Socket 網(wǎng)絡(luò)編程框架

Socket（套接字）是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)編程概念，描述了一個(gè)通信端點(diǎn)（Endpoint），用于建立網(wǎng)絡(luò)連接（Connection）并傳輸數(shù)據(jù)。

Linux Kernel 提供了一套面向 Socket 的網(wǎng)絡(luò)編程框架，并通過提供一組標(biāo)準(zhǔn)的 System call APIs，使得開發(fā)者可以在 Userspace 中便捷的開發(fā)各種 Network Applications，例如：基于 HTTP 協(xié)議的 Web 服務(wù)器、基于 SMTP 協(xié)議的郵件服務(wù)器、基于 FTP 協(xié)議的文件服務(wù)器等等。

Linux Socket 網(wǎng)絡(luò)編程框架主要由 3 大模塊組成：

1. BSD Socket APIs
2. Socket Abstraction Layer
3. VFS Layer

BSD Socket APIs 概覽

BSD Socket APIs（Berkeley Software Distribution Socket APIs），是面向 Userspace Application 的接口封裝層，提供了一套兼容絕大部分網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議族的標(biāo)準(zhǔn) Socket APIs。

• socket()：創(chuàng)建一個(gè)新的 socket，返回一個(gè) int 類型的 socket fd（File Descriptor，套接字文件描述符），用于后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)連接操作。
• bind()：將 socket 與一個(gè)本地 IP:Port 綁定，通常用于服務(wù)端，以便在本地監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)連接。
• connect()：建立與遠(yuǎn)程主機(jī)的連接，通常用于客戶端，以便連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器。
• listen()：開始監(jiān)聽來自遠(yuǎn)程主機(jī)的連接請求，通常用于服務(wù)器端，等待來自客戶端的連接請求。
• accept()：接受一個(gè)連接請求，返回一個(gè)新的 socket fd，通常用于服務(wù)器端，用于接收客戶端的連接請求。
• send()：向 socket 發(fā)送數(shù)據(jù)。
• recv()：從 socket 接收數(shù)據(jù)。
• close()：關(guān)閉 socket 連接。

Socket API 的使用通常可以分為以下幾個(gè)步驟：

1. 創(chuàng)建套接字：使用 socket() 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的 socket fd。
2. 配置套接字：使用一些其他的 Socket API 函數(shù)，例如 bind()、connect() 和 listen() 來配置 socket，使其能夠接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。
3. 數(shù)據(jù)傳輸：使用 send() 和 recv() 函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
4. 關(guān)閉套接字：使用 close() 函數(shù)關(guān)閉 socket 連接。

需要注意的是，Socket API 并不是線程安全的，如果有多個(gè)線程同時(shí)使用了同一個(gè) socket fd，則可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或其他問題。為了避免這種情況，Application 需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐胶蛿?shù)據(jù)處理。

Socket Abstraction Layer

Socket Abstraction Layer（Socket 抽象層），是 Socket API 的底層支撐，主要負(fù)責(zé)以下工作：

1. 實(shí)現(xiàn)了 Socket File System（套接字文件系統(tǒng)），用于管理 User Process 和 socket fd 之間的關(guān)系，包括 socket fd 的創(chuàng)建、打開、讀寫等操作。
2. 實(shí)現(xiàn)了 Struct Socket、Struct Sock、Protocol Family（協(xié)議族）、Address Family（地址族）等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
3. 實(shí)現(xiàn)了 TCP/IP 協(xié)議棧，包括：TCP、UDP、ICMP 等協(xié)議。
4. 實(shí)現(xiàn)了 L4 傳輸層功能，處理傳輸層協(xié)議的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸、連接維護(hù)等操作。

Socket & Sock

• Struct Socket 是在 Socket Layer 中定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，面向上層 Socket API，包含了一個(gè) Socket 所具有的各種屬性，例如：狀態(tài)、類型、標(biāo)記、關(guān)聯(lián)的 Sock 等。
• Struct Sock 是在 Sock Layer 中定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，面向底層協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，表示一個(gè) Socket 對(duì)應(yīng)的 PCB（Protocol Control Block，協(xié)議控制塊），即：與某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相關(guān)的一些信息和狀態(tài)，例如：TCP PCB 就包括了 TCP 連接狀態(tài)、發(fā)送緩沖區(qū)、接收緩沖區(qū)、擁塞窗口等。

Socket Layer 與 Network Driver（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）之間通過 Socket Buffer（skb_buff）進(jìn)行交互，當(dāng) Socket Layer 接收到 Application 的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 Socket Buffer 中，并將 Socket Buffer 傳遞給對(duì)應(yīng)的 Sock Layer 進(jìn)行處理。Struct Socket 和 Struct Sock 之間通過指針進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定，共同實(shí)現(xiàn) Socket API 的功能。

