socket网络编程

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socket网络编程

端口：主机上一个应用程序的代号（端口不变）

为什么不用PID来表示一个应用

因为PID会变化，而端口是不变的

套接字进程间通信——跨越主机

1、主机字节序列和网络字节序列

主机字节序列分为大端字节序和小端字节序，不同的主机采用的字节序列可能不同。大
端字节序是指一个整数的高位字节存储在内存的低地址处，低位字节存储在内存的高地址
处。小端字节序则是指整数的高位字节存储在内存的高地址处，而低位字节则存储在内存的
低地址处。在两台使用不同字节序的主机之间传递数据时，可能会出现冲突。所以，在将数
据发送到网络时规定整形数据使用大端字节序，所以也把大端字节序成为网络字节序列。对
方接收到数据后，可以根据自己的字节序进行转换
Linux 系统提供如下 4 个函数来完成主机字节序和网络字节序之间的转换：
# include <netinet/in.h>
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);//长整型的主机字节转网络字节序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);//长整型的网络字节序转主机字节序
uint32_t htons(uint16_t hostshort);//短整型的主机字节转网络字节序列
uint32_t ntonhs(uint16_t hostshort);//短整型的网络字节序列转主机字节序列
2.套接字地址结构

2.1通用socket地址结构

socket网络编程接口中表示socket地址是结构体sockaddr,其定义如下：
# include <bits/socket.h>
struct sockaddr//通用套接字地址结构
{sa_family_t sa_family;char sa_data[14];
}
sa_family成员是地址族类型（sa_family_t）的变量。地址族类型通常与协议族类型对应。常见的协议族和对应的地址族如下图所示：

2.2 专用socket地址结构

TCP/IP协议族有sockaddr_in和sockaddr_in6两个专用socket地址结构体，它们分别用于IPV4和IPV6：
/*sin_family:地址族 AF_INETsin_port:端口号，需要用网络字节序表示sin_addr:IPV4地址结构：s_addr以网络字节序表示IPV4地址
*/
struct in_addr
{u_int32_t s_addr;
};
struct sockaddr_in
{sa_family sin_family;u_int16_t sin_port;struct in_addr sin_addr;
};
struct in6_addr
{unsigned char sa_addr[16];
};
struct sockaddr_in6
{sa_family_t sin6_family;//地址族：AF_INETu_inet16_t sin6_port;//端口号：用网络字节序表示u_int32_t  sin6_flowinfo;//流信息，应设置为0struct in6_addr sin6_addr;//IPV6地址结构体u_int32_t sin6_scope_id;//scope ID,尚处于实验阶段
};
2.3 IP地址转换函数

通常，人们习惯用点分十进制字符串表示IPV4地址，但编程中我们需要把它们转换成整数方能使用，下面函数可用于点分十进制字符串表示的IPV4地址和网络字节序整数表示的IPV4地址之间的转换：
# include <arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char*cp);//字符串表示的IPV地址转化为网络字节序
char*inet_ntoa(struct in_addr in);//IPV4地址的网络字节序转化为字符串表示
3.网络编程接口
# include <sys.types.h>
# include <sys/socket.h>
int socket(int domain,int type,int protocol);
/*
socket()创建套接字，成功返回套接字的文件描述符，失败返回-1
第一个参数：domain(地址族):AF_UNIX、AF_INET、AF_INET6
第二个参数：type(服务类型)：设置套接字的服务类型SOCK_STREAM（TCP协议） SOCK_DGRAM（UDP协议）
第三个参数：protocol(协议版本):一般设置为0，表示使用默认协议
*/
int bind(int sockfd,const struct sockaddr*addr,socklen_t addrlen);
/*
bind():将sockfd与一个socket地址绑定，成功返回0，失败返回-1
sockfd是网络套接字描述符
addr是地址结构
addrlen是socket地址长度
*/
int listen(int sockfd,int backlog);
/*
listen()创建一个监听队列以存储待处理的客户连接，成功返回0，失败返回-1
sockfd是被监听的socket套接字
backlog表示处于完全连接状态的socket的上限
*/
int accept(int sockfd,struct sockaddr*addr,socklen_t*addrlen);
/*
accept()从listen监听队列中接收一个连接，成功返回一个新的连接socket，该socket唯一地标识了被接收的这个连接，失败返回-1
sockfd是执行过listen系统调用的监听socket
addr参数用来获取被接受连接的远端socket地址
addrlen指定该socket地址的长度
*/
ssize_t recv(int sockfd,void*buff,size_t len,int flags);
ssize_t send(int sockfd,const void*buff,size_t len,int flags);
/*
TCP数据读写：
recv()读取sockfd上的数据，buff和len参数分别指定读缓冲区的位置和大小
send()往socket上写入数据，buff和len参数分别指定写缓冲区的位置和数据长度
flgs参数为数据收发提供了额外的控制
*/
int connect(int sockfd,const struct sockaddr*serv_addr,socklen_t addrlen);
/*
connect()客户端需要通过此系统调用来主动与服务器建立连接，成功返回0，失败返回-1
第一个参数：sockfd时由socket()返回的一个套接字标识符
第二个参数：serv_addr是服务器监听的socket地址
第三个参数：addrlen则指定这个地址的长度
*/
ssize_t recvfrom(int sockfd,void*buff,size_t len,int flags,struct sockaddr*src_addr,socklen_t*addrlen);
ssize_t sendto(int sockfd,void*buff,size_t len,int flags,struct sockaddr*dest_addr,socklen_t addrlen);
/*
UDP数据读取：
recvfrom()读取sockfd上的数据，buff和len参数分别指读缓冲区的位置和大小，src_addr记录发生端的socket地址，addrlen指定该地址的长度
sendto()往socket上写入数据，buff和冷参数分别指读取缓冲区的位置和数据长度，dest_addr指定接收数据端的地址，addrlen指定该地址的长度
*/
4.TCP编程流程

