linux下的socket程式設計

一、為什麼要進行socket程式設計

    Linux作業系統下，網絡是一個非常重要的方面，它繼承了Unix家族的網絡優勢。在Linux下進行網絡程式設計，一般都使用socket。是以，掌握linux網絡程式設計的前提就是學好socket。

    Socket接口是TCP/IP網絡的API，Socket接口定義了許多函數或例程，程式員可以用它們來開發TCP/IP網絡上的應用程式。

　　Socket接口設計者起初把接口放在Unix作業系統中。網絡的Socket資料傳輸是一種特殊的I/O，Socket也是一種檔案描述符。Socket也具有一個類似于打開檔案的函數調用Socket()，該函數傳回一個整型的Socket描述符，随後的連接配接建立、資料傳輸等操作都是通過該Socket實作的。常用的Socket類型有兩種：流式Socket（SOCK_STREAM）和資料報式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一種面向連接配接的Socket，針對于面向連接配接的TCP服務應用；資料報式Socket是一種無連接配接的Socket，對應于無連接配接的UDP服務應用。

    因而，如果想開發區域網路的程式，使用UDP就可以了，比如區域網路網絡遊戲，但是如果程式需要通過Internet的話，為了安全起見，則使用TCP更為合适。

二、linux下的socket程式設計的思想

上圖就是Linux系統下，伺服器端和用戶端的socket流程圖。

其實很好了解，就像打電話，需要兩個人：要打電話的我和要接聽電話的我的上司。首先，手機必須開機，并且有信号，保證能夠正常接聽。這就是建立socket套接字。

其次，我開始撥号，對應着用戶端的connect()，上司手機響了，對應着listen()，不過當然是listen到我的來電，否則他就一直放着電話，等着我報告。他按下接聽鍵，就是accpet()。

接着，我開始向上司彙報工作，就是send()，他聽到了我的彙報，就是recv()，然後，他說，“劉凱老師，你的說明很有力度，就這麼辦了”，這就是他的send()，然後我聽到了上司的肯定，就是我recv()了。

最後，我們把電話一挂。大家都close()。

整個套接字的socket大緻流程就是這個樣子。

三、socket常用函數的詳細說明

計算機資料存儲有兩種位元組優先順序：高位位元組優先和低位位元組優先。Internet上資料以高位位元組優先順序在網絡上傳輸，是以對于在内部是以低位位元組優先方式存儲資料的機器，在Internet上傳輸資料時就需要進行轉換。我們要讨論的第一個結構類型是：struct sockaddr，該類型是用來儲存socket資訊的： 

struct sockaddr {

　　unsigned short sa_family; /* 位址族， AF_xxx */

　 char sa_data[14]; /* 14 位元組的協定位址 */

};

sa_family一般為AF_INET；sa_data則包含該socket的IP位址和端口号。

另外還有一種結構類型：

　　struct sockaddr_in {

　　 short int sin_family; /* 位址族 */

　　 unsigned short int sin_port; /* 端口号 */

　　 struct in_addr sin_addr; /* IP位址 */

　　 unsigned char sin_zero[8]; /* 填充0 以保持與struct sockaddr同樣大小 */

　　};

  這個結構使用更為友善。sin_zero(它用來将sockaddr_in結構填充到與struct sockaddr同樣的長度)應該用bzero()或memset()函數将其置為零。指向sockaddr_in 的指針和指向sockaddr的指針可以互相轉換，這意味着如果一個函數所需參數類型是sockaddr時，你可以在函數調用的時候将一個指向 sockaddr_in的指針轉換為指向sockaddr的指針；或者相反。sin_family通常被賦AF_INET；sin_port和 sin_addr應該轉換成為網絡位元組優先順序；而sin_addr則不需要轉換。 

我們下面讨論幾個位元組順序轉換函數：

　　htons()--"Host to Network Short" ; htonl()--"Host to Network Long"

　　ntohs()--"Network to Host Short" ; ntohl()--"Network to Host Long"

　　在這裡， h表示"host" ，n表示"network"，s 表示"short"，l表示 "long"。

打開socket 描述符、建立綁定并建立連接配接

socket函數原型為： 

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

domain參數指定socket的類型：SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM；protocol通常指派"0"。Socket()調用傳回一個整型socket描述符，你可以在後面的調用使用它。 

  一旦通過socket調用傳回一個socket描述符，你應該将該socket與你本機上的一個端口相關聯（往往當你在設計伺服器端程式時需要調用該函數。随後你就可以在該端口監聽服務請求;而用戶端一般無須調用該函數）。

Bind函數原型為：

　　int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

Sockfd是一個socket描述符，my_addr是一個指向包含有本機IP位址及端口号等資訊的sockaddr類型的指針;addrlen常被設定為sizeof(struct sockaddr)。 

