APUE学习之socket网络编程
目录
一、socket通信简介
二、socket通信的基本流程
三、socket服务器和客户端示例代码
1、服务端
2、客户端
3、运行结果
四、socket编程函数详解
1、socket（）函数
2、bind（）函数
3、网络字节序和主机字节序
4、listen（）函数
5、accept（）函数
6、connect（）函数
7、close（）、shutdown（）函数
一、socket通信简介
Socket通信是一种计算机网络中常见的通信机制，用于在不同计算机之间进行数据交换。Socket（套接字）是网络编程的基本组件之一，它提供了一种标准的编程接口，允许应用程序通过网络进行通信。
下面是Socket通信的一些基本概念和要点：
-
套接字(Socket)： 套接字是通信的基本单元，它是网络通信的接口。套接字提供了一种封装了网络通信细节的抽象层，使得应用程序可以通过套接字进行数据的发送和接收。
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通信协议： Socket通信可以使用不同的通信协议，其中最常见的是TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP提供可靠的、面向连接的通信，而UDP是一种无连接的、不可靠的通信方式。
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服务器端和客户端： 在Socket通信中，通常涉及两个主要角色：服务器端和客户端。服务器端等待并响应连接请求，而客户端发起连接请求并与服务器端建立连接。
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地址和端口： 在Socket通信中，每个主机都有一个唯一的IP地址，而每个正在运行的应用程序则有一个端口号。通信双方通过IP地址和端口号来确定彼此的位置。
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流程： Socket通信的基本流程包括创建套接字、绑定地址和端口、监听连接请求（对于服务器端）、接受连接请求（对于服务器端）、建立连接（对于客户端）、发送和接收数据、关闭连接等步骤。
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阻塞和非阻塞： Socket通信可以是阻塞的或非阻塞的。在阻塞模式下，某些操作（如接受连接或发送数据）会导致程序阻塞，直到操作完成。非阻塞模式允许程序在等待操作完成时继续执行其他任务。
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多线程和多进程： 在服务器端，可以使用多线程或多进程来处理多个连接，实现并发处理。每个连接都在独立的线程或进程中进行处理，以避免阻塞整个服务器。
Socket通信在网络编程中具有广泛的应用，例如Web服务器、聊天应用、文件传输等。它提供了一种灵活而强大的方式，使得不同计算机之间可以进行可靠的数据交换。
二、socket通信的基本流程
三、socket服务器和客户端示例代码
1、服务端
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define LISTEN_PORT 8889 //监听端口设为8889
#define BACKLOG 13 //相应socket可以在内核里排队的最大连接个数
int main(int argc , char *argv[])
{
int rv = -1;
int listen_fd = -1;
int client_fd = -1;
struct sockaddr_in ser_addr;
struct sockaddr_in cli_addr;
socklen_t cliaddr_len = sizeof(cli_addr);
char buf[1024];
listen_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(listen_fd < 0)
{
printf("create socket failure : %s\n",strerror(errno));
return -1;
}
printf("socket create fd[%d]\n",listen_fd);
memset(&ser_addr,0,sizeof(ser_addr));
ser_addr.sin_family = AF_INET;
ser_addr.sin_port = htons(LISTEN_PORT);
ser_addr.sin_addr.s_addr= htonl(INADDR_ANY); //意味着监听所有的IP地址
if(bind(listen_fd,(struct sockaddr*)&ser_addr,sizeof(ser_addr)) < 0)
{
printf("create socket failure : %s\n",strerror(errno));
return -2;
}
printf("socket[%d] bind on port[%d] for all IP address ok\n",listen_fd,LISTEN_PORT);
listen(listen_fd,BACKLOG);
while(1)
{
printf("\nStart waiting and accept new client connect.....\n",listen_fd);
client_fd = accept(listen_fd,(struct sockaddr*)&cli_addr,&cliaddr_len);
if(client_fd < 0)
{
printf("accept new socket failure : %s\n",strerror(errno));
return -3;
}
printf("Accept new client[%s:%d]with fd [%d]\n",inet_ntoa(cli_addr.sin_addr),ntohs(cli_addr.sin_port),client_fd);
memset(buf,0,sizeof(buf));
if((rv = read(client_fd,buf,sizeof(buf))) < 0)
{
printf("Read data from client socket[%d] failure : %s\n",client_fd,strerror(errno));
close(client_fd);
continue;
}
else if(rv == 0)
{
printf("client socket[%d]disconnected\n",client_fd);
close(client_fd);
continue;
}
else if(rv > 0)
{
printf("read %d bytes data from client[%d] and echo it back :'%s'\n",rv,client_fd,buf);
}
if(write(client_fd,buf,rv) < 0)
{
printf("Write %d bytes data back to client[%d] failure : %s\n",rv,client_fd,strerror(errno));
close(client_fd);
}
sleep(1);
close(client_fd);
}
close(listen_fd);
} 2、客户端
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 8889
#define MSG_STR "Hello,Unix Network Program World!"