Socket Layer

// linux/include/linux/net.h

/**

• struct socket - general BSD socket
• @state: socket state (%SS_CONNECTED, etc)
• @type: socket type (%SOCK_STREAM, etc)
• @flags: socket flags (%SOCK_NOSPACE, etc)
• @ops: protocol specific socket operations
• @file: File back pointer for gc
• @sk: internal networking protocol agnostic socket representation
• @wq: wait queue for several uses
  */
  struct socket {
  socket_state state;
  short type; // 套接字類型，如 SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM 等；
  unsigned long flags; // 套接字標(biāo)志，如 O_NONBLOCK、O_ASYNC 等；
  struct file *file; // 套接字對(duì)應(yīng)的文件結(jié)構(gòu)體；
  struct sock *sk; // 指向套接字對(duì)應(yīng)的 Sock 結(jié)構(gòu)體；
  const struct proto_ops *ops; // 套接字對(duì)應(yīng)的操作函數(shù)集，如 inet_stream_ops、inet_dgram_ops 等；
  struct socket_wq wq; // 套接字等待隊(duì)列；
  };

typedef enum
{
SS_FREE=0; // 未分配
SS_UNCONNECTED; // 未連接到任何套接字
SS_CONNECTING; // 處于連接過程中
SS_CONNECTED; // 已經(jīng)連接到另一個(gè)套接字
SS_DISCONNECTING; // 處于斷開連接過程中
} socket_state;

Sock Layer

Struct Sock 包含了 Socket 的各種底層執(zhí)行狀態(tài)和操作信息，例如：接收和發(fā)送緩沖區(qū)、套接字隊(duì)列、套接字協(xié)議信息等。

// linux/include/net/sock.h

struct sock {
/* Socket family and type */
unsigned short family; // 協(xié)議族，如 AF_INET、AF_PACKET 等；
__u16 type; // 套接字類型，如 SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM 等；
unsigned long flags; // 套接字標(biāo)志，如 O_NONBLOCK、O_ASYNC 等；

/* Protocol specific elements of the socket */
struct proto        *ops;      // 協(xié)議特定操作函數(shù)集；
struct net_device   *sk_net;   // 套接字所在的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；

/* Memory allocation cache */
kmem_cache_t        *sk_slab;  // 套接字內(nèi)存分配緩存；

/* Socket state */
atomic_t            refcnt;    // 套接字引用計(jì)數(shù)；
struct mutex        sk_lock;   // 套接字鎖，用于保護(hù)套接字狀態(tài)的一致性；

/* Send and receive buffers */

struct sk_buff_head sk_receive_queue; // 接收隊(duì)列，保存了等待接收的數(shù)據(jù)包；
struct sk_buff_head sk_write_queue; // 發(fā)送隊(duì)列，保存了等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包；
struct sk_buff *sk_send_head; // 發(fā)送緩沖區(qū)的頭指針；
struct sk_buff *sk_send_tail; // 發(fā)送緩沖區(qū)的尾指針；

/* Receive queue */
struct sk_buff      *sk_receive_skb;   // 當(dāng)前正在接收的數(shù)據(jù)包；

/* Transport specific fields */
__u32           sk_priority;           // 套接字優(yōu)先級(jí)；
struct dst_entry    *sk_dst_cache;     // 緩存的目標(biāo)設(shè)備；
struct dst_entry    *sk_dst_pending_confirm;
struct flowi        sk_fl;             // Flowi 結(jié)構(gòu)體，保存了套接字相關(guān)的流信息；
struct sk_filter    *sk_filter;        // 過濾器；
struct sk_buff_head sk_async_wait_queue;  // 異步等待隊(duì)列；

/* Socket buffer allocations */
unsigned long       sk_wmem_alloc;  // 發(fā)送緩沖區(qū)已分配的內(nèi)存；
unsigned long       sk_omem_alloc;

/* User and kernel buffers */
struct socket_wq    *sk_wq;   // 套接字等待隊(duì)列；
struct page_frag    sk_frag;  // 內(nèi)存分配器的頁片段；
int         sk_forward_alloc; // 前向分配的字節(jié)數(shù)；
int         sk_rxhash;        // 套接字是否支持接收哈希。

};

