在 tcp/ip 協(xié)議中，"ip地址 + tcp或udp端口號" 可以唯一標識網(wǎng)絡通訊中的一個進程，"ip地址+端口號" 就稱為 socket。本文以一個簡單的 tcp 協(xié)議為例，介紹如何創(chuàng)建基于 tcp 協(xié)議的網(wǎng)絡程序。
tcp 協(xié)議通訊流程
下圖描述了 tcp 協(xié)議的通訊流程(此圖來自互聯(lián)網(wǎng))：
下圖則描述 tcp 建立連接的過程(此圖來自互聯(lián)網(wǎng))：
服務器調用 socket()、bind()、listen() 函數(shù)完成初始化后，調用 accept() 阻塞等待，處于監(jiān)聽端口的狀態(tài)，客戶端調用 socket() 初始化后，調用 connect() 發(fā)出 syn 段并阻塞等待服務器應答，服務器應答一個syn-ack 段，客戶端收到后從 connect() 返回，同時應答一個 ack 段，服務器收到后從 accept() 返回。
tcp 連接建立后數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程：
建立連接后，tcp 協(xié)議提供全雙工的通信服務，但是一般的客戶端/服務器程序的流程是由客戶端主動發(fā)起請求，服務器被動處理請求，一問一答的方式。因此，服務器從 accept() 返回后立刻調用 read()，讀 socket 就像讀管道一樣，如果沒有數(shù)據(jù)到達就阻塞等待，這時客戶端調用 write() 發(fā)送請求給服務器，服務器收到后從 read() 返回，對客戶端的請求進行處理，在此期間客戶端調用 read() 阻塞等待服務器的應答，服務器調用 write() 將處理結果發(fā)回給客戶端，再次調用 read() 阻塞等待下一條請求，客戶端收到后從 read() 返回，發(fā)送下一條請求，如此循環(huán)下去。
下圖描述了關閉 tcp 連接的過程：
如果客戶端沒有更多的請求了，就調用 close() 關閉連接，就像寫端關閉的管道一樣，服務器的 read() 返回 0，這樣服務器就知道客戶端關閉了連接，也調用 close() 關閉連接。注意，任何一方調用 close() 后，連接的兩個傳輸方向都關閉，不能再發(fā)送數(shù)據(jù)了。如果一方調用 shutdown() 則連接處于半關閉狀態(tài)，仍可接收對方發(fā)來的數(shù)據(jù)。
在學習 socket 編程時要注意應用程序和 tcp 協(xié)議層是如何交互的：
- 應用程序調用某個 socket 函數(shù)時 tcp 協(xié)議層完成什么動作，比如調用 connect() 會發(fā)出 syn 段
- 應用程序如何知道 tcp 協(xié)議層的狀態(tài)變化，比如從某個阻塞的 socket 函數(shù)返回就表明 tcp 協(xié)議收到了某些段，再比如 read() 返回 0 就表明收到了 fin 段
下面通過一個簡單的 tcp 網(wǎng)絡程序來理解相關概念。程序分為服務器端和客戶端兩部分，它們之間通過 socket 進行通信。
服務器端程序
下面是一個非常簡單的服務器端程序，它從客戶端讀字符，然后將每個字符轉換為大寫并回送給客戶端：
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#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <netinet/in.h>#define maxline 80#define serv_port 8000int main(void){ struct sockaddr_in servaddr, cliaddr; socklen_t cliaddr_len; int listenfd, connfd; char buf[maxline]; char str[inet_addrstrlen]; int i, n; // socket() 打開一個網(wǎng)絡通訊端口，如果成功的話， // 就像 open() 一樣返回一個文件描述符， // 應用程序可以像讀寫文件一樣用 read/write 在網(wǎng)絡上收發(fā)數(shù)據(jù)。 listenfd = socket(af_inet, sock_stream, 0); bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = af_inet; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(inaddr_any); servaddr.sin_port = htons(serv_port); // bind() 的作用是將參數(shù) listenfd 和 servaddr 綁定在一起， // 使 listenfd 這個用于網(wǎng)絡通訊的文件描述符監(jiān)聽 servaddr 所描述的地址和端口號。 bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); // listen() 聲明 listenfd 處于監(jiān)聽狀態(tài)， // 并且最多允許有 20 個客戶端處于連接待狀態(tài)，如果接收到更多的連接請求就忽略。 listen(listenfd, 20); printf("accepting connections ...\n"); while (1) { cliaddr_len = sizeof(cliaddr); // 典型的服務器程序可以同時服務于多個客戶端， // 當有客戶端發(fā)起連接時，服務器調用的 accept() 返回并接受這個連接， // 如果有大量的客戶端發(fā)起連接而服務器來不及處理，尚未 accept 的客戶端就處于連接等待狀態(tài)。 connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len); n = read(connfd, buf, maxline); printf("received from %s at port %d\n", inet_ntop(af_inet, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(cliaddr.sin_port)); for (i = 0; i < n; i++) { buf[i] = toupper(buf[i]); } write(connfd, buf, n); close(connfd); }} |
