协议，在编程的时候我们也很少会感觉到它的存在——因为已经被封装好了，我们唯一需要做的事情就是传入一个宏。

第一节我想介绍的概念就这么多，当然，既然我们已经说了3个层了，我想最好还是把最后一个层也说出来，即所谓链路层（NetworkAccessLayer），它包括了物理硬件和驱动程序。

这四个层从底到高的顺序是：

链路层－－网络层－－运输层－－应用层。

       好，说实话我们现在并不清楚所谓TCP到底是什么东东，不过我们知道这东东名气很大。

或许你早就知道，另外一个声名狼藉建立在TCP协议基础上的应用程序，它曾经几乎是统治了一个时代，即使是今天，我们依然无法消除他的影响力的——恩，是的，就是telnet。

       在这个教程中，我使用的环境是DebianGNU/Linux4.0etch。

传说中的stable-_-!

!

!

，恩，我是很保守的人。

如果你不是自己DIY出来的系统，相信默认安装里面就应该有telnet（/usr/bin/telnet，要是没装就自己aptitudeinstall吧）。

telnet可以与所有遵循TCP协议的服务器端进行通讯。

通常，socket编程总是Client/Server形式的，因为有了telnet，我们可以先不考虑client的程序，我们先写一个支持TCP协议的server端，然后用telnet作为client验证我们的程序就好了。

       server端的功能，我们也考虑一种最简单的反馈形式：

echo。

就如同你在终端输入echo'HelloWorld'，回车后shell就会给你返回HelloWorld一样，我们的第一个TCPserver就用以实现这个功能。

       什么样的模型适合描述这样的一种server呢？

我相信，一个很2的例子会有助于我们记忆TCPserver端的基本流程。

       想象你自己是个小大佬，坐办公室（什么样的黑社会做办公室啊？

可能是讨债公司吧^^）你很土，只有一个小弟帮你接电话（因为你自己的号码是不敢对外公开的）。

一次通讯的流程大概应该是这样的：

小弟那里的总机电话响了；小弟接起电话；对方说是你女朋友A妹；小弟转达说，“老大，你马子电话”；你说，接过来；小弟把电话接给你；你和你女朋友聊天半小时；挂电话。

       我们来分析一下整个过程中的元素。

先分析成员数据（请注意，这里开始用C++术语了）：

你小弟（listenSock），你需要他来监听（listen，这是socket编程中的术语）电话；你自己（communicationSock），实际上打电话进行交流的是你自己；你的电话号码（servAddr），否则你女朋友怎么能找到你？

你女朋友的电话号码（clntAddr），这个比喻有点牵强，因为事实上你接起电话，不需要知道对方的号码也可以通话（虽然事实上你应该是知道的，你不会取消了来电显示功能吧^^），但是，难道你是只接女朋友电话从来不打过去的牛人吗？

这个过程中的行为（成员函数）：

你小弟接电话并转接给你（isAccept（））；你自己的通话（handleEcho（））（这个行为确实比较土，只会乌鸦学舌的echo，呵呵）。

       简单的说，就是这些了。

根据这个模型，我们可以很容易写出实现我们需要的echo功能的TCPserver的类：

class TcpServer

{

private:

    int listenSock;//小弟

    int communicationSock;//大哥

    sockaddr_in servAddr;//自己的电话

    sockaddr_in clntAddr;//对方的电话

public:

    TcpServer（intlisten_port）;

    bool isAccept（）;//小弟接起

    void handleEcho（）;//大哥

};

这里面有些简写，比如，sock实际上就是socket，addr就是address。

serv和clnt我想你一定能猜到是server和client吧。

还有一个socket中的结构体sockaddr_in，实际上就是这个意思：

socketaddressinternet（网络嵌套字地址），具体解说，请看下回分解。

Linuxsocket编程入门

（一）TCPserver端：

2、socket与文件描述符

作者：

龙飞

UNIX中的一切事物都是文件（everythinginUnixisafile!

