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基于TCP通信的服务模式

服务端

socket函数，获取网络连接的文件描述符

bind函数，将服务器的端口、ip地址与socket函数创建的文件描述符绑定

listen函数，监听服务器的当前端口（其他端口不监听）

accept函数，阻塞以等待用户连接

客服端

socket函数，获取网络连接的文件描述符

connect函数，连接服务器

连接上之后：

send函数，客服端给服务器发送数据

recv函数，客服端接收服务器的回复

一、服务器端

socket()函数

函数原型

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

函数作用

此函数用来创建套接字，确定套接字的各种属性。函数返回一个isocket的文件描述符，是int类型的整数。

参数说明

（1）af 

• af 表示IP地址类型，可取值为 AF_INET、AF_INET6。
• 其中AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。

（2）type

• type 表示数据传输方式，或者说套接字类型，可取值为 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM。
• SOCK_STREAM 表示流格式套接字（即面向连接的套接字）；SOCK_DGRAM 表示数据报套接字（即无连接的套接字）。

（3）protocol

• protocol表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。

补充说明

（1）socket函数在<sys/socket.h> 头文件中，使用时要包含该文件。

（2）为什么需要protocol这个参数？

一般情况下指定 af 和 type 参数就可以创建套接字了，操作系统会自动推演出协议类型（此时protocol参数的值可以设置为0），除非有两种不同的协议支持同一种地址类型和数据传输类型，此时操作系统没办法自动推演，需要指定protocol这个参数。

比如使用IPv4地址而且使用 SOCK_STREAM 传输数据的协议只有 TCP，那么操作系统会自动推导出协议类型为TCP，那么调用socket()函数的方式有两种：（将protocol的值设为0，或者显式地设为 IPPROTO_TCP ）

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

bind()函数

函数原型

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

函数作用

该函数将套接字与特定的 IP 地址和端口绑定起来。只有这样，流经该 IP 地址和端口的数据才能交给套接字处理。

参数说明

（1）sock 是使用socket()函数创建套接字时返回的文件描述符。

（2）addr 是指向（struct sockaddr 这个结构体类型所定义的）变量的指针。

（3）addrlen 是 struct sockaddr 这个结构体类型所定义的变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。

代码分析

下面代码作用：将创建的套接字与IP地址 127.0.0.1、端口 1234 绑定

//创建套接字
int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr)); //每个字节都用0填充
serv_addr.sin_family = AF_INET; //使用IPv4地址
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //具体的IP地址
serv_addr.sin_port = htons(1234); //端口//将套接字和IP、端口绑定
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));//这里进行数据类型强制转化

（1） struct sockaddr_in 结构体

我们来看一下struct sockaddr_in 结构体的定义：

struct sockaddr_in{sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址类型uint16_t sin_port; //16位的端口号struct in_addr sin_addr; //32位IP地址char sin_zero[8]; //不使用，一般用0填充
};

• sin_family 和 socket() 函数的第一个参数的含义相同，取值也保持一致。（不过它是unsigned short类型的，占两个字节，而socket() 函数的第一个参数是int类型的，占4个字节。）
• sin_prot 为端口号。uint16_t 的长度为两个字节，理论上端口号的取值范围为 0~65536，但是 0~1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，例如 Web 服务的端口号为 80，FTP 服务的端口号为 21，所以我们的程序要尽量在 1024~65536 之间分配端口号。
• sin_addr 是 struct in_addr 结构体类型的变量。
• sin_zero[8] 是多余的8个字节，没有用，一般使用 memset() 函数填充为 0。

这里的 struct in_addr 结构体只包含一个成员，如下所示：

struct in_addr{in_addr_t s_addr; //32位的IP地址
};

in_addr_t 在头文件 <netinet/in.h> 中定义，它等价于 unsigned long，长度为4个字节。这说明 s_addr 是一个整数，而代码中定义的IP地址是字符串“127.0.0.1”，所以上面代码中使用 inet_addr() 函数进行转换。转后serv_addr.sin_addr.s_addr =16777343。

