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我們深諳信息交流的價值，那網絡中進程之間如何通信，如我們每天打開瀏覽器瀏覽網頁時，瀏覽器的進程怎么與web服務器通信的？當你用qq聊天時，qq進程怎么與服務器或你好友所在的qq進程通信？這些都得靠socket？那什么是socket？socket的類型有哪些？還有socket的基本函數，這些都是本文想介紹的。本文的主要內容如下：

1、網絡中進程之間如何通信？

本地的進程間通信（ipc）有很多種方式，但可以總結為下面4類：

消息傳遞（管道、fifo、消息隊列）
同步（互斥量、條件變量、讀寫鎖、文件和寫記錄鎖、信號量）
共享內存（匿名的和具名的）
遠程過程調用（solaris門和sun rpc）

但這些都不是本文的主題！我們要討論的是網絡中進程之間如何通信？首要解決的問題是如何唯一標識一個進程，否則通信無從談起！在本地可以通過進程pid來唯一標識一個進程，但是在網絡中這是行不通的。其實tcp/ip協議族已經幫我們解決了這個問題，網絡層的“ip地址”可以唯一標識網絡中的主機，而傳輸層的“協議+端口”可以唯一標識主機中的應用程序（進程）。這樣利用三元組（ip地址，協議，端口）就可以標識網絡的進程了，網絡中的進程通信就可以利用這個標志與其它進程進行交互。

使用tcp/ip協議的應用程序通常采用應用編程接口：unix bsd的套接字（socket）和unix system v的tli（已經被淘汰），來實現網絡進程之間的通信。就目前而言，幾乎所有的應用程序都是采用socket，而現在又是網絡時代，網絡中進程通信是無處不在，這就是我為什么說“一切皆socket”。

2、什么是socket？

上面我們已經知道網絡中的進程是通過socket來通信的，那什么是socket呢？socket起源于unix，而unix/linux基本哲學之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。我的理解就是socket就是該模式的一個實現，socket即是一種特殊的文件，一些socket函數就是對其進行的操作（讀/寫io、打開、關閉），這些函數我們在后面進行介紹。

socket一詞的起源

在組網領域的首次使用是在1970年2月12日發布的文獻ietf rfc33中發現的，撰寫者為stephen carr、steve crocker和vint cerf。根據美國計算機歷史博物館的記載，croker寫道：“命名空間的元素都可稱為套接字接口。一個套接字接口構成一個連接的一端，而一個連接可完全由一對套接字接口規定。”計算機歷史博物館補充道：“這比bsd的套接字接口定義早了大約12年。”

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實現，那么socket就提供了這些操作對應的函數接口。下面以tcp為例，介紹幾個基本的socket接口函數。

3.1、socket()函數

				?

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

socket函數對應于普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個文件描述字，而socket()用于創建一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字一樣，后續的操作都有用到它，把它作為參數，通過它來進行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同參數值，以打開不同的文件。創建socket的時候，也可以指定不同的參數創建不同的socket描述符，socket函數的三個參數分別為：

domain：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，af_inet、af_inet6、af_local（或稱af_unix，unix域socket）、af_route等等。協議族決定了socket的地址類型，在通信中必須采用對應的地址，如af_inet決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（16位的）的組合、af_unix決定了要用一個絕對路徑名作為地址。
type：指定socket類型。常用的socket類型有，sock_stream、sock_dgram、sock_raw、sock_packet、sock_seqpacket等等（socket的類型有哪些？）。
protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，ipproto_tcp、ipptoto_udp、ipproto_sctp、ipproto_tipc等，它們分別對應tcp傳輸協議、udp傳輸協議、stcp傳輸協議、tipc傳輸協議（這個協議我將會單獨開篇討論！）。

注意：并不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如sock_stream不可以跟ipproto_udp組合。當protocol為0時，會自動選擇type類型對應的默認協議。

當我們調用socket創建一個socket時，返回的socket描述字它存在于協議族（address family，af_xxx）空間中，但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址，就必須調用bind()函數，否則就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個端口。

3.2、bind()函數

正如上面所說bind()函數把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應af_inet、af_inet6就是把一個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。

				?

									int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

函數的三個參數分別為：

•sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數創建了，唯一標識一個socket。bind()函數就是將給這個描述字綁定一個名字。

•addr：一個const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址創建socket時的地址協議族的不同而不同，如ipv4對應的是：

				?

									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 */

									};

									ipv6對應的是： 

									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 */

									};

unix域對應的是：

				?