）

       当我在这篇教程中提到UNIX的时候，其意思专指符合UNIX标准的所谓“正统”UNIX的衍生系统（其实我就用来带指那些买了最初UNIX源代码的商业系统）操作系统和类似Linux，BSD这些类UNIX系统。

如果某些要点是Linux特有的，或者因为本人孤陋寡闻暂时搞不清楚是Linux特有的还是UNIX通用的，我就会指明是Linux，甚至其发行版（我本人在写这篇教程的时候是以DebianGNU/Linux4.0etch为测试平台的）。

       我们学习UNIX的时候，恐怕听到的第一句话就是这句：

UNIX中一切都是文件。

这是UNIX的基本理念之一，也是一句很好的概括。

比如，很多UNIX老鸟会举出个例子来，“你看，/dev/hdc是个文件，它实际上也是我的光盘……”UNIX中的文件可以是：

网络连接（networkconnection），输入输出（FIFO），管道（apipe），终端（terminal），硬盘上的实际文件，或者其它任何东东。

文件与文件描述符（file&filedescriptor）

       你可能对上一章中建模类中的int还记忆犹新。

我们用int在描述socket，实际上，所有的文件描述符都是int，没错，用的是一个整数类型。

如果你觉得这样让你很难接受，那么恭喜你，你跟我一样，也许是深中C++面向对象思想的毒了^^。

因为是int，所以文件描述符不可能是C++概念中的对象，因为int无法发出行为，但是，这并不代表也不能接受一个动作哈。

       PASCAL之父在批判面向对象思想教条的时候，曾经生动的举了个例子，“在OOP的概念中，绝对不应该接受a+b这种表达的，OOP对这个问题的表达应该是a.add（b）”。

fd（filedescriptor）可以作为接受动作的对象，但是本身却无法发出动作，这就如同一个只能做宾语不能做主语的名词，是个不完整的对象。

但是，请别忘了Linux和socket本身是C语言的产物，我们必须接受在面向过程时代下的产物，正视历史——当然，这与我们自己再进行OOP的封装并不矛盾。

       我们应该记住3个已经打开的fd，0：

标准输入（STDIN_FILENO）；1：

标准输出（STDOUT_FILENO）；2：

标准错误（STDERR_FILENO）。

（以上宏定义在中）一个最简单的使用fd的例子，就是使用中的函数：

write（1,"Hello,World!

\n",20）;，在标准输出上显示“Hello,World!

”。

       另外一个需要注意的问题是，file和fd并非一定是一一对应的。

当一个file被多个程序调用的时候，会生成相互独立的fd。

这个概念可以类比于C++中的引用（eg:

int&rTmp=tmp;）。

socket与filedescriptor

       文件是应用程序与系统（包括特定硬件设备）之间的桥梁，而文件描述符就是应用程序使用这个“桥梁”的接口。

在需要的时候，应用程序会向系统申请一个文件，然后将文件的描述符返回供程序使用。

返回socket的文件通常被创建在/tmp或者/usr/tmp中。

我们实际上不用关心这些文件，仅仅能够利用返回的socket描述符就可以了。

      好了，说了这么多，实际上就解释了一个问题，“为什么socket的类型是int？

”-_-!

!

!

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（一）TCPserver端：

3、sockaddr与sockaddr_in

作者：

龙飞

收件人地址

       一家化妆品公司将一批新产品的样品，准备发给某学校某个班的女生们免费试用。

通常情况下，这件邮包的地址上可以这么写：

收件人：

全体女生。

地址：

A省B市C学校，X级Y班。

但是，如果在描述地址的时候这样写呢：

收件人：

全体女生。

地址：

请打电话xxxxxxxx，找他们学校一个叫Lucy的女生，然后把东西送到她的班上。

这种文字是相当的诡异啊-_-!

!

!

，但是并不等于就没有表述清楚邮包的去向和地址。

事实上邮局看到这样的地址一定会发飙的，然而对于电脑，如果你的地址描述形式是他可以接受和执行的，他就会老老实实的按你的要求去做……

       所以，如何描述地址不是问题的关键，关键在于这样的表述是不是能够表述清楚一个地址。

一种更加通用的表达形式可能是这样的：

收件人：

全体女生。

地址：

<一种地址描述方式>

       事实上，在socket的通用address描述结构sockaddr中正是用这样的方式来进行地址描述的：

struct sockaddr

{

    unsigned short sa_family;

    char sa_data[14];

};

这是一个16字节大小的结构（2+14），sa_family可以认为是socketaddressfamily的缩写，也可能被简写成AF（AddressFamily），他就好像我们例子中那个“收件人：