把上面的代碼保存到文件 server.c 文件中，并執(zhí)行下面的命令編譯：
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$ gcc server.c -o server |
然后運行編譯出來的 server 程序：
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$ ./server |
此時我們可以通過 ss 命令來查看主機上的端口監(jiān)聽情況：
如上圖所示，server 程序已經(jīng)開始監(jiān)聽主機的 8000 端口了。
下面讓我們介紹一下這段程序中用到的 socket 相關的 api。
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int socket(int family, int type, int protocol); |
socket() 打開一個網(wǎng)絡通訊端口，如果成功的話，就像 open() 一樣返回一個文件描述符，應用程序可以像讀寫文件一樣用 read/write 在網(wǎng)絡上收發(fā)數(shù)據(jù)。對于ipv4，family 參數(shù)指定為 af_inet。對于 tcp 協(xié)議，type 參數(shù)指定為 sock_stream，表示面向流的傳輸協(xié)議。如果是 udp 協(xié)議，則 type 參數(shù)指定為 sock_dgram，表示面向數(shù)據(jù)報的傳輸協(xié)議。protocol 指定為 0 即可。
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int bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen); |
服務器需要調用 bind 函數(shù)綁定一個固定的網(wǎng)絡地址和端口號。bind() 的作用是將參數(shù) sockfd 和 myaddr 綁定在一起，使 sockfd 這個用于網(wǎng)絡通訊的文件描述符監(jiān)聽 myaddr 所描述的地址和端口號。struct sockaddr *是一個通用指針類型，myaddr 參數(shù)實際上可以接受多種協(xié)議的 sockaddr 結構體，而它們的長度各不相同，所以需要第三個參數(shù) addrlen 指定結構體的長度。
程序中對 myaddr 參數(shù)的初始化為：
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bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = af_inet;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(inaddr_any);servaddr.sin_port = htons(serv_port); |
首先將整個結構體清零，然后設置地址類型為 af_inet，網(wǎng)絡地址為 inaddr_any，這個宏表示本地的任意 ip 地址，因為服務器可能有多個網(wǎng)卡，每個網(wǎng)卡也可能綁定多個 ip 地址，這樣設置可以在所有的 ip 地址上監(jiān)聽，直到與某個客戶端建立了連接時才確定下來到底用哪個 ip 地址，端口號為 serv_port，我們定義為 8000。
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int listen(int sockfd, int backlog); |
listen() 聲明 sockfd 處于監(jiān)聽狀態(tài)，并且最多允許有 backlog 個客戶端處于連接待狀態(tài)，如果接收到更多的連接請求就忽略。
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int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen); |
三方握手完成后，服務器調用 accept() 接受連接，如果服務器調用 accept() 時還沒有客戶端的連接請求，就阻塞等待直到有客戶端連接上來。cliaddr 是一個傳出參數(shù)，accept() 返回時傳出客戶端的地址和端口號。addrlen 參數(shù)是一個傳入傳出參數(shù)(value-result argument)，傳入的是調用者提供的緩沖區(qū) cliaddr 的長度以避免緩沖區(qū)溢出問題，傳出的是客戶端地址結構體的實際長度(有可能沒有占滿調用者提供的緩沖區(qū))。如果給 cliaddr 參數(shù)傳 null，表示不關心客戶端的地址。
服務器程序的主要結構如下：
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while (1){ cliaddr_len = sizeof(cliaddr); connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len); n = read(connfd, buf, maxline); ...... close(connfd);} |