									#define unix_path_max  108

									struct sockaddr_un { 

									  sa_family_t sun_family;        /* af_unix */

									  char    sun_path[unix_path_max]; /* pathname */

									};

•addrlen：對應的是地址的長度。

通常服務器在啟動的時候都會綁定一個眾所周知的地址（如ip地址+端口號），用于提供服務，客戶就可以通過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是為什么通常服務器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

網絡字節序與主機字節序

主機字節序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的cpu有不同的字節序類型，這些字節序是指整數在內存中保存的順序，這個叫做主機序。引用標準的big-endian和little-endian的定義如下：

　　a) little-endian就是低位字節排放在內存的低地址端，高位字節排放在內存的高地址端。

　　b) big-endian就是高位字節排放在內存的低地址端，低位字節排放在內存的高地址端。

網絡字節序：4個字節的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節序。由于tcp/ip首部中所有的二進制整數在網絡中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網絡字節序。字節序，顧名思義字節的順序，就是大于一個字節類型的數據在內存中的存放順序，一個字節的數據沒有順序的問題了。

所以：在將一個地址綁定到socket的時候，請先將主機字節序轉換成為網絡字節序，而不要假定主機字節序跟網絡字節序一樣使用的是big-endian。由于這個問題曾引發過血案！公司項目代碼中由于存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機字節序不要做任何假定，務必將其轉化為網絡字節序再賦給socket。

3.3、listen()、connect()函數

如果作為一個服務器，在調用socket()、bind()之后就會調用listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時調用connect()發出連接請求，服務器端就會接收到這個請求。

				?

									int listen(int sockfd, int backlog);

									int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函數的第一個參數即為要監聽的socket描述字，第二個參數為相應socket可以排隊的最大連接個數。socket()函數創建的socket默認是一個主動類型的，listen函數將socket變為被動類型的，等待客戶的連接請求。

connect函數的第一個參數即為客戶端的socket描述字，第二參數為服務器的socket地址，第三個參數為socket地址的長度。客戶端通過調用connect函數來建立與tcp服務器的連接。

3.4、accept()函數

tcp服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之后，就會監聽指定的socket地址了。tcp客戶端依次調用socket()、connect()之后就想tcp服務器發送了一個連接請求。tcp服務器監聽到這個請求之后，就會調用accept()函數取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網絡i/o操作了，即類同于普通文件的讀寫i/o操作。

				?

									int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept函數的第一個參數為服務器的socket描述字，第二個參數為指向struct sockaddr *的指針，用于返回客戶端的協議地址，第三個參數為協議地址的長度。如果accpet成功，那么其返回值是由內核自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的tcp連接。

注意：accept的第一個參數為服務器的socket描述字，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱為監聽socket描述字；而accept函數返回的是已連接的socket描述字。一個服務器通常通常僅僅只創建一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命周期內一直存在。內核為每個由服務器進程接受的客戶連接創建了一個已連接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已連接socket描述字就被關閉。

3.5、read()、write()等函數

萬事具備只欠東風，至此服務器與客戶已經建立好連接了。可以調用網絡i/o進行讀寫操作了，即實現了網咯中不同進程之間的通信！網絡i/o操作有下面幾組：

read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()

我推薦使用recvmsg()/sendmsg()函數，這兩個函數是最通用的i/o函數，實際上可以把上面的其它函數都替換成這兩個函數。它們的聲明如下：

				?

									#include <unistd.h>

									 ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

									 ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

									 #include <sys/types.h>

									 #include <sys/socket.h>

									 ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

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

									 ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,

									        const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

									 ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,

									         struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

									 ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

									 ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函數是負責從fd中讀取內容.當讀成功時，read返回實際所讀的字節數，如果返回的值是0表示已經讀到文件的結束了，小于0表示出現了錯誤。如果錯誤為eintr說明讀是由中斷引起的，如果是econnrest表示網絡連接出了問題。

write函數將buf中的nbytes字節內容寫入文件描述符fd.成功時返回寫的字節數。失敗時返回-1，并設置errno變量。在網絡程序中，當我們向套接字文件描述符寫時有倆種可能。1)write的返回值大于0，表示寫了部分或者是全部的數據。2)返回的值小于0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤類型來處理。如果錯誤為eintr表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為epipe表示網絡連接出現了問題(對方已經關閉了連接)。

其它的我就不一一介紹這幾對i/o函數了，具體參見man文檔或者baidu、google，下面的例子中將使用到send/recv。

3.6、close()函數

在服務器與客戶端建立連接之后，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。

				?

									#include <unistd.h>

									int close(int fd);

close一個tcp socket的缺省行為時把該socket標記為以關閉，然后立即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個參數。

注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數為0的時候，才會觸發tcp客戶端向服務器發送終止連接請求。

4、socket中tcp的三次握手建立連接詳解

我們知道tcp建立連接要進行“三次握手”，即交換三個分組。大致流程如下：

客戶端向服務器發送一個syn j
服務器向客戶端響應一個syn k，并對syn j進行確認ack j+1
客戶端再想服務器發一個確認ack k+1

只有就完了三次握手，但是這個三次握手發生在socket的那幾個函數中呢？請看下圖：

詳解Linux Socket編程（不限Linux）

圖1、socket中發送的tcp三次握手

從圖中可以看出，當客戶端調用connect時，觸發了連接請求，向服務器發送了syn j包，這時connect進入阻塞狀態；服務器監聽到連接請求，即收到syn j包，調用accept函數接收請求向客戶端發送syn k ，ack j+1，這時accept進入阻塞狀態；客戶端收到服務器的syn k ，ack j+1之后，這時connect返回，并對syn k進行確認；服務器收到ack k+1時，accept返回，至此三次握手完畢，連接建立。