Protocol Family

Socket 支持廣泛的 PFs，主要有以下 4 類：

1. PF_INETv4v6 sockets（IP Socket）：基于 IPv4v6 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，支持 TCP、UDP 傳輸層協(xié)議。

• SOCK_STREAM：TCP 字節(jié)流式傳輸。
• SOCK_DGRAM：UDP 數(shù)據(jù)包式傳輸。
• SOCK_RAW：原始套接字，可以處理 IPv4、ICMP、IGMP 等報(bào)文，常用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽、檢驗(yàn)新的協(xié)議或者訪問新的設(shè)備。
• PF_PACKET sockets（Packet Socket）：基于 Device Driver（設(shè)備驅(qū)動(dòng)），支持對(duì)底層數(shù)據(jù)包的捕獲和注入，常用于網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等場景，例如：網(wǎng)絡(luò)嗅探、協(xié)議分析、數(shù)據(jù)包過濾等。
• PF_NETLINK sockets（Netlink Socket）：支持 Kernel Space 和 User Space 之間的通信，常用于網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等場景，例如：獲取內(nèi)核中的網(wǎng)絡(luò)信息、配置內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等。
• PF_UNIX sockets（UNIX socket）：用于 Unix-like 系統(tǒng)中的多進(jìn)程之間通信。

值得注意的是，雖然不同的協(xié)議族都使用了同一套 Socket API，但也可能會(huì)存在一些特有的函數(shù)或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)協(xié)議族特有的功能。例如：

• PF_PACKET 協(xié)議族可以使用 pcap 庫來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包捕獲和注入；
• PF_NETLINK 協(xié)議族可以使用 netlink 庫來進(jìn)行內(nèi)核和用戶空間之間的通信。

但是，這些特有的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常不會(huì)影響套接字編程接口的基本使用方式和語法。

VFS Layer

VFS Layer 屬于 Linux VFS sub-system（虛擬文件子系統(tǒng)），提供了一組通用的 Linux File System Call APIs（SCI），使得 Application 可以使用相同的 API 來完成文件 I/O。

當(dāng) Application 使用 Socket API 發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，Socket Abstraction Layer 會(huì)借助 VFS Layer 來完成 Socket File System 的管理。例如：

• Application 調(diào)用 Socket API socket() 創(chuàng)建 socket 時(shí)：在 VFS I/O Layer 中，Socket FD 文件句柄被創(chuàng)建。
• Application 調(diào)用 Socket API close() 關(guān)閉 socket 時(shí)：在 VFS I/O Layer 中，文件句柄被釋放，并釋放相關(guān)資源。

PF_INET sockets

PF_INET sockets 基于 IPv4v6 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，支持 TCP、UDP 等傳輸層協(xié)議。是 Linux 網(wǎng)絡(luò)編程中最常用到的協(xié)議族。

1、創(chuàng)建套接字

socket()

函數(shù)功能：創(chuàng)建一個(gè)新的套接字，返回一個(gè) int 類型的套接字文件描述符（作為 Linux 文件操作的句柄），用于后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)連接操作。

函數(shù)原型：

• af 參數(shù)：指定 Socket AF（Address Family，地址族），對(duì)于 PF_INETv4v6 sockets 而言，可選：
• AF_INET
• AF_INET6
• type 參數(shù)：指定數(shù)據(jù)傳輸方式，可選：
• SOCK_STREAM（面向連接的 TCP）
• SOCK_DGRAM（無連接的 UDP）
• SOCK_RAW（原始 IP 數(shù)據(jù)包）
• protocol：指定具體的傳輸層協(xié)議，可選：
• IPPROTO_TCP
• IPPTOTO_UDP
• 函數(shù)返回值：
• 成功：返回 Socket fd。
• 失敗：返回 -1。

#include

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

示例：

// 創(chuàng)建 TCP 套接字
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

// 創(chuàng)建 UDP 套接字
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

setsockopt()

函數(shù)功能：用于設(shè)置 Socket 的選項(xiàng)值。

函數(shù)原型：

• sockfd 參數(shù)：指定 socket fd。
• level 參數(shù)：指定選項(xiàng)的協(xié)議層，可選 SOL_SOCKET、IPPROTO_TCP、IPPROTO_IP 等。
• optname 參數(shù)：指定要設(shè)置的選項(xiàng)名。
• SO_REUSEADDR：int 類型，表示重用 IP 地址。
• SO_KEEPALIVE：int 類型，用于啟用/禁用 Keepalive（保持連接）功能。
• SO_LINGER：struct linger 類型，用于指定關(guān)閉套接字時(shí)的行為。
• TCP_NODELAY：int 類型，用于禁用 Nagle 算法，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。
• optval 參數(shù)：指定存放選項(xiàng)值的緩沖區(qū)入口。
• optlen 參數(shù)：指定選項(xiàng)值緩沖區(qū)的長度。
• 函數(shù)返回值：
• 成功：0。
• 失敗：-1，并設(shè)置了 errno 錯(cuò)誤碼。

