前言

　　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。

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：

1）消息傳遞（管道、FIFO、消息隊列）

2）同步（互斥量、條件變量、讀寫鎖、文件和寫記錄鎖、信號量）

3）共享內存（匿名的和具名的）

4）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read /write –> 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—read/write—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：

1）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。

2）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？）。

3）protocol：顧名思義，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。

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：

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

2）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，例如，

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    108struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};

3）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，由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。（所見即所得）

?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。

　　因此，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。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。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之后就向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()函數去接收請求，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收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。可以調用網絡I/O進行讀寫操作了，即實現了網絡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()

　　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兩種可能。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。

?　　close一個TCP socket的缺省行為是把該socket標記為已關閉，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：

1）客戶端向服務器發送一個SYN J

2）服務器向客戶端響應一個SYN K，并對SYN J進行確認ACK J+1

3）客戶端再向服務器發一個確認ACK K+1

這樣就完成了三次握手，但是這個三次握手發生在socket的哪幾個函數中呢？請看下圖：

　　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的四次揮手釋放連接詳解

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

圖示過程如下：

1）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；

2）另一端接收到FIN M之后，執行被動關閉，對這個FIN進行確認，返回一個ACK M+1。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；

3）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；

4）接收到這個FIN的源發送端TCP對它進行確認，返回一個ACK N+1。

這樣每個方向上都有一個FIN和ACK。

6 一個例子

　　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：

//server
#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 4096int 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)\n",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：

//client
#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 4096int 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，這只是簡單的演示socket的基本函數使用。其實不管多復雜的網絡程序，都使用的這些基本函數。上面的服務器使用的是迭代模式，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。