總結：客戶端的connect在三次握手的第二個次返回，而服務器端的accept在三次握手的第三次返回。

5、socket中tcp的四次握手釋放連接詳解

上面介紹了socket中tcp的三次握手建立過程，及其涉及的socket函數。現在我們介紹socket中的四次握手釋放連接的過程，請看下圖：

詳解Linux Socket編程（不限Linux）

圖2、socket中發送的tcp四次握手

圖示過程如下：

某個應用進程首先調用close主動關閉連接，這時tcp發送一個fin m；
另一端接收到fin m之后，執行被動關閉，對這個fin進行確認。它的接收也作為文件結束符傳遞給應用進程，因為fin的接收意味著應用進程在相應的連接上再也接收不到額外數據；
一段時間之后，接收到文件結束符的應用進程調用close關閉它的socket。這導致它的tcp也發送一個fin n；
接收到這個fin的源發送端tcp對它進行確認。

這樣每個方向上都有一個fin和ack。

6、一個例子（實踐一下）

說了這么多了，動手實踐一下。下面編寫一個簡單的服務器、客戶端（使用tcp）——服務器端一直監聽本機的6666號端口，如果收到連接請求，將接收請求并接收客戶端發來的消息；客戶端與服務器端建立連接并發送一條消息。

服務器端代碼：

				?

									#include<stdio.h>

									#include<stdlib.h>

									#include<string.h>

									#include<errno.h>

									#include<sys/types.h>

									#include<sys/socket.h>

									#include<netinet/in.h>

									#define maxline 4096

									int main(int argc, char** argv)

									{

									  int  listenfd, connfd;

									  struct sockaddr_in   servaddr;

									  char  buff[4096];

									  int   n;

									  if( (listenfd = socket(af_inet, sock_stream, 0)) == -1 ){

									  printf("create socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);

									  exit(0);

									  }

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

									  servaddr.sin_family = af_inet;

									  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(inaddr_any);

									  servaddr.sin_port = htons(6666);

									  if( bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1){

									  printf("bind socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);

									  exit(0);

									  }

									  if( listen(listenfd, 10) == -1){

									  printf("listen socket error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);

									  exit(0);

									  }

									  printf("======waiting for client's request======\n");

									  while(1){

									  if( (connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)null, null)) == -1){

									    printf("accept socket error: %s(errno: %d)",strerror(errno),errno);

									    continue;

									  }

									  n = recv(connfd, buff, maxline, 0);

									  buff[n] = '\0';

									  printf("recv msg from client: %s\n", buff);

									  close(connfd);

									  }

									  close(listenfd);

									}

客戶端代碼：

				?

									#include<stdio.h>

									#include<stdlib.h>

									#include<string.h>

									#include<errno.h>

									#include<sys/types.h>

									#include<sys/socket.h>

									#include<netinet/in.h>

									#define maxline 4096

									int main(int argc, char** argv)

									{

									  int  sockfd, n;

									  char  recvline[4096], sendline[4096];

									  struct sockaddr_in  servaddr;

									  if( argc != 2){

									  printf("usage: ./client <ipaddress>\n");

									  exit(0);

									  }

									  if( (sockfd = socket(af_inet, sock_stream, 0)) < 0){

									  printf("create socket error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno),errno);

									  exit(0);

									  }

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

									  servaddr.sin_family = af_inet;

									  servaddr.sin_port = htons(6666);

									  if( inet_pton(af_inet, argv[1], &servaddr.sin_addr) <= 0){

									  printf("inet_pton error for %s\n",argv[1]);

									  exit(0);

									  }

									  if( connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0){

									  printf("connect error: %s(errno: %d)\n",strerror(errno),errno);

									  exit(0);

									  }

									  printf("send msg to server: \n");

									  fgets(sendline, 4096, stdin);

									  if( send(sockfd, sendline, strlen(sendline), 0) < 0)

									  {

									  printf("send msg error: %s(errno: %d)\n", strerror(errno), errno);

									  exit(0);

									  }

									  close(sockfd);

									  exit(0);

									}

當然上面的代碼很簡單，也有很多缺點，這就只是簡單的演示socket的基本函數使用。其實不管有多復雜的網絡程序，都使用的這些基本函數。上面的服務器使用的是迭代模式的，即只有處理完一個客戶端請求才會去處理下一個客戶端的請求，這樣的服務器處理能力是很弱的，現實中的服務器都需要有并發處理能力！為了需要并發處理，服務器需要fork()一個新的進程或者線程去處理請求等。

7、動動手

留下一個問題，歡迎大家回帖回答！！！是否熟悉linux下網絡編程？如熟悉，編寫如下程序完成如下功能：

服務器端：

接收地址192.168.100.2的客戶端信息，如信息為“client query”，則打印“receive query”

客戶端：

向地址192.168.100.168的服務器端順序發送信息“client query test”，“cleint query”，“client query quit”，然后退出。

題目中出現的ip地址可以根據實際情況定。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持服務器之家。

原文鏈接：http://www.cnblogs.com/skynet/archive/2010/12/12/1903949.html