#include

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

2、配置套接字

bind()

將 Socket 與主機(jī)中的某個(gè) IP:Port 綁定起來。

函數(shù)作用：將套接字與一個(gè)本地 IP:Port 綁定。通常用于服務(wù)端，以便在本地監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)連接。函數(shù)原型：

• sock 參數(shù)：指定 Server socket 文件描述符。
• addr 參數(shù)：指定 Server sockaddr 結(jié)構(gòu)體變量，指針類型。
• addrlen 參數(shù)：指定 addr 變量的大小，使用 sizeof() 計(jì)算得出。
• 函數(shù)返回值：
• 失敗：返回 -1。

#include

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

示例：

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

struct sockaddr_in tcp_socket_addr; // 定義 Server Socket Address
memset(&tcp_socket_addr, 0, sizeof(tcp_socket_addr)); // 初始化結(jié)構(gòu)體內(nèi)存

tcp_socket_addr.sin_family = PF_INET;
tcp_socket_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // 定義本地 IP 地址
tcp_socket_addr.sin_port = htons(1314); // 定義本地 Port

bind(tcp_socket, (sockaddr *)&tcp_socket_addr, sizeof(sockaddr)); // 綁定

其中 sockaddr_in 結(jié)構(gòu)類型的聲明如下。使用時(shí)，需要先定義并初始化 sockaddr_in，然后再將它強(qiáng)制轉(zhuǎn)化成 sockaddr 來使用。2 個(gè)結(jié)構(gòu)體長度均為 16B，其中，sockaddr_in.sin_family 的 2B 存入 sockaddr.sa_family，剩下的 14B 存入 sockaddr.sa_data。

這樣做是為了在后續(xù)的各種操作中可以更方便的處理 IP 地址和 Port 號(hào)。

#include

struct in_addr {
unsigned long a_addr;
}

struct sockaddr_in {
unsigned short sin_family; // 地址類型（2B）
unsigned short int sin_port; // 端口號(hào)（2B）
struct in_addr sin_addr; // IP 地址（4B）
unsigned char sin_zero[8]; // 填充空間（8B）
}

struct sockaddr {
unsigned short sa_family; // 地址類型（2B）
char sa_data[14]; // 協(xié)議地址（14B）
}

另外，IPv6 的結(jié)構(gòu)體聲明如下：

struct sockaddr_in6
{
sa_family_t sin6_family; // 地址類型，取值為 AF_INET6
in_port_t sin6_port; // 16 位端口號(hào)
uint32_t sin6_flowinfo; // IPv6 流信息
struct in6_addr sin6_addr; // 具體的 IPv6 地址
uint32_t sin6_scope_id; // 接口范圍 ID
};

如果 sock_addr.sin_port 賦值為 0，或者沒有調(diào)用 bind()，而直接調(diào)用 listen()，那么 Kernel 會(huì)自動(dòng)為 Socket 臨時(shí)分配一個(gè) Port。此時(shí)需要調(diào)用 getsockname() 來獲取具體的端口信息。

getsockname(httpd, (struct sockaddr *)&name, &namelen);
ntohs(name.sin_port);

listen()

函數(shù)作用：開始監(jiān)聽來自遠(yuǎn)程主機(jī)的連接請求。通常用于服務(wù)器端，在套接字上等待來自客戶端的連接請求。

函數(shù)原型：

• sock 參數(shù)：指定需要進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)的 Server socket 文件描述符。
• backlog 參數(shù)：指定請求隊(duì)列的最大長度，當(dāng)隊(duì)列滿了之后，就不再接收請求。
• 函數(shù)返回值：
• 失敗：返回 -1。

#include

int listen(int sock, int backlog);

connect()

函數(shù)作用：建立與遠(yuǎn)程主機(jī)的連接。通常用于客戶端，以便連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器。函數(shù)原型：

• sock 參數(shù)：指定 Client socket 文件描述符。
• serv_addr 參數(shù)：指定 Server sockaddr 結(jié)構(gòu)體變量，指針類型。
• addrlen 參數(shù)：指定 addr 變量的大小，使用 sizeof() 計(jì)算得出。
• 函數(shù)返回值：
• 失敗：返回 -1。

