Socket網絡通信機制

什麼是Socket:

Socket接口是基於TCP/IP網絡的API(Application Programming Interface 應用程序編程接口),Socket接口定義了許多函數或例程,

程序員能夠用他們來研發TCP/IP網絡上的應用程序。要學Internet上的TCP/IP網絡編程,必須理解Socket接口。

Socket接口設計者,最先是將接口放在Unix操作系統裏面的。假如瞭解Unix系統的輸入和輸出的話,就很容易瞭解Socket了。

網絡的Socket數據傳輸是一種特別的I/O(inputStream/outputStream),Socket也是一種文檔描述符,Socket也具備一個類似於打開文檔

的函數調用Socket(),該函數返回一個整型的Socket描述符,隨後的連接建立、數據傳輸等操作都是通過該Socket實現的

常用的Socket類型有兩種:流式Socket(SOCK_STREAM)和數據報式Socket(SOCK_DGRAM)。流式是一種面向連接的Socket,針對於面向連接的

TCP服務應用;數據報式Socket是一種無連接的Socket,對應於無連接的UDP服務應用。



Socket建立

爲了建立Socket,程序能夠調用Socket函數,該函數返回一個類似於文檔描述符的句柄。socket函數原型爲:

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

domain指明所使用的協議族,通常爲PF_INET,表示互連網協議族(TCP/IP協議族);

type參數指定socket的類型:SOCK_STREAM(流式Socket)或SOCK_DGRAM(報式Socket),Socket接口還定義了原始Socket(SOCK_RAW),允許程序使用底層協議;

protocol通常賦值“0”。Socket()調用返回一個整型socket描述符,您能夠在後面的調用使用他。

Socket描述符是個指向內部數據結構的指針,他指向描述符表入口。調用Socket函數時,socket執行體將建立一個Socket,實際上“建立一個Socket”意味着爲一個

Socket數據結構分配存儲空間。Socket執行體爲您管理描述符表。


兩個網絡程序之間的一個網絡連接包括五種信息:通信協議、本地協議地址、本地該機端口、遠端主機地址和遠端協議端口。Socket數據結構中包含這五種信息。



Socket配置

通過socket調用返回一個socket描述符後,在使用socket進行網絡傳輸以前,必須配置該socket。面向連接的socket客戶端通過調用Connect函數在socket數據結構

中保存本地和遠端信息。無連接socket的客戶端和服務端邊同面向連接socket的服務端通過調用bind函數來配置本地信息。

Bind函數將socket和本機上的一個端口相關聯,隨後您就能夠在該端口監聽服務請求。Bind函數原型爲:

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

sockfd是調用socket函數返回的socket描述符;

my_addr是個指向包含有本機IP地址及端口號等信息的sockaddr類型的指針;

addrlen常被配置爲sizeof(struct sockaddr)。

struct sockaddr結構類型是用來保存socket信息的:

struct sockaddr{

unsigned short sa_family;// 地址族,AF_xxx

char sa_data[14];// 14字節的協議地址};

sa_family一般爲AF_INET,代表Internet(TCP/IP)地址族;

sa_data則包含該socket的IP地址和端口號。

另外更有一種結構類型:

struct sockaddr_in{

short int sin_family;//地址族

unsigned short int sin_port;//端口號

struct in_addr sin_addr;/IP地址

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

這個結構更方便使用。sin_zero用來將sockaddr_in結構填充到和struct sockaddr同樣的長度,能夠用bzero()或memset()函數將其置爲零。

指向sockaddr_in的指針和指向sockaddr的指針能夠相互轉換,這意味着假如一個函數所需參數類型是sockaddr時,您能夠在函數調用的時候將一個

指向sockaddr_in的指針轉換爲指向sockaddr的指針;或相反。

使用bind函數時,能夠用下面的賦值實現自動獲得本機IP地址和隨機獲取一個沒有被佔用的端口號:

my_addr.sin_port=0;//系統隨機選擇一個未被使用的端口號

my_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY//填入本機IP地址

通過將my_addr.sin_port置爲0,函數會自動爲您選擇一個未佔用的端口來使用。同樣,通過將my_addr.sin_addr.s_addr置爲INADDR_ANY,系統會自動

