网络编程之 Socket函数 (一)

Myth丶恋晨 2022-09-11 10:14 248阅读 0赞

# 1. 概述 #

在网络协议中，分层思想是非常重要的，各层协议分工明确，各干各事。在现实世界中，IP网际层的实现分布在路由器和各种PC终端中，TCP传输层的实现则存在于PC终端。换句话说，路由器只实现IP协议，而终端PC的操作系统同时实现了IP和TCP层协议。为了让开发者实现各种应用程序，不同的操作系统都会提供了一组socket函数，供开发者使用。通过socket函数，开发者能够进行网络通讯，并且能够对IP/TCP层协议的某些特性进行控制。

在所有的套接字函数中，Berkeley套接字(也称为BSD套接字)使用的最为广泛。由于专利原因，Berkeley套接字由C语言实现，只被使用在UNIX操作系统上。但其接口形式成为了事实上的网络套接字的标准，不同操作系统都有类似接口，包括Linux和Window；大多数其他的编程语言也使用了与Berkeley套接字类似的接口。  
  
          Berkeley套接字API库提供的函数包括：  
          1.  **socket()** 创建一个新的确定类型的套接字，类型用一个整型数值标识（文件描述符），并为它分配系统资源。  
          2.  **bind()** 一般用于服务器端，将一个套接字与一个套接字地址结构相关联。  
          3.  **listen()** 用于服务器端，使一个绑定的TCP套接字进入监听状态。  
          4.  **connect()** 用于客户端，为一个套接字分配一个自由的本地端口号。 如果是TCP套接字的话，它会试图获得一个新的TCP连接。  
          5.  **accept()** 用于服务器端。 它接受一个从远端客户端发出的创建一个新的TCP连接的接入请求，创建一个新的套接字，与该连接相应的套接字地址相关联。  
          6.  **send()**和 **recv()**,或者 **write()**和 **read()**,或者 **recvfrom()**和 **sendto()**, 用于往/从远程套接字发送和接受数据。  
          7. ** close()** 用于系统释放分配给一个套接字的资源。 如果是TCP，连接会被中断。  
          8.  **shutdown()** 用于关闭socket连接。该函数允许只停止在某个方向上的数据传输，而一个方向上的数据传输继续进行。  
          9.  **gethostbyname()**和 **gethostbyaddr()** 用于解析主机名和地址。  
          10.  **select()** 用于修整有如下情况的套接字列表： 准备读，准备写或者是有错误。  
          11.  **poll()** 用于检查套接字的状态。 套接字可以被测试，看是否可以写入、读取或是有错误。  
          12.  **getsockopt()** 用于查询指定的套接字一个特定的套接字选项的当前值。  
          13.  **setsockopt()** 用于为指定的套接字设定一个特定的套接字选项。  
          14.  **htons()**、 **htonl()**、 **ntohs()**、 **ntohl()** 用于网络序和本机序转换。  
          15.  **inet\_addr()** 用于字符串形式的IP地址和网络序形式的IP地址的转换。  
          16.  **inet\_ntoa()** 用于网络序形式的IP地址和字符串形式的IP地址的转换。

# 2. 结构体和函数 #

## 2.1 结构体 ##

套接字用到的各种数据类型  
          1. socket描述符。它是一个int值。在window下可能被定义为SOCKET，SOCKET也是一个int值，根据平台不同，被定义为int32或者int64。

struct sockaddr { 
    　　 unsigned short sa_family; /* 地址家族, AF_xxx */ 
    　　 char sa_data[14]; /*14字节协议地址*/ 
    };

这个结构被为许多类型的套接字储存套接字地址信息。sa\_family一般为"AF\_INET"，sa\_data包含套接字中的目标地址和端口信息。在一个字符数组中同时存储目标地址和端口信息非常令人困惑，所以还存在一个并列的结构，struct sockaddr\_in ("in" 代表 "Internet"。)，其定义如下：

#include <netinet/in.h>
    struct sockaddr_in { 
    　　 short int sin_family; /* 通信类型 */ 
    　　 unsigned short int sin_port; /* 端口 */ 
    　　 struct in_addr sin_addr; /* Internet 地址 */ 
    　　 unsigned char sin_zero[8]; /* 与sockaddr结构的长度相同*/ 
    };