#include

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

示例：

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

struct sockaddr_in server_sock_addr; // 定義 Server Socket Address
memset(&server_sock_addr, 0, sizeof(server_sock_addr)); // 初始化結(jié)構(gòu)體內(nèi)存

server_sock_addr.sin_family = PF_INET;
server_sock_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // 定義本地 IP 地址
server_sock_addr.sin_port = htons(1314); // 定義本地 Port

connect(cli_socket, (sockaddr *)&server_sock_addr, sizeof(sockaddr));

accept()

函數(shù)作用：接受一個(gè)連接請求，返回一個(gè)新的、表示客戶端的 Socket 文件描述符，作為服務(wù)端和客戶端之間發(fā)送與接收操作的句柄。通常用于服務(wù)器端，用于接收客戶端的連接請求。

函數(shù)原型：

• sock 參數(shù)：指定 Server socket 文件描述符。
• addr 參數(shù)：指定 Client sockaddr 結(jié)構(gòu)體變量，指針類型。
• addrlen 參數(shù)：指定 addr 變量的大小，使用 sizeof() 計(jì)算得出。
• 函數(shù)返回值：
• 成功：返回 Client socket fd。
• 失敗：返回 -1。

#include

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

示例：

// 返回一個(gè)新的套接字，用于后續(xù)的發(fā)送和接收
int cli_socket = accept(server_socket, (sockeraddr *)&cli_socket_addr, &len);

getnameinfo()

函數(shù)作用：用于將一個(gè) Sock Addr 轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的 Hostname 或 Service name，以便于記錄日志或者顯示給用戶。

函數(shù)原型：

• addr：表示需要轉(zhuǎn)換的 Sock Addr；
• addrlen：表示該 Socket addr址的長度；
• host：輸出 Hostname 的存儲(chǔ)空間。
• serv：輸出 Service name 的存儲(chǔ)空間。
• hostlen：Hostname 存儲(chǔ)空間的大小。
• servlen：Service name 存儲(chǔ)空間的大小。
• flags：標(biāo)志參數(shù)，通常設(shè)置為 0。
• 函數(shù)返回值：
• 成功：返回 0。
• 失敗：返回非 0，并更新 errno 全局變量。

#include
int getnameinfo(const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen,
char *host, socklen_t hostlen,
char *serv, socklen_t servlen, int flags);

3、數(shù)據(jù)傳輸

recv() 和 send()

recv() 和 send() 函數(shù)，用于在 TCP Socket 中進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，屬于阻塞式 I/O（Blocking I/O）模式，即：如果沒有可讀數(shù)據(jù)或者對(duì)端的接收緩沖區(qū)已滿，則函數(shù)將一直等待直到有數(shù)據(jù)可讀或者對(duì)端緩沖區(qū)可寫。

recv()：從套接字接收數(shù)據(jù)。

• sockfd 參數(shù)：指定要接收 TCP 數(shù)據(jù)的 Socket 文件描述符。
• buf 參數(shù)：指定接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的入口地址。
• len 參數(shù)：指定要接收的數(shù)據(jù)的 Byte 數(shù)目。
• flags：指定接收數(shù)據(jù)時(shí)的選項(xiàng)，常設(shè)為 0。
• 函數(shù)返回值：
• 成功：返回接收的字節(jié)數(shù)。
• 失敗：返回 -1。

#include

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

send()：向套接字發(fā)送數(shù)據(jù)。

• sockfd 參數(shù)：指定要發(fā)送 TCP 數(shù)據(jù)的 Socket 文件描述符。
• buf 參數(shù)：指定發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)入的口地址。
• len 參數(shù)：指定要發(fā)送數(shù)據(jù)的 Byte 數(shù)目。
• flags 參數(shù)：指定發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的選項(xiàng)，常設(shè)為 0。
• 函數(shù)返回值：
• 成功：返回發(fā)送的字節(jié)數(shù)。
• 失敗：返回 -1。

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

recvfrom() 和 sendto()

recvfrom() 和 sendto() 函數(shù)，用于在 UDP Socket 中進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫以及獲取對(duì)端地址。這兩個(gè)函數(shù)在使用時(shí)需要指定對(duì)端的 IP:Port。

recvfrom()：

• sock 參數(shù)：指定要接收 UDP 數(shù)據(jù)的 Socket 文件描述符。
• buf 參數(shù)：指定接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的入口地址。
• nbytes 參數(shù)：指定要接收數(shù)據(jù)的 Byte 數(shù)目。
• flags 參數(shù)：指定接收數(shù)據(jù)時(shí)的選項(xiàng)，常設(shè)為 0。
• from 參數(shù)：指定源地址 sockaddr 結(jié)構(gòu)體變量的地址。
• addrlen 參數(shù)：指定 from 參數(shù)使用的長度，使用 sizeof() 獲取。
• 函數(shù)返回值：
• 成功：返回接收的字節(jié)數(shù)。
• 失敗：返回 -1。