填入本機IP地址。注意在使用bind函數時需要將sin_port和sin_addr轉換成爲網絡字節優先順序;而sin_addr則無需轉換。

電腦數據存儲有兩種字節優先順序:高位字節優先和低位字節優先。Internet上數據以高位字節優先順序在網絡上傳輸,所以對於在內部是以低位字節優先方式

存儲數據的機器,在Internet上傳輸數據時就需要進行轉換,否則就會出現數據不一致。

下面是幾個字節順序轉換函數:

.htonl():把32位值從主機字節序轉換成網絡字節序

.htons():把16位值從主機字節序轉換成網絡字節序

.ntohl():把32位值從網絡字節序轉換成主機字節序

.ntohs():把16位值從網絡字節序轉換成主機字節序

bind()函數在成功被調用時返回0;出現錯誤時返回“-1”並將errno置爲相應的錯誤號。需要注意的是,在調用bind函數時一般不要將端口號置爲小於1024的值,

因爲1到1024是保留端口號,您能夠選擇大於1024中的任何一個沒有被佔用的端口號。



連接建立

面向連接的客戶程序使用Connect函數來配置socket並和遠端服務器建立一個TCP連接,其函數原型爲:

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

sockfd是socket函數返回的socket描述符;

serv_addr是包含遠端主機IP地址和端口號的指針;

addrlen是遠端地址結構的長度。

Connect函數在出現錯誤時返回-1,並且配置errno爲相應的錯誤碼。進行客戶端程序設計須調用bind(),因爲這種情況下只需知道目的機器的IP地址,而客戶通過哪個

商品和服務器建立連接並無需關心,socket執行體爲您的程序自動選擇一個未被佔用的端口,並通知您的程序,數據什麼時候到打斷口。

Connect函數啓動和遠端主機的直接連接。只有面向連接的客戶程序使用socket時才需要將此socket和遠端主機相連。無連接協議從不建立直接連接。面向連接的服務 

器也從不啓動一個連接,他只是被動的在協議端口監聽客戶的請求。

Listen函數使socket處於被動監聽模式,併爲該socket建立一個輸入數據隊列,將到達的服務請求保存在此隊列中,直到程序處理他們。

int listen(int sockfd,int backlog);

sockfd是socket系統調用返回的socket描述符;

backlog指定在請求隊列中允許的最大請求數,進入的連接請求將在隊列中等待accept()他們。 Backlog對隊列中等待服務請求的數目進行了限制,大多數系統缺省值爲20。

假如一個服務請求到來時,輸入隊列已滿,該socket將拒絕連接請求,客戶將收到一個出錯信息。

當出現錯誤時listen函數返回-1,並置相應的errno錯誤碼。

accept()函數讓服務器接收客戶的連接請求。在建立好輸入隊列後,服務器就調用accept函數,然後睡眠並等待客戶的連接請求。

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

sockfd是被監聽的socked描述符;

addr通常是個指向sockaddr_in變量的指針,該變量用來存放提出連接服務的主機的信息(某臺主機從某個端口發出該請求);

addrlen通常爲一個指向值爲sizeof(struct sockaddr_in)的整型指針變量。出現錯誤時accept函數返回-1並置相應的errno值。

假如您對數據報socket調用了connect()函數時,您也能夠利用send()和recv()進行數據傳輸,但該socket仍然是數據報socket,並且利用傳輸層的UDP服務。但在發送或接收

數據報時,內核會自動爲之加上目地和源地址信息。

結束傳輸:

當任何的數據操作結束以後,您能夠調用close()函數來釋放該socket,從而停止在該socket上的任何數據操作:

close(sockfd);

您也能夠調用shutdown()函數來關閉該socket。該函數允許您只停止某個方向上的數據傳輸,而一個方向上的數據傳輸繼續進行。如您能夠關閉某socket的寫操作而允許繼續

在該socket上接受數據,直至讀入任何數據。

int shutdown(int sockfd,int how);

sockfd是需要關閉的socket的描述符。

參數 how允許爲shutdown操作選擇以下幾種方式:

.0----------不允許繼續接收數據

.1----------不允許繼續發送數據

.2----------不允許繼續發送和接收數據

.均爲允許則調用close()

shutdown在操作成功時返回0,在出現錯誤時返回-1並置相應errno。


Socket編程實例

代碼實例中的服務器通過socket連接向客戶端發送字符串"Hello,you are connected!"。只要在服務器上運行該服務器軟件,在客戶端運行客戶軟件,客戶端就會收到該字符串。