可以看到其中sin\_zero 被加入到这个结构，目的是为了使sockaddr\_in和 struct sockaddr 长度一致，可以使用函数 bzero() 或 memset() 来全部置零。 而 sin\_family 和 struct sockaddr 中的 sa\_family 一致，能够设置为 "AF\_INET"。结构体 sin\_port和 sin\_addr 则是网络字节顺序 (Network Byte Order)。(关于网络序可见文章[数据类型转换][Link 1])

struct in\_addr的定义如下:

#include <netinet/in.h>
    struct in_addr { 
    　　 unsigned long s_addr; 
    };

## 2.2 字节转换: ##

htons()--"Host to Network Short"
    htonl()--"Host to Network Long"
    ntohs()--"Network to Host Short"
    ntohl()--"Network to Host Long"

其中 short (两个字节)和 long (四个字节)。这些函数对于变量类型 unsigned 也是适用对。假设想将 short 从本机字节顺序转换为网络字节顺序。可以用 "h" 表示 "本机 (host)"，接着是 "to"，然后用 "n" 表示 "网络 (network)"，最后用 "s" 表示 "short"： h-to-n-s, 或者 htons() ("Host to Network Short")。

## 2.3 IP 地址和字符串转化： ##

inet\_addr()和inet\_ntoa() 用于字符串和int值之间的字符串转换。使用如下：

sockaddr_in ina；
    ina.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1");
    
    char *a1;
    a1 = inet_ntoa(ina.sin_addr); /* 这是192.168.1.1*/
    printf("address 1: %s/n",a1);

## 2.4 函数： ##

### 2.4.1 socket()函数 ###

#include <sys/types.h>; 
    #include <sys/socket.h>; 
    int socket(int domain, int type, int protocol);

**参数 domain: **通常被设置成 "AF\_INET"。  
           **参数 type: **告诉内核是 SOCK\_STREAM 类型还是 SOCK\_DGRAM 类型。  
           **参数 protocol :**通常被设置为 "0"。  
          如果需要更多的信息，可以看 socket() 的 man帮助。  
           **返回值： **socket() 只是返回你以后在系统调用种可能用到的 socket 描述符，在错误的时候返回-1。全局变量 errno 中将储存返回的错误值。

### 2.4.2 connect()函数 ###

#include <sys/types.h>; 
    #include <sys/socket.h>;
    int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);

**          参数 sockfd** ：是系统调用 socket() 返回的套接字文件描述符。  
**          参数 serv\_addr ：**是 保存着目的地端口和 IP 地址的数据结构 struct sockaddr。  
**          参数 addrlen： **设置 为 sizeof(struct sockaddr)。  
          connect() 函数只用于客户端，使socket变成主动socket (active socket)

### 2.4.3 bind()函数 ###

#include <sys/types.h>;
    #include <sys/socket.h>;
    int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

**          参数 sockfd ：**是调用 socket 返回的文件描述符。  
**          参数 my\_addr ：**是指向数据结构 struct sockaddr 的指针，它保存地址(即端口和 IP 地址) 信息。如果IP地址信息为INADDR\_ANY， 表示不关心本地地址信息。在存在多个IP地址的情况下，所有的IP都会进行被绑定。  
**          参数 addrlen ：**设置为 sizeof(struct sockaddr)。  
**          返回值：**bind() 在错误的时候依然是返回-1，并且设置全局错误变量errno。   
  
  
          使用bind()函数需要注意以下一些问题：  
          1. bind() 函数只用于服务器端，使socket变成被动socket (passive socket)  
          2. 不要采用小于 1024的端口号。所有小于1024的端口号都被系统保留！可以选择1024 到65535之间的端口。见 [<《计算机网络》 读书笔记(四) 运输层>][Link 2] "1.1.3 运输层端口"。  
          3. 按照下面的写法可以让系统自动处理端口和地址。

my_addr.sin_port = htons(0); /* 随机选择一个没有使用的端口 */ 
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);/* 使用自己的IP地址 */

### 2.4.4 listen()函数 ###

int listen(int sockfd, int backlog);