#include

ssize_t recvfrom(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockadr *from, socklen_t *addrlen);

sendto()：

• sock 參數(shù)：指定要發(fā)送 UDP 數(shù)據(jù)的 Socket 文件描述符。
• buf 參數(shù)：指定發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的入口地址。
• nbytes 參數(shù)：指定要發(fā)送數(shù)據(jù)的 Byte 數(shù)目。
• flags 參數(shù)：指定發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的選項(xiàng)，常設(shè)為 0。
• to 參數(shù)：指定目標(biāo)地址 sockaddr 結(jié)構(gòu)體變量的地址。
• addrlen 參數(shù)：指定 to 參數(shù)使用的長度，使用 sizeof() 獲取。
• 函數(shù)返回值：
• 成功：返回發(fā)送的字節(jié)數(shù)。
• 失敗：返回 -1。

#include

ssize_t sendto(int sock, void *buf, size_t nbytes, int flags, struct sockaddr *to, socklen_t addrlen);

recvmsg() 和 sendmsg()

recvmsg() 和 sendmsg() 函數(shù)，用于在 TCP 和 UDP Socket 中進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，不僅可以讀寫數(shù)據(jù)，還可以讀寫對(duì)端地址、輔助數(shù)據(jù)等信息。

recvmsg()：

• sock 參數(shù)：指定要接收 TCP 或 UDP 數(shù)據(jù)的 Socket 文件描述符。
• msg 參數(shù)：指示將接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 msghdr 結(jié)構(gòu)體中。
• flags 參數(shù)：支持函數(shù)的行為，可選 0 或者 MSG_DONTWAIT 等標(biāo)志位。
• 函數(shù)返回值：
• 成功：返回接收的字節(jié)數(shù)。
• 失敗：返回 -1。

#include

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

sendmsg()

• sock 參數(shù)：指定要發(fā)送 TCP 或 UDP 數(shù)據(jù)的 Socket 文件描述符。
• msg 參數(shù)：指示 msghdr 結(jié)構(gòu)體中包含了要發(fā)送的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)長度等信息。
• flags 參數(shù)：支持函數(shù)的行為，可選 0 或者 MSG_DONTWAIT 等標(biāo)志位。
• 函數(shù)返回值：
• 成功：返回發(fā)送的字節(jié)數(shù)。
• 失敗：返回 -1。

#include

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

msghdr 結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct msghdr {
/* 指定接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的對(duì)端地址，可以為 NULL 或 0，表示不需要使用對(duì)端地址。*/
void msg_name; / optional address /
socklen_t msg_namelen; / size of address */

/* 指定接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和緩沖區(qū)大小，可以使用多個(gè)緩沖區(qū)同時(shí)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。*/
struct iovec *msg_iov;        /* scatter/gather array */
size_t        msg_iovlen;     /* # elements in msg_iov */

/* 指定一些附加的控制信息，可以為 NULL 或 0。*/
void msg_control; / ancillary data, see below /
size_t msg_controllen; / ancillary data buffer len */

/* 指定函數(shù)的行為，例如是否需要接收帶外數(shù)據(jù)等。/
int msg_flags; / flags on received message */
};

flags 參數(shù)類型

• MSG_PEEK：允許從接收隊(duì)列中查看數(shù)據(jù)而不將其刪除。這意味著，如果接收隊(duì)列中有數(shù)據(jù)，recv() 函數(shù)將返回?cái)?shù)據(jù)的一個(gè)副本，但是該數(shù)據(jù)仍將留在接收隊(duì)列中。這對(duì)于查看接收隊(duì)列中的數(shù)據(jù)而不實(shí)際處理它們非常有用。此外，使用 MSG_PEEK 選項(xiàng)，我們可以檢查套接字緩沖區(qū)中是否有足夠的數(shù)據(jù)可供讀取，以便稍后調(diào)用 recv() 函數(shù)。
• MSG_WAITALL：如果套接字緩沖區(qū)中沒有足夠的數(shù)據(jù)，則 recv() 函數(shù)將一直等待，直到收到請求的數(shù)據(jù)量。
• MSG_DONTWAIT：指定此標(biāo)志后，recv() 函數(shù)將立即返回，即使沒有收到數(shù)據(jù)也不會(huì)阻塞。如果沒有數(shù)據(jù)可用，則 recv() 將返回 -1，并將 errno 設(shè)置為 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。
• MSG_OOB：用于處理帶外數(shù)據(jù)，即緊急數(shù)據(jù)。帶外數(shù)據(jù)不遵循正常的傳輸控制協(xié)議（如 TCP），可以使用此標(biāo)志將其標(biāo)記為緊急數(shù)據(jù)并將其與其他數(shù)據(jù)分開處理。
• MSG_TRUNC：如果接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)比接收緩沖區(qū)長度長，則截?cái)鄶?shù)據(jù)并返回。
• MSG_CTRUNC：如果接收緩沖區(qū)中的控制消息（例如帶外數(shù)據(jù)或錯(cuò)誤消息）比接收緩沖區(qū)長度長，則截?cái)嘞⒉⒎祷亍?/li>