TCP提供的是面向连接的、可靠的、字节流服务。TCP的服务器端和客户端编程流程如下：

        socket()方法是用来创建一个套接字，有了套接字就可以通过网络进行数据的收发。这也是为什么进行网络通信的程序首先要创建一个套接字。创建套接字时要指定使用的服务类型，使用TCP协议选择流式服务（SOCK_STREAM）。

        bind()方法是用来指定套接字使用的IP地址和端口。IP地址就是自己主机的地址，如果主机没有接入网络，测试程序时可以使用回环地址"127.0.0.1"。端口是一个16位的整形值，一般0-1024为知名端口，入HTTP使用的是80号端口。这类端口一般用户不能随便使用。其次，1024-4096为保留端口，，用户一般也不用。4096以上为临时端口，用户可以使用。在Linux上，1024以内的端口只有root用户可以使用。

        listen()方法是用来创建监听队列。监听队列有两种，一个是存放未完成三次握手的连接，一种是存放已完成三次握手的连接。listen()第二个参数就是指定已完成三次握手队列的长度。

accept()处理存放在listen创建的已完成三次握手的队列中的连接。每处理一个连接，则accept()返回该连接对应的套接字描述符。如果该队列为空，则accept()阻塞。

connect()方法一般由客户端程序执行，需要指定连接的服务器端的IP地址和端口。该方法执行后，会进行三次握手，建立连接。

send()方法用来向TCP连接的对端发送数据。send()执行成功，只能说明将数据成功写入到发送端的发送缓冲区中，并不能说明数据已经发送到了对端。send()的返回值为实际写入到发送端缓冲区中的数据长度。

recv()方法用来接收TCP连接的对端发送来的数据。recv()从本端的缓冲区中读取数据，如果接收缓冲区中没有数据，则recv()方法会阻塞。返回值是实际读到的字节数，如果recv()返回值为0，说明对方已经关闭了TCP连接。

close()方法用来关闭TCP连接。此时，会进行四次挥手。

TCP服务端代码ser.c如下：
# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
# include <unistd.h>
# include <string.h>
# include <assert.h>
# include <sys/socket.h>
# include <arpa/inet.h>
# include <netinet/in.h>
int main ()
{int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//第一步创建套接字assert(sockfd!=-1);struct sockaddr_in saddr;//IPV4地址结构，saddr以网络字节序列表示地址结构memset(&saddr,0,sizeof (saddr));//清空saddr，防止占用空间saddr.sin_family=AF_INET;saddr.sin_port=htons(6000);//htons将主机字节序转换为网络字节序saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");//回环地址int res=bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));//讲套接字标识符与套接字socket地址绑定，成功返回0，失败返回-1.assert(res!=-1);res=listen(sockfd,5);//创建一个监听队列，处理待处理的连接assert(res!=-1);while(1){struct sockaddr_in caddr;//远端连接服务器的地址结构socklen_t len=sizeof (caddr);int c=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);//从listen监听队列中接收一个连接，成功返回一个新的连接socket，该socket唯一地标识了被接收的这个连接，失败返回-1if (c==-1){continue;}printf("accept c=%d\\n",c);char data[128]={0};int n=recv(c,data,127,0);printf ("n=%d,buff=%s\\n",n,data);send(c,"ok",2,0);close(c);//关闭连接，开始四次挥手
}
close(sockfd);
exit(0);
}
TCP客服端代码cli.c如下：
# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
# include <unistd.h>
# include <string.h>
# include <assert.h>
# include <sys/socket.h>
# include <arpa/inet.h>
# include <netinet/in.h>
int main ()
{int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);assert(sockfd!=-1);struct sockaddr_in saddr;memset(&saddr,0,sizeof(saddr));saddr.sin_family=AF_INET;saddr.sin_port=htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");int res=connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof (saddr));//客服端需要通过此系统调用来主动与服务器端建立连接，成功返回0，失败返回-1。assert(res!=-1);printf ("please input:");char buff[128]={0};fgets(buff,128,stdin);send(sockfd,buff,strlen(buff)-1,0);//往socked上写入数据int n=recv(sockfd,data,127,0);//读取sockfd上的数据printf ("%s\\n",data);close(sockfd);exit(0);
}
结果：

