linux下的socket通信

曾经终败给现在 2022-12-21 00:42 229阅读 0赞

# linux下的socket通信 #

在linux下，无论多么复杂的服务器或客户端程序，无论什么编程语言实现的，其底层都离不开linux内核提供的系统调用（也就十多个函数），其网络通信的基本流程一定如下所述：

对于服务器，其通信流程一般有如下步骤：

1.  调用socket函数创建socket，这一步会创建一个文件描述符FD。
2.  调用bind函数将socket（也就是FD）绑定到某个ip和端口的二元组上。
3.  调用listen函数开启侦听端口。
4.  调用accept阻塞等待接受连接，当有客户端请求连接上来后，产生一个新的socket（客户端socket）。
5.  基于新产生的socket调用send或recv函数开始与客户端进行数据通信。
6.  通信结束后，调用close函数关闭客户端socket。

对于客户端，其通信流程一般有如下步骤：

1.  调用socket函数创建客户端socket。
2.  调用connect函数尝试连接服务器。
3.  连接成功以后调用send或recv函数开始与服务器进行数据通信。
4.  通信结束后，调用close函数关闭socket。

上述流程可以绘制成如下图示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## 函数说明 ##

### socket ###

函数原型：

#include <sys/types.h> 
    #include <sys/socket.h>
    
    int socket(int domain, int type, int protocol);

函数说明：

*  domain：指定通信协议族。常用的协议族有AF\_INET、AF\_UNIX等，对于TCP协议，该字段应为AF\_INET（ipv4）或AF\_INET6（ipv6）。
 *  type：指定socket类型。常用的socket类型有SOCK\_STREAM（TCP）、SOCK\_DGRAM（UDP）等。
 *  protocol：指定socket所使用的协议，一般我们平常都指定为0，使用type中的默认协议。严格意义上，IPPROTO\_TCP（值为6）代表TCP协议。
 *  返回值：成功为文件描述符FD，失败未-1。

另外type参数可以附加设置socket的类型，阻塞还是非阻塞，默认是阻塞，设置为非阻塞SOCK\_NONBLOCK的方法如下：

socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, IPPROTO_TCP);

### bind ###

函数原型：

#include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    
    int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函数说明：

*  sockfd：一般为调用socket函数返回的文件描述符。
 *  \*addr：地址的格式与协议有关，ipv4查看`man 7 ip`，ipv6查看`man 7 ipv6`。
 *  addrlen：\*addr的长度。
 *  返回值：0为成功，-1为失败。

在ip中`*addr`结构体声明如下：

struct sockaddr_in { 
        sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
        in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
        struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
    };
    
    /* Internet address. */
    struct in_addr { 
        uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
    };

在ipv6中`*addr`结构体声明如下：

struct sockaddr_in6 { 
        sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */
        in_port_t       sin6_port;     /* port number */
        uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */
        struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */
        uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */
    };
    
    struct in6_addr { 
        unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */
    };

### listen ###

函数原型：

#include <sys/types.h> /* See NOTES */
    #include <sys/socket.h>
    
    int listen(int sockfd, int backlog);

函数说明：

*  sockfd：一般为调用socket函数返回的文件描述符。
 *  backlog：待连接的等待队列的最大值。
 *  返回值：0为成功，-1为失败。

### accept ###

函数原型：

#include <sys/types.h> 
    #include <sys/socket.h>
    
    int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
    
    #define _GNU_SOURCE 
    #include <sys/socket.h>
    
    int accept4(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen, int flags);

函数说明：

*  sockfd：一般为调用socket函数返回的文件描述符。
 *  \*addr：存储客户端的信息（如ip和端口），传入一个空的结构体，便于函数内部为这个结构体赋值，这样外部就能访问了。
 *  \*addrlen：\*addr的长度。
 *  flags：c语言不能像java中一样方法重载，所以只能用个新的方法accept4加个flags参数，这个参数也是用来设置非阻塞SOCK\_NONBLOCK的。
 *  返回值：成功则返回与客户端建立连接的socket，也就是一个文件描述符FD，失败则返回-1。

### connect ###

函数原型：

#include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    
    int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函数说明：

*  sockfd：一般为调用socket函数返回的文件描述符。
 *  \*addr：服务器端的地址，格式参考bind函数。
 *  addrlen：\*addr的长度。
 *  返回值：0为成功，-1为失败。