該服務器軟件代碼如下:

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define SERVPORT 333// 服務器監聽端口號

#define BACKLOG 10// 最大同時連接請求數

main(){

int sockfd,client_fd;// sock_fd:監聽;client_fd:數據傳輸 socket

struct sockaddr_in my_addr;// 本機地址信息

struct sockaddr_in remote_addr;// 客戶端地址信息

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

perror("socket創建出錯!");

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!")

exit(1);

}

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()){// 子進程代碼段

if(send(client_fd,"Hello,you are connected!\n",26,0)==-1){

perror("send出錯!");

close(client_fd);

exit(0);

}

close(client_fd);

}

}

}

服務器的工作流程是這樣的:首先調用socket函數創建一個Socket,然後調用bind函數將其和本機地址連同一個本地端口號綁定,然後調用listen在相應的socket上監聽,

當accept接收到一個連接服務請求時,將生成一個新的socket。服務器顯示該客戶機的IP地址,並通過新的socket向客戶端發送字符串"Hello,you are connected!"。

最後關閉該socket。

代碼實例中的fork()函數生成一個子進程來處理數據傳輸部分,fork()語句對於子進程返回值爲0。所以包含fork函數的if語句是子進程代碼部分,他和if語句後面的父進程

代碼部分是併發執行的。

客戶端程序代碼如下:

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define SERVPORT 333

#define MAXDATASIZE 100// 每次最大數據傳輸量

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

int sockfd,recvbytes;

char buf[MAXDATASIZE];

struct hostent *host;

struct sockaddr_in serv_addr;

if(argc h_addr){

bzero(&(serv_addr.sin_zero),8);

if(connect(sockfd,(struct sockaddr *)&serv_addr,sizeof(struct sockaddr))==-1){

perror("connect出錯!");

exit(1);

}

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

perror("recv出錯!");

exit(1);


}

buf[recvbytes]='\0';

printf("Received:%s",buf);

close(sockfd);

}

客戶端程序首先通過服務器域名獲得服務器的IP地址,然後創建一個socket,調用connect函數和服務器建立連接,連接成功之後接收從服務器發送過來的數據,最後關閉socket。

函數gethostbyname()是完成域名轉換的。由於IP地址難以記憶和讀寫,所以爲了方便,人們常常用域名來表示主機,這就需要進行域名和IP地址的轉換。

函數原型爲:

struct hostent *gethostbyname(const char *name);

函數返回爲hosten的結構類型,他的定義如下:

struct hostent{

char *h_name;// 主機的官方域名

char **h_aliases;// 一個以NULL結尾的主機別名數組

int h_addrtype;// 返回的地址類型,在Intent環境下爲AF_INET

int h_length;// 地址的字節長度

char **h_addr_list;// 一個以0結尾的數組,包含該主機的任何地址

};

#define h_addr h_addr_list[0]// 在h_addr_list中的第一個地址

當gethostname()調用成功時,返回指向struct hosten的指針,當調用失敗時返回-1。當調用gethostbyname時,您不能使用perror() 函數來輸出錯誤信息,而應該使用herror()

函數來輸出。

無連接的客戶/服務器程序在原理上和連接的客戶/服務器是相同的,兩者的區別在於無連接的客戶/服務器中的客戶一般無需建立連接,而且在發送接收數據時,需要指定遠端機的地址。

阻塞和非阻塞

阻塞函數在完成其指定的任務以前不允許以前不允許的程序調用別一個函數。例如,程序執行一個讀數據的函數調用時,在此函數完成讀操作以前將不會執行下一程序語句。

當服務器運行到accept語句時,而沒有客戶連接服務請求到來,服務器就會停止在accept語句上等待連接服務請求的到來。這種情況稱爲阻塞(blocking)。

而非阻塞操作則能夠立即完成。比如,假如您希望服務器僅僅注意檢查是否有客戶在等待連接,有就接收連接,否則就繼續 做其他的事情,則能夠通過將Socket配置爲非阻塞方式來

實現。非阻塞socket在沒有客戶在等待時就使accept調用立即返回。


#include

#include

......

sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

fcntl(sockfd,F_SETFL,O_NONBLOCK);

......