**          参数 sockfd ：**是调用 socket() 返回的套接字文件描述符。

**          参数backlog：** 是在进入队列中允许的连接数目。 进入的连接是在队列中一直等待直到你接受连接。它们的数目限制于队列的允许。 大多数系统的允许数目是20。  
**          返回值：**和别的函数一样，在发生错误的时候返回-1，并设置全局错误变量 errno。  
          listen() 函数只用于服务器端

### 2.4.5 accept()函数 ###

调用 accept() 将返回一个新的套接字文件描述符。新的套接字可以用于发送 (send()) 和接收 ( recv()) 数据。

#include <sys/socket.h>;
    int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);

**          参数 sockfd ：**相当简单，是和 listen() 中一样的套接字描述符。  
**          参数 addr： **是个指向局部的数据结构 sockaddr\_in 的指针。这是一个传出参数，可以用于测定那个地址在那个端口呼叫，这用于机器存在多个IP地址的情况。  
**          参数 addrlen ：**是个局部的整形变量，设置为 sizeof(struct sockaddr\_in)。   
**          返回值：**同样，在错误时返回-1，并设置全局错误变量 errno。

### 2.4.6 send()函数 ###

#include <sys/socket.h>;
    int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);

**          参数 sockfd ：**是你想发送数据的套接字描述符(或者是调用 socket() 或者是 accept() 返回的。  
**          参数 msg ：**是指向你想发送的数据的指针。  
**          参数 len ：**是数据的长度。   
**          参数 flags ：**用于操作数据发送时TCP层的一些特性，如发送外带数据，通常设置为 0。  
           **返回值：**send() 返回实际发送的数据的字节数--它可能小于要求发送的数目。 注意，有时候你告诉它要发送一堆数据可是它不能处理成功。它只是发送它可能发送的数据，然后希望你能够发送其它的数据。  
          如果 send() 返回的数据和 len 不匹配，你就应该发送其它的数据。  
**          **它在错误的时候返回-1，并设置 errno。

### 2.4.7 recv()函数 ###

#include <sys/socket.h>;
    int recv(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flags);

**          参数 sockfd ：**是要读的套接字描述符。  
**          参数 buf ：**是要读的信息的缓冲。  
**          参数 len： **是缓 冲的最大长度。  
**          参数flags ：**用于控制读取行为的一些属性，如读取外带数据或者查询buf而不读取数据等，通常设置为0。  
**          返回值：**recv() 返回实际读入缓冲的数据的字节数。或者在错误的时候返回-1， 同时设置 errno。

### 2.4.8 sendto()函数 ###

#include <sys/socket.h>;
    int sendto(int sockfd, const void *msg, int len, unsigned int flags,  const struct sockaddr *to, int tolen);

sendto用于无连接数据报套接字，也就是UDP协议数据发送。  
**          参数 sockfd** ：是你想发送数据的套接字描述符(或者是调用 socket() 或者是 accept() 返回的。  
**          参数 msg： **是指向你想发送的数据的指针。  
**          参数 len:** 是数据的长度。   
**          参数 flags: **通常设置为0，UDP协议中是不存在外带数据的。  
**          参数 to :**是个指向数据结构 struct sockaddr 的指针，包含了目的地的 IP 地址和端口信息。  
**          参数 tolen: **可以简单地设置为 sizeof(struct sockaddr)。   
**          返回值：**和函数 send() 类似，sendto() 返回实际发送的字节数(它也可能小于 你想要发送的字节数)，或者在错误的时候返回 -1。

### 2.4.9 recvfrom()函数 ###

recvfrom用于无连接数据报套接字，也就是UDP协议数据接受。  
**          参数 sockfd： **是要读的套接字描述符。  
**          参数 buf ：**是要读的信息的缓冲。  
**          参数 len： **是缓 冲的最大长度。  
**          参数 flags ：**用于控制读取行为的一些属性，通常设置为0，同样由于UDP协议不支持外带数据，flags也无法设置为读取外带数据。