int main(int argc,char *argv[])
{
int con_fd = -1;
int rv = -1;
struct sockaddr_in ser_addr;
char buf[1024];
con_fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(con_fd < 0)
{
printf("create socket failure : %s\n",strerror(errno));
return -1;
}
memset(&ser_addr,0,sizeof(ser_addr));
ser_addr.sin_family = AF_INET;
ser_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
inet_aton(SERVER_IP,&ser_addr.sin_addr);
if(connect(con_fd,(struct sockaddr*)&ser_addr,sizeof(ser_addr)) < 0)
{
printf("connect to server [%s:%d] failure ：%s\n",SERVER_IP,SERVER_PORT,strerror(errno));
return -2;
}
if(write(con_fd,MSG_STR,strlen(MSG_STR)) < 0)
{
printf("Write data to server failure : %s\n",strerror(errno));
goto cleanup;
}
memset(buf,0,sizeof(buf));
if((rv = read(con_fd,buf,sizeof(buf))) < 0)
{
printf("Read data from server failure :%s\n",strerror(errno));
goto cleanup;
}
else if(rv == 0)
{
printf("client connect to server failure get disconnected\n");
goto cleanup;
}
printf("Read %d bytes data from server:'%s'\n",rv,buf);
cleanup:
close(con_fd);
} 3、运行结果
四、socket编程函数详解
1、socket（）函数
int socket(int domain, int type, int protocol);
socket（） 函数是在Socket编程中用于创建套接字的函数，他会创建一个socket描述符，它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作有用到它，接下来叫我们来看看socket（）函数的三个参数吧！
domain：即协议域，又称为协议族（family），常见的协议族有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL，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）与端口号（16位）的组合。
type：指定socket类型。常用的有 SOCK_STREAM（流套接字，使用 TCP 协议）和 SOCK_DGRAM（数据报套接字，使用 UDP 协议）。
protocol：指定协议，通常可设为0.当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。
2、bind（）函数
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
bind()函数用于将一个套接字（socket）与一个特定的本地地址（通常是IP地址和端口号）关联起来。这个函数通常在服务器端创建套接字后，用于绑定套接字到一个具体的网络地址，以便监听来自该地址的连接请求。
接下来叫我们看看bind（）函数的三个参数吧：
sockfd：即通过socket()函数创建的套接字的文件描述符。
addlen：对应的是地址的长度。
addr：一个struct sockaddr结构体的指针，包含要绑定的地址信息。这个地址结构根据地址创建socket时的协议族的不同而不同，但最终都会强制转换后赋值给sockaddr这种类型的指针给内核。
ipv4对应的sockaddr_in类型定义（在头文件netinet/in.h中）：
struct sockaddr_in {
unsigned short sin_family; // 地址族，通常设置为 AF_INET
uint16_t sin_port; // 端口号，网络字节序（Network Byte Order）
struct in_addr sin_addr; // IPv4地址结构，包含一个32位的IPv4地址
unsigned char sin_zero[8]; // 用于填充，保证结构体大小与 struct sockaddr 相同
};
其中，struct in_addr是一个包含32位IPv4地址的结构体，定义如下：
struct in_addr {
in_addr_t s_addr; // 存储32位IPv4地址
};
3、网络字节序和主机字节序
网络字节序（Network Byte Order）和主机字节序（Host Byte Order）是两种不同的字节序（Byte Order）表示方式，它们在计算机网络通信中起到了重要的作用。
1. 网络字节序（Network Byte Order）：
- 网络字节序是一种标准的字节序，用于在网络上传输数据。在网络字节序中，数据的高字节（Most Significant Byte，MSB）存储在内存的低地址处，而低字节（Least Significant Byte，LSB）存储在内存的高地址处。网络字节序是大端字节序（Big-Endian）的一种表示方式。