全体女生”一样，虽然事实上有很多AF的种类，但是我们这个教程中只用得上大名鼎鼎的internet家族AF_INET。

另外的14字节是用来描述地址的。

这是一种通用结构，事实上，当我们指定sa_family=AF_INET之后，sa_data的形式也就被固定了下来：

最前端的2字节用于记录16位的端口，紧接着的4字节用于记录32位的IP地址，最后的8字节清空为零。

这就是我们实际在构造sockaddr时候用到的结构sockaddr_in（意指socketaddressinternet）：

struct sockaddr_in

{

    unsigned short sin_family;

    unsigned short sin_port;

    struct in_addr sin_addr;

    char sin_zero[8];

};

我想，sin_的意思，就是socket（address）internet吧，只不过把address省略掉了。

sin_addr被定义成了一个结构，这个结构实际上就是：

struct in_addr

{

    unsigned long s_addr;

};

in_addr显然是internetaddress了，s_addr是什么意思呢？

说实话我没猜出值得肯定的答案，也许就是socketaddress的意思吧，尽管跟更广义的sockaddr结构意思有所重复了。

哎，这些都是历史原因，也许我是没有精力去考究了。

sockaddr和sockaddr_in在Linux中的实现

       你可能还记得我之前说过，UNIX和Linux上的socket实现都是从BSD的socket实现演变过来的。

事实上，socket这个词本来的意思，就是BerkeleySocketinterface的简单说法。

Linux上的socket与原本的socket的应该是完全兼容的，不过发展到今天，在代码实现上可能有些小的差别。

我们就吹毛求疵的来看看这些区别在什么地方。

#include 

/* Structure describing a generic socket address.  */

struct sockaddr

  {

    __SOCKADDR_COMMON （sa_）;    /* Common data:

 address family and length.  */

    char sa_data[14];        /* Address data.  */

  };

//==============

/* POSIX.1g specifies this type name for the `sa_family' member.  */

typedef unsigned short int sa_family_t;

/* This macro is used to declare the initial common members

   of the data types used for socket addresses, `struct sockaddr',

   `struct sockaddr_in', `struct sockaddr_un', etc.  */

#define    __SOCKADDR_COMMON（sa_prefix） \

  sa_family_t sa_prefix##family

#define __SOCKADDR_COMMON_SIZE    （sizeof （unsigned short int））

可以看到，转了几次typedef，几次宏定义，实际效果是与标准socket一样的。

#include 

/* Internet address.  */

typedef uint32_t in_addr_t;

struct in_addr

  {

    in_addr_t s_addr;

  };

//=================

/* Structure describing an Internet socket address.  */

struct sockaddr_in

  {

    __SOCKADDR_COMMON （sin_）;

    in_port_t sin_port;            /* Port number.  */

    struct in_addr sin_addr;        /* Internet address.  */

    /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */

    unsigned char sin_zero[sizeof （struct sockaddr） -

               __SOCKADDR_COMMON_SIZE -

               sizeof （in_port_t） -

               sizeof （struct in_addr）];

  };

同样的，看起来挺复杂，实际上与标准socket的定义是一样的。

头文件依赖关系

       是包含在中的，是包含在中的，实际上我们在程序中往往就是：

#include 

#include 

值得知道的是，ARPA是Advancedresearchprojectagency（美国国防部高级研究计划暑）的所写，ARPANET是当今互联网的前身，所以我们就可以想象，为什么inet.h会在arpa目录下了。

Linuxsocket编程入门

（一）TCPserver端：

4、构造函数涉及的概念

作者：

龙飞

       话题回到“黑社会办公室”的例子，讲概念已经扯得比较远了，不过，这一节我们还得讲概念，不过好在有些程序的例子。

如果大家不想翻回去看TcpServer类的原型，我这里直接给出这个头文件的完整源代码：

//Filename:

 TcpServerClass.hpp

#ifndef TCPSERVERCLASS_HPP_INCLUDED

#define TCPSERVERCLASS_HPP_INCLUDED

#include 

#include 

#include 

#include 

class TcpServer

{

private:

    int listenSock;

    int communicationSock;

    sockaddr_in servAddr;

    sockaddr_in clntAddr;

public:

    TcpServer（int listen_port）;

    bool isAccept（）;

    void handleEcho（）;