**          参数 from： **是一个指向局部数据结构 struct sockaddr 的指针，它的内容是源机器的 IP 地址和端口信息。

**          参数 fromlen：** 是个int 型的局部指针，它的初始值为 sizeof(struct sockaddr)。函数调用返回后，fromlen 保存着实际储存在 from 中的地址的长度。

**          返回值：**recvfrom() 返回收到的字节长度，或者在发生错误后返回 -1。  
  
          send() 和 recv() 也可以用于UDP数据传输，只要在创建socket时指定协议类型为SOCK\_DGRAM。

### 2.4.10 close()函数 ###

void close(sockfd);

**          参数 sockfd ：**是要关闭的套接字描述符  
          close用于优雅的关闭socket连接，在TCP下它将按照标准TCP四次握手执行。它可以防止对套接字进行更多的数据读写，任何在另一端读写套接字的企图都将返回错误信息。

### 2.4.11 shutdown()函数 ###

int shutdown(int sockfd, int how);

它允许你将一定方向上的通讯或者双向的通讯(就象close()一 样)关闭，你可以使用：  
           **参数 sockfd： **是想要关闭的套接字文件描述符。  
           **参数 how ：**的值是下面的其中之 一：  
　　 0 – 不允许接受  
　 　1 – 不允许发送  
         2 – 不允许发送和接受(和 close() 一样)  
         shutdown() 成功时返回 0，失败时返回 -1(同时设置 errno。) 如果在无连接的数据报套接字中使用shutdown()，那么只不过是让 send() 和 recv() 不能使用。

### 2.4.12 getpeername()函数 ###

#include <sys/socket.h>;
    int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *addr, int *addrlen);

函数 getpeername() 告诉在连接的流式套接字上谁在另外一边。一旦获得它们的地址，就可以使用 inet\_ntoa() 或者 gethostbyaddr() 来打印或者获得更多的信息。  
**          参数 sockfd** ：是连接的流式套接字的描述符。  
**          参数 addr ：**是一个指向结构 struct sockaddr (或者是 struct sockaddr\_in) 的指针，它保存着连接的另一边的 信息。  
**          参数 addrlen ：**是一个 int 型的指针，它初始化为 sizeof(struct sockaddr)。  
**          返回值：**函数在错误的时候返回 -1，设置相应的 errno。

### 2.4.13 gethostname()函数 ###

#include <unistd.h>;
    int gethostname(char *hostname, size_t size);

`          它返回程序所运行的机器的主机名字。然后你可以使用 gethostbyname() 以获得机器的 IP 地址。           参数 hostname： 是一个字符数组指针，它将在函数返回时保存主机名。           参数 size：是hostname 数组的字节长度。           返回值：函数调用成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置 errno。 2.4.14 gethostbyname()函数`

#include <netdb.h>;
    struct hostent *gethostbyname(const char *name);

它主要的功能是：给它一个容易记忆的某站点的地址，它转换出IP地址。  
**          返回值：**它返回一个指向 struct hostent 的指针。这个数据结构如下：

struct hostent {
    　　 char *h_name;		//地址的正式名称
    　　 char **h_aliases;		//空字节-地址的预备名称的指针。
    　　 int h_addrtype;		//地址类型; 通常是AF_INET。
    　　 int h_length;		//地址的比特长度
    　　 char **h_addr_list;	//零字节-主机网络地址指针。网络字节顺序
    };
    #define h_addr h_addr_list[0]   //h_addr_list中的第一地址

gethostbyname() 成功时返回一个指向结构体 hostent 的指针，或者 是个空 (NULL) 指针。和以前不同，不设置errno，而用h\_errno 设置错误信息。获取错误信息需要使用 herror()函数。

### 2.4.15 gethostbyaddr()函数 ###

#include <netdb.h>;
    struct hostent gethostbyaddr(const char* addr, int len, int type);

**          参数 addr** ：指向网络字节顺序地址的指针。  
**          参数 len：** 地址的长度，在AF\_INET类型地址中为4。  
**          参数 type：** 地址类型，应为AF\_INET。  
**          返回值：**它返回一个指向 struct hostent 的指针。hostent定义同上。  
          gethostbyaddr() 成功时返回一个指向结构体 hostent 的指针，或者 是个空 (NULL) 指针。和以前不同，不设置errno，而用h\_errno 设置错误信息。获取错误信息需要使用 herror()函数。