最後，對于bind 函數要說明的一點是，你可以用下面的指派實作自動獲得本機IP位址和随機擷取一個沒有被占用的端口号： 

　　my_addr.sin_port = 0; /* 系統随機選擇一個未被使用的端口号 */

　　my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 填入本機IP位址 */

　　通過将my_addr.sin_port置為0，函數會自動為你選擇一個未占用的端口來使用。同樣，通過将my_addr.sin_addr.s_addr置為INADDR_ANY，系統會自動填入本機IP位址。Bind()函數在成功被調用時傳回0；遇到錯誤時傳回"-1"并将errno置為相應的錯誤号。另外要注意的是，當調用函數時，一般不要将端口号置為小于1024的值，因為1~1024是保留端口号，你可以使用大于1024中任何一個沒有被占用的端口号。

Listen()——監聽是否有服務請求

在伺服器端程式中，當socket與某一端口捆綁以後，就需要監聽該端口，以便對到達的服務請求加以處理。

　　int listen(int sockfd， int backlog);

  Sockfd是Socket系統調用傳回的socket 描述符；backlog指定在請求隊列中允許的最大請求數，進入的連接配接請求将在隊列中等待accept()它們。Backlog對隊列中等待服務的請求的數目進行了限制，大多數系統預設值為20。當listen遇到錯誤時傳回-1，errno被置為相應的錯誤碼。

accept()——連接配接端口的服務請求。

  當某個用戶端試圖與伺服器監聽的端口連接配接時，該連接配接請求将排隊等待伺服器accept()它。通過調用accept()函數為其建立一個連接配接， accept()函數将傳回一個新的socket描述符，來供這個新連接配接來使用。而伺服器可以繼續在以前的那個 socket上監聽，同時可以在新的socket描述符上進行資料send()（發送）和recv()（接收）操作： 　　

int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);

  sockfd是被監聽的socket描述符，addr通常是一個指向sockaddr_in變量的指針，該變量用來存放提出連接配接請求服務的主機的資訊（某台主機從某個端口發出該請求）；addrten通常為一個指向值為sizeof(struct sockaddr_in)的整型指針變量。錯誤發生時傳回一個-1并且設定相應的errno值。

故伺服器端程式通常按下列順序進行函數調用：

　　socket(); bind(); listen(); /* accept() goes here */

Connect()函數用來與遠端伺服器建立一個TCP連接配接。

其函數原型為： 

　　int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);

Sockfd是目的伺服器的sockt描述符；serv_addr是包含目的機IP位址和端口号的指針。遇到錯誤時傳回-1，并且errno中包含相應的錯誤碼。進行用戶端程式設計無須調用bind()，因為這種情況下隻需知道目的機器的IP位址，而客戶通過哪個端口與伺服器建立連接配接并不需要關心，核心會自動選擇一個未被占用的端口供用戶端來使用。

Send()和recv()——資料傳輸

這兩個函數是用于面向連接配接的socket上進行資料傳輸。 

Send()函數原型為：

　　int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);

Sockfd是你想用來傳輸資料的socket描述符，msg是一個指向要發送資料的指針。

Len是以位元組為機關的資料的長度。flags一般情況下置為0（關于該參數的用法可參照man手冊）。

char *msg = "Beej was here!"; int len， bytes_sent; ... ...

len = strlen(msg); bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0); ... ...

  Send()函數傳回實際上發送出的位元組數，可能會少于你希望發送的資料。是以需要對send()的傳回值進行測量。當send()傳回值與len不比對時，應該對這種情況進行處理。

recv()函數原型為：

　　int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);

Sockfd是接受資料的socket描述符；buf 是存放接收資料的緩沖區；len是緩沖的長度。Flags也被置為0。Recv()返

回實際上接收的位元組數，或當出現錯誤時，傳回-1并置相應的errno值。

Sendto()和recvfrom()——利用資料報方式進行資料傳輸

  在無連接配接的資料報socket方式下，由于本地socket并沒有與遠端機器建立連接配接，是以在發送資料時應指明目的位址，sendto()函數原型為： 

　　int sendto(int sockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to, int tolen); 

  該函數比send()函數多了兩個參數，to表示目地機的IP位址和端口号資訊，而tolen常常被指派為sizeof (struct sockaddr)。Sendto 函數也傳回實際發送的資料位元組長度或在出現發送錯誤時傳回-1。

Recvfrom()函數原型為：

　　int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);

  from是一個struct sockaddr類型的變量，該變量儲存源機的IP位址及端口号。fromlen常置為sizeof (struct sockaddr)。當recvfrom()傳回時，fromlen包含實際存入from中的資料位元組數。Recvfrom()函數傳回接收到的位元組數或