- 在网络通信中，为了保证不同计算机之间的数据交换的正确性，通常都使用网络字节序进行数据的表示和传输。
2. 主机字节序（Host Byte Order）：
- 主机字节序是指在特定计算机体系结构中使用的字节序。不同计算机体系结构采用不同的字节序，其中有些是大端字节序，有些是小端字节序（Little-Endian）。
- 大部分个人计算机（如x86架构）使用小端字节序，即低字节存储在内存的低地址处。而一些其他体系结构（如PowerPC）使用大端字节序，即高字节存储在内存的低地址处。
在网络编程中，为了确保在不同计算机体系结构之间传输数据时不发生混淆，通常需要进行字节序的转换。函数 `htonl()`、`htons()`、`ntohl()`、`ntohs()` 是常用的字节序转换函数，它们分别表示将32位和16位的整数从主机字节序转换为网络字节序，以及从网络字节序转换为主机字节序。
- `htonl()`：Host to Network Long
- `htons()`：Host to Network Short
- `ntohl()`：Network to Host Long
- `ntohs()`：Network to Host Short
这些函数帮助确保在进行网络通信时，数据的字节序是符合网络字节序标准的，从而保证数据的正确传输。
4、listen（）函数
listen() 函数用于使套接字处于监听状态，等待客户端的连接请求。具体来说，listen() 函数的作用是告诉操作系统，套接字已经准备好接受来自客户端的连接请求，并设置套接字的状态为监听状态。
int listen(int sockfd, int backlog);
sockfd：即通过socket()函数创建的套接字的文件描述符。
backlog：相应的socket可以在内核里排队的最大连接个数。
5、accept（）函数
accept() 函数用于接受客户端的连接请求，创建一个新的套接字来处理与客户端的通信。具体来说，accept() 函数会等待客户端发起连接请求，一旦有连接请求到达，它会创建一个新的套接字用于与该客户端进行通信，而原始的套接字仍然处于监听状态，可以继续接受其他连接请求。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
sockfd:监听套接字的文件描述符，即通过 socket() 和 bind() 函数创建并绑定的套接字.
*addr :用于返回客户端的协议地址，这个地址里包含有客户端的IP和端口信息等。
addlen：返回客户端协议地址的长度。
accept() 函数的调用会阻塞程序的执行，直到有客户端连接请求到达。一旦有连接请求到达，accept() 的返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字（fd），代表与返回客户的TCP连接。如果想发送数据给该客户端，则我们可以调用write（）等函数往该fd里写内容即可；而如果想从该客户端读内容则调用read（）函数从该fd里读数据即可。一个服务器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。内核为每个由服务区进程接受的客户连接创建了一个新的socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，就应该把客户端相应的socket描述字关闭。
accept（）系统调用将会把客户端的信息保存在cli_addr这个结构体变量中，我们知道cli_addr是struct sockaddr_in这种IPV4地址类型，客户端的IP地址和端口号都保存在该结构体中。当然在该结构体中IP地址是以32位整形值的形式存放，端口号也是以网络字节序的形式存放的。这时我们可以使用inet_ntoa()函数将32位整形的IP地址转换成点分十进制字符串格式的IP地址“127.0.0.1”，我们也可以调用ntohs（）函数将网络字节序的端口号转换成主机字节序的端口号。
6、connect（）函数
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
connect（）函数用于与服务器建立连接。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并使accept（）返回，accept（）返回的新的文件描述符就是对应到客户的TCP连接，通过两个文件描述符(客户端connect的fd和服务端accept返回的fd）就可以实现客户端和服务端的相互通信。
IP地址“127.0.0.1”这是点分十进制形式的字符串形式，而在结构体struct sockaddr_in中IP地址是以32位数据保存的，这时我们可以调用inet_aton（）函数将点分十进制字符串转换成32位整形类型。同样，端口号也要使用htons（）函数从主机字节序转换成网络字节序。
7、close（）、shutdown（）函数
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。close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为已关闭，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。
int close(int fd);
如果对socket fd调用close（）则会触发该TCP连接断开的四次握手，有些时候我们需要数据发送出去之后并到达对方之后才能关闭socket套接字，则可以调用shutdown（）函数来半关闭套接字：
int shutdown(int sockfd, int how);
如果how的值为SHUT_RD，则该套接字不可再读入数据了；如果how的值为SHUT_WR，则该套接字不可在发送数据了；如果how的值为SHUT_RDWR，则该套接字既不可读也不可写数据了。