### 2.4.16 select()函数 ###

select() 函数可以同时监视多个套接字。它可以告诉你哪个套接字准备读，哪个又准备写，哪个套接字又发生了例外 (exception)。

#include <sys/time.h>;
    #include <sys/types.h>;
    #include <unistd.h>;
    int select(int numfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

**          参数 numfds ：**应该等于最高的文件描述符的值加1。  
**          参数 readfds：**为可读文件集  
**          参数 writefds：**为可写文件集  
**          参数 exceptfds：**为异常文件集  
           **参数 timeout：**为超时时间，数据结构 struct timeval 如下：

struct timeval { 
    　　 int tv_sec; /* seconds */ 
    　　 int tv_usec; /* microseconds */ 
    };

当函数 select() 返回的时候，readfds 的值修改为反映你选择的哪个文件描述符可以读。可以用下面讲到的宏 FD\_ISSET() 来测试。   
          对这些集合进行操作系统定义了一些宏，每个集合类型都是 fd\_set。  
          ** FD\_ZERO(fd\_set \*set)** – 清除一个文件描述符集合   
          ** FD\_SET(int fd, fd\_set \*set) -** 添加fd到集合   
           **FD\_CLR(int fd, fd\_set \*set)** – 从集合中移去fd   
          ** FD\_ISSET(int fd, fd\_set \*set)** – 测试fd是否在集合中

### 2.4.17 poll()函数 ###

#include <poll.h>
    int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)；

**          ****参数 fds：**是一个struct pollfd结构类型的数组，用于存放需要检测其状态的Socket描述符；每当调用这个函数之后，系统不会清空这个数组，操作起来比较方便；特别是对于socket连接比较多的情况下，在一定程度上可以提高处理的效率；这一点与select()函数不同，调用select()函数之后，select()函数会清空它所检测的socket描述符集合，导致每次调用select()之前都必须把socket描述符重新加入到待检测的集合中；因此，select()函数适合于只检测一个socket描述符的情况，而poll()函数适合于大量socket描述符的情况；

**         **struct pollfd结构定义如下:

truct pollfd {
             int fd; /*文件描述符*/
             short events; /* 等待的需要测试事件 */ 
             short revents; /* 实际发生了的事件，也就是返回结果 */
    };

**         ** event和revents可为下列选项：

**          ****POLLIN**                            普通或优先级带数据可读  
**          ****POLLRDNORM**              普通数据可读  
**         **** POLLRDBAND      **         优先级带数据可读  
**          ****POLLPRI          **               高优先级数据可读  
**          ****POLLOUT              **          普通数据可写  
**         **** POLLWRNORM        **      普通数据可写  
**          ****POLLWRBAND**               优先级带数据可写  
**          ****POLLERR**                        发生错误  
**   ** **      POLLHUP      **                  发生挂起  
**          ****POLLNVAL      **                 描述字不是一个打开的文件

**          参数 nfds：**nfds\_t类型的参数，用于标记数组fds中的结构体元素的总数量；

**          ** **参数 timeout：**是poll函数调用阻塞的时间，单位：毫秒；  
**         ** ** 返回值:**  
**          **>0：数组fds中准备好读、写或出错状态的那些socket描述符的总数量；  
**          **==0：数组fds中没有任何socket描述符准备好读、写，或出错；此时poll超时，超时时间是timeout毫秒；换句话说，如果所检测的socket描述符上没有任何事件发生的话，那么poll()函数会阻塞timeout所指定的毫秒时间长度之后返回，如果timeout==0，那么poll() 函数立即返回而不阻塞，如果timeout==INFTIM，那么poll() 函数会一直阻塞下去，直到所检测的socket描述符上的感兴趣的事件发生是才返回，如果感兴趣的事件永远不发生，那么poll()就会永远阻塞下去；  
**          **\-1： poll函数调用失败，同时会自动设置全局变量errno；  
**         ** poll()函数与select()十分相似，当返回正值时，代表满足响应事件的文件描述符的个数，如果返回0则代表在规定时间内没有事件发生。如发现返回为负则应该立即查看 errno，因为这代表有错误发生。如果没有事件发生，revents会被清空，所以你不必多此一举。  
  
  
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