整個是一個 while 死循環(huán)，每次循環(huán)處理一個客戶端連接。由于 cliaddr_len 是傳入傳出參數(shù)，每次調用 accept( ) 之前應該重新賦初值。accept() 的參數(shù) listenfd 是先前的監(jiān)聽文件描述符，而 accept() 的返回值是另外一個文件描述符 connfd，之后與客戶端之間就通過這個 connfd 通訊，最后關閉 connfd 斷開連接，而不關閉 listenfd，再次回到循環(huán)開頭 listenfd 仍然用作 accept 的參數(shù)。
客戶端程序
下面是客戶端程序，它從命令行參數(shù)中獲得一個字符串發(fā)給服務器，然后接收服務器返回的字符串并打印：
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#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#define maxline 80#define serv_port 8000int main(int argc, char *argv[]){ struct sockaddr_in servaddr; char buf[maxline]; int sockfd, n; char *str; if (argc != 2) { fputs("usage: ./client message\n", stderr); exit(1); } str = argv[1]; sockfd = socket(af_inet, sock_stream, 0); bzero(&servaddr, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = af_inet; inet_pton(af_inet, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); servaddr.sin_port = htons(serv_port); // 由于客戶端不需要固定的端口號，因此不必調用 bind()，客戶端的端口號由內核自動分配。 // 注意，客戶端不是不允許調用 bind()，只是沒有必要調用 bind() 固定一個端口號， // 服務器也不是必須調用 bind()，但如果服務器不調用 bind()，內核會自動給服務器分配監(jiān)聽端口， // 每次啟動服務器時端口號都不一樣，客戶端要連接服務器就會遇到麻煩。 connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); write(sockfd, str, strlen(str)); n = read(sockfd, buf, maxline); printf("response from server:\n"); write(stdout_fileno, buf, n); printf("\n"); close(sockfd); return 0;} |
把上面的代碼保存到文件 client.c 文件中，并執(zhí)行下面的命令編譯：
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$ gcc client.c -o client |
然后運行編譯出來的 client 程序：
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$ ./client hello |
此時服務器端會收到請求并返回轉換為大寫的字符串，并輸出相應的信息：
而客戶端在發(fā)送請求后會收到轉換過的字符串：
在客戶端的代碼中有兩點需要注意：
1. 由于客戶端不需要固定的端口號，因此不必調用 bind()，客戶端的端口號由內核自動分配。
2. 客戶端需要調用 connect() 連接服務器，connect 和 bind 的參數(shù)形式一致，區(qū)別在于 bind 的參數(shù)是自己的地址，而 connect 的參數(shù)是對方的地址。
至此我們已經(jīng)使用 socket 技術完成了一個最簡單的客戶端服務器程序，雖然離實際應用還非常遙遠，但就學習而言已經(jīng)足夠了。
提升服務器端的響應能力
雖然我們的服務器程序可以響應客戶端的請求，但是這樣的效率太低了。一般情況下服務器程序需要能夠同時處理多個客戶端的請求。可以通過 fork 系統(tǒng)調用創(chuàng)建子進程來處理每個請求，下面是大體的實現(xiàn)思路：
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listenfd = socket(...);bind(listenfd, ...);listen(listenfd, ...);while (1){ connfd = accept(listenfd, ...); n = fork(); if (n == -1) { perror("call to fork"); exit(1); } else if (n == 0) { // 在子進程中處理客戶端的請求。 close(listenfd); while (1) { read(connfd, ...); ... write(connfd, ...); } close(connfd); exit(0); } else { close(connfd); } } |
此時父進程的任務就是不斷的創(chuàng)建子進程，而由子進程去響應客戶端的具體請求。通過這種方式，可以極大的提升服務器端的響應能力。
總結
本文通過一個簡單的建基于 tcp 協(xié)議的網(wǎng)絡程序介紹了 linux socket 編程中的基本概念。通過它我們可以了解到 socket 程序工作的基本原理，以及一些解決性能問題的思路。
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。
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