socket编程基础

TCP/IP、UDP

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。
TCP/IP协议存在于OS中，网络服务通过OS提供，在OS中增加支持TCP/IP的系统调用——Berkeley套接字，如Socket，Connect，Send，Recv等
UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。如图：

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层，而socket所在位置如图，Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层。

socket套接字

socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现， socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）.
说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

套接字描述符

当应用程序要创建一个套接字时，操作系统就返回一个小整数作为描述符，应用程序则使用这个描述符来引用该套接字需要I/O请求的应用程序请求操作系统打开一个文件。操作系统就创建一个文件描述符提供给应用程序访问文件。从应用程序的角度看，文件描述符是一个整数，应用程序可以用它来读写文件。下图显示，操作系统如何把文件描述符实现为一个指针数组，这些指针指向内部数据结构。

对于每个程序系统都有一张单独的表。精确地讲，系统为每个运行的进程维护一张单独的文件描述符表。当进程打开一个文件时，系统把一个指向此文件内部数据结构的指针写入文件描述符表，并把该表的索引值返回给调用者。应用程序只需记住这个描述符，并在以后操作该文件时使用它。操作系统把该描述符作为索引访问进程描述符表，通过指针找到保存该文件所有的信息的数据结构。

SOCKET接口函数

工作原理：“open—write/read—close”模式。

服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

socket()函数

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

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。
type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（一般设置为0，让系统自动选择相应协议。）。

bind()函数

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

bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。函数的三个参数分别为：

sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。

addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是：

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 */
};

addrlen：对应的是地址的长度。

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。

注意：

网络字节序以大端模式传输。所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序

listen()、connect()函数

作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

int listen(int sockfd, int backlog);

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

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

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

参数sockfd
参数sockfd就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器连接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。
参数addr
这是一个输出型参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，当然这个地址是通过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣，那么可以把这个值设置为NULL。
参数len
如同大家所认为的，它也是输出型参数，用来接受上述addr的结构的大小的，它指明addr结构所占有的字节个数。同样的，它也可以被设置为NULL。

如果accept成功返回，则服务器与客户已经正确建立连接了，此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。

注意：

accept默认会阻塞进程，直到有一个客户连接建立后返回，它返回的是一个新可用的套接字，这个套接字是连接套接字。

read()、write()等函数

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

我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：

       #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);

这几个函数比较简单，就不作详细介绍了。

close()函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

示例：

TCP通信

服务器

//sever.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>


void* handler_data(void* arg)
{
    int sock = *((int*)arg);
    printf("connect a new client    %d\n", sock);

    char buf[1024];
    memset(buf, '\0', sizeof(buf));
    while(1)
    {
        ssize_t _s = read(sock, buf, sizeof(buf)-1);
        if(_s > 0)
        {
            buf[_s] = '\0';
            printf("client[%d] # %s\n", sock, buf);

            write(sock, buf, strlen(buf));
        }
        else if(_s == 0)
        {
            printf("client[%d] is closed...\n", sock);
            break;
        }
        else
        {
            break;
        }
    }

    close(sock);
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    int listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(listen_sock < 0)
    {
        perror("socket");
        return 1;
    }

    struct sockaddr_in local;
    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_port = htons(8080);
    local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    if(bind(listen_sock, (const struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
    {
        perror("bind");
        return 2;
    }

    if(listen(listen_sock, 5) < 0)
    {
        perror("listen");
        return 3;
    }

    struct sockaddr_in peer;
    socklen_t len = sizeof(peer);
    while(1)
    {
        int new_fd = accept(listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);
        if(new_fd > 0)
        {
            pthread_t id;
            pthread_create(&id, NULL, handler_data, (void* )&new_fd);
            pthread_detach(id);
        }

    }

    return 0;
}

客户端

//client.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        printf("error argv\n");
        return 1;
    }

    int conn_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(conn_sock < 0)
    {
        perror("socket");
        return 2;
    }

    struct sockaddr_in remote;
    remote.sin_family = AF_INET;
    remote.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    remote.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]); 
    if(connect(conn_sock, (const struct sockaddr*)&remote, sizeof(remote)) < 0)
    {
        perror("connect");
        return 3;
    }

    char buf[1024];
    memset(buf, '\0', sizeof(buf));
    while(1)
    {
        printf("please enter# ");
        fflush(stdout);
        ssize_t _s = read(0, buf, sizeof(buf)-1);
        if(_s > 0)
        {
            buf[_s-1] = '\0';
            write(conn_sock, buf, strlen(buf));

           read(conn_sock, buf, sizeof(buf));
           printf("sever echo# %s\n", buf);
        }
    }

    return 0;
}

程序演示：

运行服务器后，服务器等待TCP连接，这里可以用三种方式测试：Telnet、浏览器、客户端。

Telnet测试：

浏览器测试：

客户端测试：

注意：在启动服务器的时候可能会出现如下的情况：

现在用Ctrl-C把client终止掉，等待大约30秒后，服务器又可以启动了。

原因分析：

虽然server的应用程序终止了,但TCP协议层的连接并没有完全断开,因此不能再次监听同样的server端口。

client终止时自动关闭socket描述符,server的TCP连接收到client发送的FIN段后处于TIME_WAIT状态。TCP协议规定,主动关闭连接的一方要处于TIME_WAIT状态,等待两个MSL(maximum segment lifetime)的时间后才能回到CLOSED状态,因为我们先Ctrl-C终止了server,所以server是主动关闭连接的一方,在TIME_WAIT期间仍然不能再次监听同样的server端口。MSL在RFC1122中规定为两分钟,但是各操作系统的实现不同,在Linux上一般经过半分钟后就可以再次启动server了。

解决这个问题的方法是使用setsockopt()设置socket描述符的选项SO_REUSEADDR为1,表示允许创建端口号相同但IP地址不同的多个socket描述符。在server代码的socket()和bind()调用之间插入如下代码:

setsocketopt这个函数这里不作详细介绍，有兴趣的读者可以自行查询一下。

socket编程基础

socket套接字

套接字描述符

socket()函数

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

protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。

type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。

protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（一般设置为0，让系统自动选择相应协议。）。

bind()函数

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

listen()、connect()函数

accept()函数

read()、write()等函数

close()函数

多線程編程基礎

進程間通信之信號量

常見排序算法之選擇排序

常見排序算法之插入排序

單例模式簡介

Mac下配置sublime實現LaTeX

https://yachay.unat.edu.pe/blog/index.php?comment_area=format_blog&comment_component=blog&comment_co

linux以太網驅動總結