为什么要搞这么复杂，struct sockaddr_in结构体中嵌套struct in_addr结构体，而不用 sockaddr_in 的一个成员变量来直接指明IP地址呢？另外，socket() 函数的第一个参数已经指明了地址类型，为什么在 sockaddr_in 结构体中还要再说明一次呢？

这些繁琐的细节确实给初学者带来了一定的障碍，我想，这或许是历史原因吧，后面的接口总要兼容前面的代码。

（2）struct sockaddr 结构体

上述代码先创建 struct sockaddr_in 类型变量，然后在bind()函数中强制转换为 struct sockaddr 类型。为何不直接创建 struct sockaddr 类型变量呢？毕竟bind()函数第二个参数类型就是 struct sockaddr 类型的 。

我们看一下struct sockaddr 结构体的定义：

struct sockaddr{sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址类型char sa_data[14]; //IP地址和端口号
};

下图是 struct sockaddr 与 struct sockaddr_in 的对比（括号中的数字表示所占用的字节数）：

struct sockaddr 和 struct sockaddr_in 的长度相同，都是16字节，只是将IP地址和端口号合并到一起，用一个成员 sa_data 表示。要想给 sa_data 赋值，必须同时指明IP地址和端口号，例如”127.0.0.1:80“。遗憾的是，没有相关函数将这个字符串转换成需要的形式，也就很难给 sockaddr 类型的变量赋值，所以使用 sockaddr_in 来代替。这两个结构体的长度相同，强制转换类型时不会丢失字节，也没有多余的字节。

可以认为，struct sockaddr 是一种通用的结构体，可以用来保存多种类型的IP地址和端口号，但由于它使用不便，才针对不同的地址类型定义了不同的结构体，然后在使用的时候再强制类型转换。比如 struct  sockaddr_in 是专门用来保存 IPv4 地址的结构体；而struct sockaddr_in6是专门用来保存 IPv6 地址的结构体，它的定义如下：

struct sockaddr_in6 {sa_family_t sin6_family; //(2)地址类型，取值为AF_INET6in_port_t sin6_port; //(2)16位端口号uint32_t sin6_flowinfo; //(4)IPv6流信息struct in6_addr sin6_addr; //(4)具体的IPv6地址uint32_t sin6_scope_id; //(4)接口范围ID
};

listen()函数

函数原型

int listen(int sock, int backlog); //Linux

函数作用

listen() 函数可以让套接字进入被动监听状态。

参数说明

（1）sock 是为需要进入监听状态的套接字。

（2）backlog 是请求队列的最大长度。

补充说明

（1）被动监听

指当没有客户端请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到客户端请求时，套接字才会被“唤醒”来响应请求。

（2）请求队列

当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直到缓冲区满。这个缓冲区，就称为请求队列（Request Queue）。

缓冲区的长度（能存放多少个客户端请求）可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定，但究竟为多少并没有什么标准，可以根据你的需求来定，并发量小的话可以是10或者20。

如果将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN，就由系统来决定请求队列长度，这个值一般比较大，可能是几百，或者更多。

当请求队列满时，就不再接收新的请求，对于 Linux，客户端会收到 ECONNREFUSED 错误，对于 Windows，客户端会收到 WSAECONNREFUSED 错误。

（3）注意

listen()函数只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。

accept()函数

函数原型

int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //Linux

函数作用

当套接字处于监听状态时，可以通过 accept() 函数来接收客户端请求。accept() 函数如果正确返回一个新的套接字的文件描述符，则表示服务器和客户端成功建立一个TCP连接。

参数说明

（1）sock 为服务器端套接字。

（2）addr 为 指向 struct sockaddr_in 结构体变量的指针。

（3）addrlen 是 addr 这个指针指向的变量所占空间大小，可由 sizeof() 求得。

补充说明

（1） 该函数的第一个参数 sock 是服务器端创建的套接字的文件描述符（我们把它叫做监听fd），而该函数的返回值是一个新的套接字的文件描述符（我们把它叫做连接fd）。编写代码的时候要特别注意：服务器端和客户端通信时，服务器端要使用连接fd，不再使用监听fd。