4、關(guān)閉套接字

close()

函數(shù)作用：關(guān)閉套接字連接。函數(shù)原型：

• fd：指定要關(guān)閉的 Socket 的文件描述符。
• 函數(shù)返回值：
• 失敗：返回 -1。

#include

int close(int fd);

TCP Socket 編程示例

服務(wù)端

#include
#include
#include
#include
#include

#include
#include

#define ERR_MSG(err_code) do {
err_code = errno;
fprintf(stderr, "ERROR code: %d n", err_code);
perror("PERROR message");
} while (0)

const int BUF_LEN = 100;

int main(void)
{
/* 配置 Server Sock 信息。*/
struct sockaddr_in srv_sock_addr;
memset(&srv_sock_addr, 0, sizeof(srv_sock_addr));
srv_sock_addr.sin_family = AF_INET;
srv_sock_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 即 0.0.0.0 表示監(jiān)聽本機(jī)所有的 IP 地址。
srv_sock_addr.sin_port = htons(6666);

/* 創(chuàng)建 Server Socket。*/
int srv_socket_fd = 0;
if (-1 == (srv_socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP))) {
    printf("Create socket file descriptor ERROR.n");
    ERR_MSG(errno);
    exit(EXIT_FAILURE);
}
/* 設(shè)置 Server Socket 選項(xiàng)。*/
int optval = 1;
if (setsockopt(srv_socket_fd,
               SOL_SOCKET,    // 表示套接字選項(xiàng)的協(xié)議層。
               SO_REUSEADDR,  // 表示在綁定地址時(shí)允許重用本地地址。這樣做的好處是，當(dāng)服務(wù)器進(jìn)程崩潰或被關(guān)閉時(shí)，可以更快地重新啟動(dòng)服務(wù)器，而不必等待一段時(shí)間來釋放之前使用的套接字。
               &optval,
               sizeof(optval)) < 0)
{
    printf("Set socket options ERROR.n");
    ERR_MSG(errno);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

/* 綁定 Socket 與 Sock Address 信息。*/
if (-1 == bind(srv_socket_fd,
               (struct sockaddr *)&srv_sock_addr,
               sizeof(srv_sock_addr)))
{
    printf("Bind socket ERROR.n");
    ERR_MSG(errno);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

/* 開始監(jiān)聽 Client 發(fā)出的連接請求。*/
if (-1 == listen(srv_socket_fd, 10))
{
    printf("Listen socket ERROR.n");
    ERR_MSG(errno);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

/* 初始化 Client Sock 信息存儲(chǔ)變量。*/
struct sockaddr cli_sock_addr;
memset(&cli_sock_addr, 0, sizeof(cli_sock_addr));
int cli_sockaddr_len = sizeof(cli_sock_addr);

int cli_socket_fd = 0;

int recv_len = 0;
char buff[BUF_LEN] = {0};

/* 永遠(yuǎn)接受 Client 的連接請求。*/
while (1)
{
    if (-1 == (cli_socket_fd = accept(srv_socket_fd,
                                      (struct sockaddr *)(&cli_sock_addr),  // 填充 Client Sock 信息。
                                      (socklen_t *)&cli_sockaddr_len)))
    {
        printf("Accept connection from client ERROR.n");
        ERR_MSG(errno);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 接收指定 Client Socket 發(fā)出的數(shù)據(jù)，*/
    if ((recv_len = recv(cli_socket_fd, buff, BUF_LEN, 0)) < 0)
    {
        printf("Receive from client ERROR.n");
        ERR_MSG(errno);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Recevice data from client: %sn", buff);

    /* 將收到的數(shù)據(jù)重新發(fā)送給指定的 Client Socket。*/
    send(cli_socket_fd, buff, recv_len, 0);
    printf("Send data to client: %sn", buff);

    /* 每處理完一次 Client 請求，即關(guān)閉連接。*/
    close(cli_socket_fd);
    memset(buff, 0, BUF_LEN);
}

close(srv_socket_fd);
return EXIT_SUCCESS;