### send与write ###

函数原型：

#include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    
    ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

函数说明：

*  sockfd：文件描述符。
 *  \*buf：要发送的内容。
 *  len：发送的内容的长度
 *  flags：标志位，默认为0，具体参考`man 2 send`。
 *  返回值：成功则返回发送的内容的长度，失败则返回-1。

write函数原型如下：

#include <unistd.h>
    
    ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

与send基本类似，唯一的区别就是少了一个flags参数，flags设置位0两者的效果一样。

另外还有个sendto，函数原型如下：

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

这个函数多了一个地址和地址的长度，用于发送UDP报文，前面无需使用connect建立连接，将地址设置为NULL，长度设置为0，效果与send函数一样。

### recv与read ###

函数原型：

#include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    
    ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

函数说明：

*  sockfd：文件描述符。
 *  \*buf：用来存放接收到的数据。
 *  len：\*buf的长度。
 *  flags：标志位，具体参考`man 2 recv`。
 *  返回值：成功则返回收到的内容的长度，失败则返回-1。

read函数原型如下：

#include <unistd.h>
    
    ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

与recv基本类似，唯一的区别就是少了一个flags参数，flags设置位0两者的效果一样。

recv也有个发送UDP数据的方法，函数原型如下：

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

## 代码实现 ##

### 服务器端代码 ###

#include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <string.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main() { 
    	
    	// create socket
    	int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    	if(-1 == listenfd) { 
    		printf("create socket error");
    		return -1;
    	}
    	
    	// bind port 
    	struct sockaddr_in bindaddr;
    	bindaddr.sin_family = AF_INET;
    	bindaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    	bindaddr.sin_port = htons(3000);
    	if(-1 == bind(listenfd, (struct sockaddr *)&bindaddr, sizeof(bindaddr))) { 
    		printf("bind error");
    		return -1;
    	}
    	
    	// start listen
    	if (listen(listenfd, 2) == -1) { 
    		printf("listem error");
    		return -1;
    	}
    	
    	while (1) { 
    		struct sockaddr_in clientaddr;
    		socklen_t clientaddrlen = sizeof(clientaddr);
    		
    		// accept connection
    		int clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &clientaddrlen);
    		if (clientfd != -1) {          	
    			char recvBuf[32] = { 0};
    			
    			// receive data
    			int ret = recv(clientfd, recvBuf, 32, 0);
    			if (ret > 0) { 
    				printf("recv data from client, data: %s\n", recvBuf);
    				
    				// send data
    				ret = send(clientfd, recvBuf, strlen(recvBuf), 0);
    				if (ret != strlen(recvBuf)) { 
    					printf("send data error.");
    				}
    				
    			} else { 
    				printf("recv data error.");
    			}
    			
    			close(clientfd);
    		}
    	}
    	
    	//close socket
    	close(listenfd);
    	return 0;
    }

启动服务器端，服务器端在地址0.0.0.0:3000启动一个侦听，客户端连接服务器成功后，给服务器发送字符串"hello"；服务器收到后，将收到的字符串原封不动地发给客户端。

# gcc server.c -o server.out
    # ./server.out 
    recv data from client, data: hello

客户端可以使用nc命令充当：

# echo hello | nc 127.0.0.1 3000
    hello

### 客户端代码 ###

#include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <string.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main() { 
    	
    	// create socket
    	int clientfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    	if(-1 == clientfd) { 
    		printf("create socket error");
    		return -1;
    	}
    	
    	// connect server 
    	struct sockaddr_in serveraddr;
    	serveraddr.sin_family = AF_INET;
    	serveraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");;
            serveraddr.sin_port = htons(3000);
    	
    	if(-1 == connect(clientfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr))) { 
    		printf("connect error");
    		return -1;
    	}
    	
    	// send data
    	int ret = send(clientfd, "hello", strlen("hello"), 0);
    	if (ret != strlen("hello")){ 
    		printf("send data error");
    		return -1;
    	}
    	
    	// receive data
    	char recvBuf[32] = { 0};
    	ret = recv(clientfd, recvBuf, 32, 0);
    	if (ret > 0) { 
    		printf("receive data from server: %s", recvBuf);
    	} else { 
    		printf("receive data error: %s", recvBuf);
    	}
    	
    	// close socket
    	close(clientfd);
    
        return 0;
    }

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221120/fb1cd04aae924c2d83e042fa3ceff9d2.png