（2）addr 保存了客户端的IP地址和端口号。

（3）listen()函数只是让套接字进入监听状态，并没有真正接收客户端请求，listen() 后面的代码会继续执行，直到遇到 accept()函数。accept() 会阻塞程序执行（后面代码不能被执行），以等待客户端的连接。

二、客户端

connect()函数

函数原型

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);  //Linux

函数作用

connect() 函数用来建立连接。

参数说明

各个参数的说明和 bind() 相同，不再赘述。

三、通用函数 

write()函数、read函数

在 Linux 和 Windows 平台下，使用不同的函数发送和接收socket函数。因为Linux 不区分套接字文件和普通文件，使用 write() 可以向套接字中写入数据，使用 read() 可以从套接字中读取数据。而Windows 区分普通文件和套接字，并定义了专门的接收和发送的函数，即send() 函数和recv()函数。

（1）write() 函数

函数原型

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);

函数作用

将缓冲区 buf 中的 nbytes 个字节写入文件 fd，成功则返回写入的字节数，失败则返回 -1。

参数说明

fd 为要写入的文件的描述符，buf 为要写入的数据的缓冲区地址，nbytes 为要写入的数据的字节数。

（2）read() 函数

函数原型

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

函数作用

从 fd 文件中读取 nbytes 个字节并保存到缓冲区 buf，成功则返回读取到的字节数（但遇到文件结尾则返回0），失败则返回 -1。

参数说明

fd 为要读取的文件的描述符，buf 为要接收数据的缓冲区地址，nbytes 为要读取的数据的字节数。

size_t 是通过 typedef 声明的 unsigned int 类型。

htons()函数

函数模型

uint16_t htons(uint16_t hostshort)

函数作用

htons()函数用来将当前主机字节序转换为网络字节序（即转换成大端模式）。

代码示例

//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充
serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口号

补充说明

（1）网络字节序是大端模式，而x86架构的cpu一般是小端模式，所以需要进行转换。

（2）htons这字母组合中，h 代表主机字节序，n 代表网络字节序，s代表short，可以理解为“将 short 型数据从当前主机字节序转换为网络字节序”。

（3）通常，以s为后缀的函数中，s代表 2 个字节 short，因此用于端口号转换；以l为后缀的函数中，l代表 4 个字节的 long，因此用于 IP 地址转换。常见的网络字节转换函数如下。

• htons()：host to network short，将 short 类型数据从主机字节序转换为网络字节序。
• ntohs()：network to host short，将 short 类型数据从网络字节序转换为主机字节序。
• htonl()：host to network long，将 long 类型数据从主机字节序转换为网络字节序。
• ntohl()：network to host long，将 long 类型数据从网络字节序转换为主机字节序。

inet_addr()函数

函数原型

unsigned long inet_addr( const char *cp )

函数作用

inet_addr() 函数的作用是，将字符串形式的（即点分十进制形式的）IPv4地址（不能处理IPv6地址），转换成32位的长整型，同时还进行网络字节序转换。

代码示例

//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充
serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口号

#include<netinet/in.h>
#icnldue<arpa/inet.h>
#define IPADDR "192.168.1.102"int main(void)
{int_addr_t addr = 0;addr = inet_addr(IPADDR);printf("addr = 0x%x\n",addr);return 0;
}// 0x66  01  a8  c0
//  102  1  168  192

补充说明

（1）为 sockaddr_in 成员赋值时，需要显式地将主机字节序转换为网络字节序。而通过 write()/send() 发送数据时 TCP 协议会自动将数据转换为网络字节序，不需要再调用相应的函数。

（2）关于inet_addr()函数的内部代码是怎样的，这里不详细列出。有兴趣可以查阅手册。