通過配置socket爲非阻塞方式,能夠實現"輪詢"若干Socket。當企圖從一個沒有數據等待處理的非阻塞Socket讀入數據時,函數將立即返回,返回值爲-1,並置errno值爲EWOULDBLOCK。

但是這種"輪詢"會使CPU處於忙等待方式,從而降低性能,浪費系統資源。而調用select()會有效地解決這個問題,他允許您把進程本身掛起來,而同時使用系統內核監聽所需要的一組

文檔描述符的任何活動,只要確認在任何被監控的文檔描述符上出現活動,select()調用將返回指示該文檔描述符已準備好的信息,從而實現了爲進程選出隨機的變化,而不必由進程

本身對輸入進行測試而浪費CPU開銷。

Select函數原型爲:

int select(int numfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);

其中readfds、writefds、exceptfds分別是被select()監控的讀、寫和異常處理的文檔描述符集合。假如您希望確定是否能夠從標準輸入和某個socket描述符讀取數據,您只需要將標準

輸入的文檔描述符0和相應的sockdtfd加入到readfds集合中;numfds的值是需要檢查的號碼最高的文檔描述符加1,這個例子中numfds的值應該爲sockfd+1;當select返回時,

readfds將被修改,指示某個文檔描述符已準備被讀取,您能夠通過FD_ISSSET()來測試。爲了實現fd_set中對應的文檔描述符的配置、復位和測試,他提供了一組宏:

FD_ZERO(fd_set *set)----清除一個文檔描述符集;

FD_SET(int fd,fd_set *set)---將一個文檔描述符加入文檔描述符集中;

FD_CLR(int fd,fd_set *set)---將一個文檔描述符從文檔描述符集中清除;

FD_ISSET(int fd,fd_set *set)---試判斷是否文檔描述符被置位。

Timeout參數是個指向struct timeval 類型的指針,他能夠使select()在等待timeout長時間後沒有文檔描述符準備好即返回。struct timeval數據結構爲:

struct timeval{

int tv_sec;// seconds

int tv_usec;// microseconds

};

POP3客戶端實例

下面的代碼實例基於POP3的客戶協議,和郵件服務器連接並取回指定用戶賬號的郵件。和郵件服務器交互的命令存儲在字符串數組POPMessage中,程序通過一個do-while循環依次發送

這些命令。

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define POP3SERVPORT 110

#define MAXDATASIZE 4096

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

int sockfd;

struct hostent *host;

struct sockaddr_in serv_addr;

char *POPMessage[]={

"USER userid\r\n",

"PASS password\r\n",

"STAT\r\n",

"LIST\r\n",

"RETR 1\r\n",

"DELE 1\r\n",

"QUIT\r\n",

NULL

};

int iLength;

int iMsg=0;

int iEnd=0;

char buf[MAXDATASIZE];

if((host=gethostbyname("your.server")==NULL)){

perror("gethostbyname error");

exit(1);

}

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

perror("socket error");

exit(1);

}

serv_addr.sin_family=AF_INET;

serv_addr.sin_port=htons(POP3SERVPORT);

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 error");

exit(1);

}

do{

send(sockfd,POPMessage[iMsg],strlen(POPMessage[iMsg]),0);

printf("have sent:%s",POPMessage[iMsg]);

iLength=recv(sockfd,buf+iEnd,sizeof(buf)-iEnd,0);

iEnd+=iLength;

buf[iEnd]="\0";

printf("received:%s,%d\n",buf,iMsg);

iMsg++;

}while(POPMessage[iMsg]);

close(sockfd);

}

Android項目實例:

服務器:設定一個端口,創建一個線程池。輪詢等待客戶端的連接。一旦客戶端連接上,啓動一個線程管理這個客戶端,並向所有客戶端,發送該客戶端的IP地址。

服務器設置爲"羣聊"。一個客戶端發送消息,所有客戶端都可收到。

服務端代碼:

======================================================================================================================================

package com.wu.socketservice;

import java.io.BufferedReader;

import java.io.IOException;

import java.io.InputStreamReader;

import java.io.OutputStreamWriter;

import java.io.PrintWriter;

import java.net.ServerSocket;

import java.net.Socket;

import java.util.ArrayList;

import java.util.concurrent.ExecutorService;

import java.util.concurrent.Executors;

public class SocketService{

private ServerSocket serverSocket;

private ArrayList<Socket> clients;

private ExecutorService executorService;

private static final int PORT=9999;

public SocketService(){

try{

// socket服務端

serverSocket = new ServerSocket(PORT);