};

#endif // TCPSERVERCLASS_HPP_INCLUDED

我们已经解释了为什么listenSock和communicationSock的类型是int，以及sockaddr_in是什么结构，现在来写这个类的构造函数：

TcpServer:

:

TcpServer（int listen_port）

{

    if （ （listenSock = socket（PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP）） < 0 ） {

        throw "socket（） failed";

    }

    memset（&servAddr, 0, sizeof（servAddr））;

    servAddr.sin_family = AF_INET;

    servAddr.sin_addr.s_addr = htonl（INADDR_ANY）;

    servAddr.sin_port = htons（listen_port）;

    if （ bind（listenSock, （sockaddr*）&servAddr, sizeof（servAddr）） < 0 ） {

        throw "bind（） failed";

    }

    if （ listen（listenSock, 10） < 0 ） {

        throw "listen（） failed";

    }

}

好，先看看程序培养一下感觉，我们还得说概念。

数据封装（DataEncapsutation）

       我们前面说到了网络分层：

链路——网络——传输——应用。

数据从应用程序里诞生，传送到互联网上每一层都会进行一次封装：

Data>>Application>>TCP/UDP>>IP>>OS（Driver,Kernel&PhysicalAddress）

我们用socket重点描述的是协议，包括网络协议（IP）和传输协议（TCP/UDP）。

sockaddr重点描述的是地址，包括IP地址和TCP/UDP端口。

socket（）函数

   我们从TcpServer:

:

TcpServer（）函数可以看到，socket和sockaddr的产生是可以相互独立的。

socket（）的函数原型是：

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

在Linux中的实现为：

#include 

/* Create a new socket of type TYPE in domain DOMAIN, using

   protocol PROTOCOL.  If PROTOCOL is zero, one is chosen automatically.

   Returns a file descriptor for the new socket, or -1 for errors.  */

extern int socket （int __domain, int __type, int __protocol） __THROW;

第一个参数是协议簇（Linux里面叫作域，意思一样的），还是那句话，我们这篇教程用到的就仅仅是一个PF_INET（protocolfamily:

internet），很多时候你会发现人们也经常在这里赋值为AF_INET，事实上，当前，AF_INET就是PF_INET的一个#define，但是，写成PF_INET从语义上会更加严谨。

这也就是TCP/IP协议簇中的IP协议（InternetProtocol），网络层的协议。

后面两个参数定义传输层的协议。

第二个参数是传输层协议类型，我们教程里用到的宏，只有两个：

SOCK_STREAM（数据流格式）和SOCK_DGRAM（数据报格式）；（具体是什么我们以后讨论）

第三个参数是具体的传输层协议。

当赋值为0的时候，系统会根据传输层协议类型自动匹配和选择。

事实上，当前，匹配SOCK_STREAM的就是TCP协议；而匹配SOCK_DGRAM就是UDP协议。

所以，我们指定了第二个参数，第三个就可以简单的设置为0。

不过，为了严谨，我们最好还是把具体协议写出来，比如，我们的例子中的TCP协议的宏名称：

IPPROTO_TCP。

数据的“地址”

       从数据封装的模型，我们可以看到数据是怎么从应用程序传递到互联网的。

我们说过，数据的传送是通过socket进行的。

但是socket只描述了协议类型。

要让数据正确的传送到某个地方，必须添加那个地方的sockaddr地址；同样，要能接受网络上的数据，必须有自己的sockaddr地址。

       可见，在网络上传送的数据包，是socket和sockaddr共同“染指”的结果。

他们共同封装和指定了一个数据包的网络协议（IP）和IP地址，传输协议（TCP/UDP）和端口号。

网络字节和本机字节的相互转换

       sockaddr结构中的IP地址（sin_addr.s_addr）和端口号（sin_port）将被封装到网络上传送的数据包中，所以，它的结构形式需要保证是网络字节形式。

我们这里用到的函数是htons（）和htonl（），这些缩写的意思是：

h:

host，主机（本机）

n:

network，网络

to:

to转换

s:

short，16位（2字节，常用于端口号）

l:

long,32位（4字节，常用于IP地址）

“反过来”的函数也是存在的ntohs（）和ntohl（）。

动作与持续行为

       本节最后的一个概念可以跟计算机无关。

作为动词，有些可以描述动