[深入淺出Cocoa]iOS網絡編程之Socket
一，iOS網絡編程層次模型
在前文《深入淺出Cocoa之Bonjour網絡編程》中我介紹瞭如何在Mac系統下進行 Bonjour 編程，在那篇文章中也介紹過 Cocoa 中網絡編程層次結構分爲三層，雖然那篇演示的是 Mac 系統的例子，其實對iOS系統來說也是一樣的。iOS網絡編程層次結構也分爲三層：
- Cocoa層：NSURL，Bonjour，Game Kit，WebKit
- Core Foundation層：基於 C 的 CFNetwork 和 CFNetServices
- OS層:基於 C 的 BSD socket
Cocoa層是最上層的基於 Objective-C 的 API，比如 URL訪問，NSStream，Bonjour，GameKit等，這是大多數情況下我們常用的 API。Cocoa 層是基於 Core Foundation 實現的。
Core Foundation層：因爲直接使用 socket 需要更多的編程工作，所以蘋果對 OS 層的 socket 進行簡單的封裝以簡化編程任務。該層提供了 CFNetwork 和 CFNetServices，其中 CFNetwork 又是基於 CFStream 和 CFSocket。
OS層：最底層的 BSD socket 提供了對網絡編程最大程度的控制，但是編程工作也是最多的。因此，蘋果建議我們使用 Core Foundation 及以上層的 API 進行編程。
本文將介紹如何在 iOS 系統下使用最底層的 socket 進行編程，這和在 window 系統下使用 C/C++ 進行 socket 編程並無多大區別。
本文源碼：https://github.com/kesalin/iOSSnippet/tree/master/KSNetworkDemo
運行效果如下：
二，BSD socket API 簡介
BSD socket API 和 winsock API 接口大體差不多，下面將列出比較常用的 API：
| API接口 | 講解 |
int socket(int addressFamily, int type,
int protocol) int close(int socketFileDescriptor)
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socket 創建並初始化 socket，返回該 socket 的文件描述符，如果描述符爲 -1 表示創建失敗。
通常參數 addressFamily 是 IPv4(AF_INET) 或 IPv6(AF_INET6)。type 表示 socket 的類型，通常是流stream(SOCK_STREAM) 或數據報文datagram(SOCK_DGRAM)。protocol 參數通常設置爲0，以便讓系統自動爲選擇我們合適的協議，對於 stream socket 來說會是 TCP 協議(IPPROTO_TCP)，而對於 datagram來說會是 UDP 協議(IPPROTO_UDP)。
close 關閉 socket。
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int bind(int socketFileDescriptor, sockaddr *addressToBind,
int addressStructLength)
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將 socket 與特定主機地址與端口號綁定，成功綁定返回0，失敗返回 -1。
成功綁定之後，根據協議(TCP/UDP)的不同，我們可以對 socket 進行不同的操作：
UDP：因爲 UDP 是無連接的，綁定之後就可以利用 UDP socket 傳送數據了。
TCP：而 TCP 是需要建立端到端連接的，爲了建立 TCP 連接服務器必須調用 listen(int socketFileDescriptor, int backlogSize) 來設置服務器的緩衝區隊列以接收客戶端的連接請求，backlogSize 表示客戶端連接請求緩衝區隊列的大小。當調用 listen 設置之後，服務器等待客戶端請求，然後調用下面的 accept 來接受客戶端的連接請求。
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int accept(int socketFileDescriptor, sockaddr *clientAddress, int clientAddressStructLength)
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接受客戶端連接請求並將客戶端的網絡地址信息保存到 clientAddress 中。 當客戶端連接請求被服務器接受之後，客戶端和服務器之間的鏈路就建立好了，兩者就可以通信了。 |
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int connect(int socketFileDescriptor, sockaddr *serverAddress, int serverAddressLength)
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客戶端向特定網絡地址的服務器發送連接請求，連接成功返回0，失敗返回 -1。 當服務器建立好之後，客戶端通過調用該接口向服務器發起建立連接請求。對於 UDP 來說，該接口是可選的，如果調用了該接口，表明設置了該 UDP socket 默認的網絡地址。對 TCP socket來說這就是傳說中三次握手建立連接發生的地方。 注意：該接口調用會阻塞當前線程，直到服務器返回。 |
hostent* gethostbyname(char *hostname)
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使用 DNS 查找特定主機名字對應的 IP 地址。如果找不到對應的 IP 地址則返回 NULL。 |
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int send(int socketFileDescriptor, char *buffer, int bufferLength, int flags)
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通過 socket 發送數據，發送成功返回成功發送的字節數，否則返回 -1。 一旦連接建立好之後，就可以通過 send/receive 接口發送或接收數據了。注意調用 connect 設置了默認網絡地址的 UDP socket 也可以調用該接口來接收數據。 |
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int receive(int socketFileDescriptor, char *buffer, int bufferLength, int flags)
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從 socket 中讀取數據，讀取成功返回成功讀取的字節數，否則返回 -1。 一旦連接建立好之後，就可以通過 send/receive 接口發送或接收數據了。注意調用 connect 設置了默認網絡地址的 UDP socket 也可以調用該接口來發送數據。 |
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int sendto(int socketFileDescriptor, char *buffer, int bufferLength, int flags, sockaddr *destinationAddress, int destinationAddressLength)
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通過UDP socket 發送數據到特定的網絡地址，發送成功返回成功發送的字節數，否則返回 -1。 由於 UDP 可以向多個網絡地址發送數據，所以可以指定特定網絡地址，以向其發送數據。 |