// socket客戶端列表

clients = new ArrayList<Socket>();

// 線程池

executorService = Executors.newCachedThreadPool();

// 服務端陷入死循環,輪詢等待客戶端的連接

Socket socket = null;

while(true){

// 獲得客戶端的連接socket對象

socket = serverSocket.accept();

// 添加到客戶端列表

clients.add(socket);

// 啓動一個線程,保持與客戶端通信,直到客戶端退出 

executorService.execute(new SocketRunnable(socket));

}

}catch(IOException){

e.printStackTrace();

}

}

public class SocketRunnable implements Runnable{

private Socket socket;

private String msg;

private BufferedReader in;

public SocketRunnable(Socket socket){

// 初始化socket

this.socket = socket;

try{

// 從socket中獲取輸入流,接收來自於socket的數據

in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));

msg = "new user:"+socket.getInetAddress()+",user count:"+clients.size();

sendMessage();

}catch(IOException e){

e.printStackTrace();

}

}

private void sendMessage(){

for(Socket client:clients){

try{

PrintWriter out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(client.getOutputStream()),true);

out.println(msg);

out.close();

}catch(IOException e){

e.printStackTrace();

}

}

}

@Override

public void run(){

try{

while(true){

if((msg=in.readLine())!=null){

if(!msg.equals("exit")){

msg = socket.getInetAddress()+":"+msg;

sendMessage();

}else{

System.out.println("ssssssssss");

clients.remove(socket);

in.close();

socket.close();

msg = "user:"+socket.getInetAddress()+"exit,user count:"+clients.size();

sendMessage();

break;

}

}

}

}catch(IOException e){

e.printStackTrace();

}

}

}

}

客戶端代碼:

=====================================================================================================================================

package com.wu.socktclient;

import java.io.BufferedReader;

import java.io.IOException;

import java.io.InputStreamReader;

import java.io.OutputStreamWriter;

import java.io.PrintWriter;

import java.net.Socket;

import java.net.UnknownHostException;

import android.app.Activity;

import android.os.Bundle;

import android.os.Handler;

import android.os.Message;

import android.view.View;

import android.widget.EditText;

import android.widget.TextView;

public class SocketClientActivity extends Activity{

private static final String HOST="192.168.125.190";

private static final int PORT =9999;

private Socket socket;

private PrintWriter out;

private BufferedReader in;

private String content;

private TextView tvShowMsg;

private EditTet etMsg;

private void setup View(){

tvShowMsg = (TextView)findViewById(R.id.tvMsgInfo);

etMsg = (EditText)findViewById(R.id.etMsg);

}

private void init(){

try{

socket = new Socket(HOST,PORT);

in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));

out = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()),true);

}catch(UnknownHostException e){

e.printStackTrace();


}catch(IOException e){

e.printStackTrace();

}

}

private Handler handler = new Handler(){

public void handlerMessage(android.os.Message msg){

tvShowMsg.setText(tvShowMsg.getText()+msg.obj.toString());

};

};



// Called when the activity is first created

@Override

public void onCreate(Bundle savedInstanceState){

super.onCreate(savedInstanceState);

setContentView(R.layout.main);

// socket連接的初始化

init();

// 界面初始化

setupView();

// 創建線程,保持與服務端通信,接收服務端推送的消息

new Thread(){

public void run(){

try{

while(true){

if(socket.isConnected()){

if(!socket.inInputShutdown()){

if(content=in.readLine())!=null){

content +="\n";

// 發送消息到主線程更新界面

Message msg = handler.obtainMessage();


msg.obj = content;

handler.sendMessage(msg);

}

}

}

}

}catch(IOExcption e){

e.printStackTrace();

}

};

}.start();

}

public void doClick(View view){

String msg = etMsg.getText().toString();

out.println(msg);

}

@Override

protected void onDestroy(){

super.onDestroy();

try{

out.close();

in.close();

socket.close();

}catch(IOException e){

e.printStackTrace();

}

}

}
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