5.多进程、多线程处理并发

如图所示，当一个客户端与服务器建立连接以后·，服务器端accept()返回，进而准备循环接收客服端发过来数据。如果客服端暂时没发数据，服务端会在recv()阻塞。此时其他客户端向服务器发起连接后，由于服务器阻塞了，无法执行accept()接受连接，也就是其他客户端发生的数据，服务器无法读取，服务器也就无法并发同时处理多个客户端。

这个问题可以通过引入多线程或多进程来解决。服务器端接受一个客服端的连接后，创建一个线程或者进程，然后在新创建的线程中循环处理数据。主线程(父进程)只负责监听客服端的连接，并使用accept()接受连接，不进行数据的处理。如下图所示:

多线程处理并发的服务器端代码ser.c如下：
# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
# include <unistd.h>
# include <string.h>
# include <assert.h>
# include <sys/socket.h>
# include <netinet/in.h>
# include <arpa/inet.h>
# include <pthread.h>
void*fun(void *arg)
{int c=(int)arg;while (1){char buff[128]={0};if (recv(c,buff,127,0)<=0){break;}printf ("recv(%d)=%s\\n",c,buff);send(c,"ok",2,0);}printf ("one client over(%d)\\n",c);close(c);
}
int main ()
{int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAT,0);assert(sockfd!=-1);struct sockaddr_in saddr,caddr;memset(&saddr,0,sizeof (saddr));saddr.sin_family=AF_INET;saddr.sin_port=htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");int res=bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));assert(res!=-1);res=listen(sockfd,5);assert(res!=-1);while (1){int len=sizeof(caddr);int c=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,sizeof (caddr));if (c<0){continue;}printf ("accept c=%d\\n",c);pthread_t id;pthread_create(&id,NULL,fun,(void*)c);}close(sockfd);exit(0);
}
6.UDP编程流程

UDP提供的是无连接、不可靠、数据服务。编程流程如下。

socket()用来创建套接字，使用udp协议时，选择数据报服务SOCK_DGRAM。sendto()用来发送数据，由于udp时无连接的，每次发送数据都需要指定对端的地址（IP和端口）。recvfrom()接收数据，每次都需要传给该方法一个地址结构来存放发送端的地址·。recvfrom()可以用来接收所有客服端发送给当前应用程序的地址，并不是一个只能接收某一个客服端的数据。

UDP服务端编程代码示例：
# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
# include <string.h>
# include <unistd.h>
# include <assert.h>
# include <sys/socket.h>
# include <netinet/in.h>
# include <arpa/inet.h>
int main ()
{int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);assert(sockfd!=-1);struct socksaddr_in saddr,caddr;memset(&saddr,0,sizeof (saddr));saddr.sin_family=AF_INET;saddr.sin_port=htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");int res=bind(sockfd,(struct saddr*)&saddr,sizeof(saddr));assert(res!=-1);while (1){int len=sizeof(caddr);char buff[128]={0};recvfrom(sockfd,buff,127,0,(struct sockaddr*)&caddr,&len);printf ("ip:%s,port:%d,buff=%s\\n",inet_ntoa(caddr.sin_addr),ntohs(caddr.sin_port),buff);sendto(sockfd,"ok",2,0,(struct sockaddr*)&caddr,sizeof (caddr));}close(sockfd);
}
UDP客户端代码：
# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
# include <string.h>
# include <unistd.h>
# include <sys/socket.h>
# include <assert.h>
# include <netinet/in.h>
# include <arpa/inet.h>
int main ()
{int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);assert(sockfd!=-1);struct sockaddr_in saddr;memset(&saddr,0,sizeof(saddr));saddr.sin_family=AF_INET;saddr.sin_port=htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");while(1){char buff[128]={0};printf ("input:\\n");fgets(buff,128,stdin);if(strcnmp(buff,"end",3)==0){break;}sendto(sockfd,buff,strlen(buff),0,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));memset(buff,0,128);int len=sizeof(saddr);recvfrom(sockfd,buff,127,0,(struct saddr*)&saddr,&len);printf ("buff=%s\\n",buff);}
close(sockfd);
}