Linux之本地Socket通信

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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。注意：其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。使用套接字除了可以实现网络间不同主机间的通信外，还可以实现同一主机的不同进程间的通信，且建立的通信是双向的通信。socket进程通信与网络通信使用的是统一套接口，只是地址结构与某些参数不同。

socket一词的起源在组网领域的首次使用是在1970年2月12日发布的文献IETF RFC33中 发现的，撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根据美国计算机历史博物馆的记载，Croker写道：“命名空间的元素都可称为套接字接口。一个套接字接口构成一个连接的一端，而一个连接可完 全由一对套接字接口规定。”计算机历史博物馆补充道：“这比BSD的套接字接口定义早了大约12年。”

其主要流程如下：

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一、sockaddr 结构: struct sockaddr是通用的套接字地址 是linux 网络通信的地址结构体的一种，此数据结构用做bind、connect、recvfrom、sendto等函数的参数，指明地址信息。

定义如下：

头文件: Sys/socket.h

说明:Sa_family : 是地址家族，也成作，协议族，一般都是”AF_XXX”的形式，常用的有

Sa_data: 是14字节的协议地址

二、struct socketaddr_in : struct sockaddr是通用的套接字地址，而struct sockaddr_in则是internet环境下套接字的地址形式，二者长度一样，都是16个字节。二者是并列结构，指向sockaddr_in结构的指针也可以指向sockaddr。一般情况下，需要把sockaddr_in结构强制转换成sockaddr结构再传入系统调用函数中。

定义如下：IPV4：

IPV6:

头文件:sys/types.hsa_family_t和socklen_t 头文件 sys/socket.hin_addr_t、 in_port_t 头文件 netinet/in.h

说明:sin_family 指代协议族，在socket编程中只能是AF_INETsin_port 存储端口号（使用网络字节顺序）sin_addr 存储IP地址，使用in_addr这个数据结构sin_zero 是为了让sockaddr与sockaddr_in两个数据结构保持大小相同而保留的空字节。s_addr 按照网络字节顺序存储IP地址

三、Struct socketaddr_un : 针对UNIX域套接字地址, struct sockaddr是通用的套接字地址，而struct sockaddr_un则是UNIX环境下套接字的地址形式，人们在使用这种方式时往往用的不是网络套接字，而是一种称为本地套接字的方式。这样做可以避免为黑客留下后门。一般情况下，需要把sockaddr_un结构强制转换成sockaddr结构再传入系统调用函数中。

定义如下：

头文件: sys/un.h :

说明:sun_family 指代协议族，在socket编程中只能是AF_UNIXsun_path 本地通信的路径

四、socket()函数sys/socket.hint socket(int domain, 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：

SOCK_STREAM（常用）字节流套接字SOCK_DGRAM 数据报套接字SOCK_SEQPACKET　有序分组套接字SOCK_RAW 原始套接字

3 protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，

IPPROTO_TCP TCP传输协议IPPTOTO_UDP UDP传输协议IPPROTO_SCTP STCP传输协议IPPROTO_TIPC TIPC传输协议

4 返回值:socket描述符

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

五、bind()函数sys/socket.hint bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

正如上面所说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。

参数说明:

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。

六、listen()函数sys/socket.hint listen(int sockfd, int backlog);

服务器端套接字创建完毕并赋予本地地址值后，需要进行监听，等待客户端连接并处理请求，监听使用 listen 系统调用，接受客户端连接使用系统的accept()函数调用

参数说明:

返回值:成功标志

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。

七、connect()函数sys/socket.hint connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

参数说明:

八、accept()函数sys/socket.hint accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

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()之后就想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。

参数说明:

注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

九 、read()、write()函数sys/socket.hint read(int socket, char *buffer, size_t len);int write(int socket, char *buffer, size_t len);

当然还有如下几种格式的读取和写入：

无论客户端还是服务器，都要和对方进行数据上的交互。一个进程扮演客户端的角色，另外一个进程扮演服务器的角色，两个进程之间相互发送接收数据，这就是基于本地套接字的进程通信。循环读取客户端发送的消息，当客户端没有发送数据时会阻塞直到有数据到来。如果想要多个连接并发处理，需要创建线程，将每个连接交给相应的线程并发处理。接收到数据后，进行相应的处理，将结果返回给客户端。

参数说明:

read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了 错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

十、close()函数unistd.hint close(int fd);

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。

参数说明:

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。

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函 数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

图解:

大致流程:

Client:ClientSocket.h