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int recvfrom(int socketFileDescriptor, char *buffer, int bufferLength, int flags, sockaddr *fromAddress, int
*fromAddressLength)
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從UDP socket 中讀取數據，並保存發送者的網絡地址信息，讀取成功返回成功讀取的字節數，否則返回 -1 。 由於 UDP 可以接收來自多個網絡地址的數據，所以需要提供額外的參數，以保存該數據的發送者身份。 |
三，服務器工作流程
有了上面的 socket API 講解，下面來總結一下服務器的工作流程。
- 服務器調用 socket(...) 創建socket；
- 服務器調用 listen(...) 設置緩衝區；
- 服務器通過 accept(...)接受客戶端請求建立連接；
- 服務器與客戶端建立連接之後，就可以通過 send(...)/receive(...)向客戶端發送或從客戶端接收數據；
- 服務器調用 close 關閉 socket；
由於 iOS 設備通常是作爲客戶端，因此在本文中不會用代碼來演示如何建立一個iOS服務器，但可以參考前文：《深入淺出Cocoa之Bonjour網絡編程》看看如何在 Mac 系統下建立桌面服務器。
四，客戶端工作流程
由於 iOS 設備通常是作爲客戶端，下文將演示如何編寫客戶端代碼。先來總結一下客戶端工作流程。
- 客戶端調用 socket(...) 創建socket；
- 客戶端調用 connect(...) 向服務器發起連接請求以建立連接；
- 客戶端與服務器建立連接之後，就可以通過 send(...)/receive(...)向客戶端發送或從客戶端接收數據；
- 客戶端調用 close 關閉 socket；
五，客戶端代碼示例
下面的代碼就實現了上面客戶端的工作流程：
- (void)loadDataFromServerWithURL:(NSURL *)url { NSString * host = [url host]; NSNumber * port = [url port]; // Create socket // int socketFileDescriptor = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (-1 == socketFileDescriptor) { NSLog(@"Failed to create socket."); return; } // Get IP address from host // struct hostent * remoteHostEnt = gethostbyname([host UTF8String]); if (NULL == remoteHostEnt) { close(socketFileDescriptor); [self networkFailedWithErrorMessage:@"Unable to resolve the hostname of the warehouse server."]; return; } struct in_addr * remoteInAddr = (struct in_addr *)remoteHostEnt->h_addr_list[0]; // Set the socket parameters // struct sockaddr_in socketParameters; socketParameters.sin_family = AF_INET; socketParameters.sin_addr = *remoteInAddr; socketParameters.sin_port = htons([port intValue]); // Connect the socket // int ret = connect(socketFileDescriptor, (struct sockaddr *) &socketParameters, sizeof(socketParameters)); if (-1 == ret) { close(socketFileDescriptor); NSString * errorInfo = [NSString stringWithFormat:@" >> Failed to connect to %@:%@", host, port]; [self networkFailedWithErrorMessage:errorInfo]; return; } NSLog(@" >> Successfully connected to %@:%@", host, port); NSMutableData * data = [[NSMutableData alloc] init]; BOOL waitingForData = YES; // Continually receive data until we reach the end of the data // int maxCount = 5; // just for test. int i = 0; while (waitingForData && i < maxCount) { const char * buffer[1024]; int length = sizeof(buffer); // Read a buffer's amount of data from the socket; the number of bytes read is returned // int result = recv(socketFileDescriptor, &buffer, length, 0); if (result > 0) { [data appendBytes:buffer length:result]; } else { // if we didn't get any data, stop the receive loop // waitingForData = NO; } ++i; } // Close the socket // close(socketFileDescriptor); [self networkSucceedWithData:data]; }
前面說過，connect/recv/send 等接口都是阻塞式的，因此我們需要將這些操作放在非 UI 線程中進行。如下所示：
NSThread * backgroundThread = [[NSThread alloc] initWithTarget:self selector:@selector(loadDataFromServerWithURL:) object:url]; [backgroundThread start];
同樣，在獲取到數據或者網絡異常導致任務失敗，我們需要更新 UI，這也要回到 UI 線程中去做這個事情。如下所示：
- (void)networkFailedWithErrorMessage:(NSString *)message { // Update UI // [[NSOperationQueue mainQueue] addOperationWithBlock:^{ NSLog(@"%@", message); self.receiveTextView.text = message; self.connectButton.enabled = YES; [self.networkActivityView stopAnimating]; }]; } - (void)networkSucceedWithData:(NSData *)data { // Update UI // [[NSOperationQueue mainQueue] addOperationWithBlock:^{ NSString * resultsString = [[NSString alloc] initWithData:data encoding:NSUTF8StringEncoding]; NSLog(@" >> Received string: '%@'", resultsString); self.receiveTextView.text = resultsString; self.connectButton.enabled = YES; [self.networkActivityView stopAnimating]; }]; }