當出現錯誤時傳回-1，并置相應的errno。

應注意的一點是，當你對于資料報socket調用了connect()函數時，你也可以利用 send()和recv()進行資料傳輸，

但該socket仍然是資料報socket，并且利用傳輸層的UDP服務。但在發送或接收資料報時，核心會自動為之加上目地和源位址資訊。

Close()和shutdown()——結束資料傳輸

當所有的資料操作結束以後，你可以調用close()函數來釋放該socket，進而停止在該socket上的任何資料操作：

close(sockfd);

  你也可以調用shutdown()函數來關閉該socket。該函數允許你隻停止在某個方向上的資料傳輸，而一個方向上的資料傳輸繼續進行。如你可以關閉某socket的寫操作而允許繼續在該socket上接受資料，直至讀入所有資料。

　　int shutdown(int sockfd,int how);

Sockfd的含義是顯而易見的，而參數 how可以設為下列值：

　　·0-------不允許繼續接收資料

　　·1-------不允許繼續發送資料

　　·2-------不允許繼續發送和接收資料，均為允許則調用close ()

shutdown在操作成功時傳回0，在出現錯誤時傳回-1（并置相應errno）。

DNS——域名服務相關函數

  由于IP位址難以記憶和讀寫，是以為了讀寫記憶友善，人們常常用域名來表示主機，這就需要進行域名和IP位址的轉換。函數gethostbyname()就是完成這種轉換的，函數原型為： 

　　struct hostent *gethostbyname(const char *name);

函數傳回一種名為hosten的結構類型，它的定義如下：

　　struct hostent {

　　 char *h_name; /* 主機的官方域名 */

　　 char **h_aliases; /* 一個以NULL結尾的主機名稱數組 */

　　 int h_addrtype; /* 傳回的位址類型，在Internet環境下為AF-INET */

　　 int h_length; /*位址的位元組長度 */

　　 char **h_addr_list; /* 一個以0結尾的數組，包含該主機的所有位址*/

　#define h_addr h_addr_list[0] /*在h-addr-list中的第一個位址*/

四、例子(源于網上，已将錯誤改正)

1、server.c:

#include

#define SERVPORT 3333 /*伺服器監聽端口号 */

#define BACKLOG 10 /* 最大同時連接配接請求數 */

main()

{

　 int sockfd,client_fd,sin_size; /*sock_fd：監聽socket；client_fd：資料傳輸socket */

　 struct sockaddr_in my_addr; /* 本機位址資訊 */

　 struct sockaddr_in remote_addr; /* 用戶端位址資訊 */

　 if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {

　　 perror("socket建立出錯！"); exit(1);

　 }

　 my_addr.sin_family=AF_INET;

　 my_addr.sin_port=htons(SERVPORT);

　 my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

　 bzero(&(my_addr.sin_zero),8);

　 if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {

　 　 perror("bind出錯！");

　 　 exit(1);

　 if (listen(sockfd, BACKLOG) == -1) {

　 　 perror("listen出錯！");

　 while(1) {

　　 sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);

　　 if ((client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&remote_addr, &sin_size)) == -1) {

　 　 　 perror("accept出錯");

　 　 　 continue;

　 　}

　　 printf("received a connection from %s\n", inet_ntoa(remote_addr.sin_addr));

　 　if (!fork()) { /* 子程序代碼段 */

　　 　 if (send(client_fd, "呵呵，成功了！\n", 26, 0) == -1)

　　 　 perror("send出錯！");

　 　 　close(client_fd);

　 　 　exit(0);

　　 close(client_fd);

　　 }

接着，gcc -o server server.c生成server，在終端下運作，./server

2、guest.c

#define SERVPORT 3333

#define MAXDATASIZE 100 /*每次最大資料傳輸量 */

main(int argc, char *argv[]){

　 int sockfd, recvbytes;

　 char buf[MAXDATASIZE];

　 struct hostent *host;

　 struct sockaddr_in serv_addr;

　 if (argc fprintf(stderr,"Please enter the server's hostname!\n");

exit(1);

}

　 if((host=gethostbyname(argv[1]))==NULL) {

herror("gethostbyname出錯！");

　 if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){

perror("socket建立出錯！");

　 serv_addr.sin_family=AF_INET;

　 serv_addr.sin_port=htons(SERVPORT);

　 serv_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)host->h_addr);

　 bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);

　 if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, \

　　 sizeof(struct sockaddr)) == -1) {

perror("connect出錯！");

　 if ((recvbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) ==-1) {

perror("recv出錯！");

　 buf[recvbytes] = '\0';

　 printf("Received: %s",buf);

　 close(sockfd);

執行gcc -o guest guest.c生成guest，運作./guest，可以看到用戶端出現：呵呵，成功了！