}

客戶端

#include
#include
#include
#include
#include

#include
#include

#define ERR_MSG(err_code) do {
err_code = errno;
fprintf(stderr, "ERROR code: %d n", err_code);
perror("PERROR message");
} while (0)

const int BUF_LEN = 100;

int main(void)
{
/* 配置 Server Sock 信息。*/
struct sockaddr_in srv_sock_addr;
memset(&srv_sock_addr, 0, sizeof(srv_sock_addr));
srv_sock_addr.sin_family = AF_INET;
srv_sock_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
srv_sock_addr.sin_port = htons(6666);

int cli_socket_fd = 0;
char send_buff[BUF_LEN];
char recv_buff[BUF_LEN];

/* 永循環(huán)從終端接收輸入，并發(fā)送到 Server。*/
while (1) {

    /* 創(chuàng)建 Client Socket。*/
    if (-1 == (cli_socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)))
    {
        printf("Create socket ERROR.n");
        ERR_MSG(errno);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 連接到 Server Sock 信息指定的 Server。*/
    if (-1 == connect(cli_socket_fd,
                      (struct sockaddr *)&srv_sock_addr,
                      sizeof(srv_sock_addr)))
    {
        printf("Connect to server ERROR.n");
        ERR_MSG(errno);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 從 stdin 接收輸入，再發(fā)送到建立連接的 Server Socket。*/
    fputs("Send to server> ", stdout);
    fgets(send_buff, BUF_LEN, stdin);
    send(cli_socket_fd, send_buff, BUF_LEN, 0);
    memset(send_buff, 0, BUF_LEN);

    /* 從建立連接的 Server 接收數(shù)據(jù)。*/
    recv(cli_socket_fd, recv_buff, BUF_LEN, 0);
    printf("Recevice from server: %sn", recv_buff);
    memset(recv_buff, 0, BUF_LEN);

    /* 每次 Client 請求和響應(yīng)完成后，關(guān)閉連接。*/
    close(cli_socket_fd);
}

return EXIT_SUCCESS;

}

測試

編譯：

$ gcc -g -std=c99 -Wall tcp_server.c -o tcp_server
$ gcc -g -std=c99 -Wall tcp_client.c -o tcp_client

運(yùn)行：

1. 先啟動(dòng) TCP Server：

$ ./tcp_server

1. 查看監(jiān)聽 Socket 是否綁定成功：

$ netstat -lpntu | grep 6666
tcp 0 0 0.0.0.0:6666 0.0.0.0:* LISTEN 28675/./tcp_server

1. 啟動(dòng) TCP Client

$ ./tcp_client

UDP Socket 編程示例

·

服務(wù)端

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define BUF_LEN 100

int main(void)
{
int ServerFd;
char Buf[BUF_LEN] = {0};
struct sockaddr ClientAddr;
struct sockaddr_in ServerSockAddr;
int addr_size = 0;
int optval = 1;

/* 創(chuàng)建 UDP 服務(wù)端 Socket */
if ( -1 == (ServerFd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP)))
{
printf("socket error!n");
exit(1);
}

/* 設(shè)置服務(wù)端信息 */
memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr)); // 給結(jié)構(gòu)體ServerSockAddr清零
ServerSockAddr.sin_family = AF_INET; // 使用IPv4地址
ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 自動(dòng)獲取IP地址
ServerSockAddr.sin_port = htons(1314); // 端口

// 設(shè)置地址和端口號(hào)可以重復(fù)使用
if (setsockopt(ServerFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval)) < 0)
{
printf("setsockopt error!n");
exit(1);
}

/* 綁定操作，綁定前加上上面的socket屬性可重復(fù)使用地址 /
if (-1 == bind(ServerFd, (struct sockaddr)&ServerSockAddr, sizeof(ServerSockAddr)))
{
printf("bind error!n");
exit(1);
}

addr_size = sizeof(ClientAddr);

while (1)
{
/* 接受客戶端的返回?cái)?shù)據(jù) */
int str_len = recvfrom(ServerFd, Buf, BUF_LEN, 0, &ClientAddr, &addr_size);

printf("客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)為：%sn", Buf);

/* 發(fā)送數(shù)據(jù)到客戶端 */
sendto(ServerFd, Buf, str_len, 0, &ClientAddr, addr_size);

/* 清空緩沖區(qū) */
memset(Buf, 0, BUF_LEN);
}

close(ServerFd);

return 0;
}

客戶端

#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define BUF_LEN 100

int main(void)
{
int ClientFd;
char Buf[BUF_LEN] = {0};
struct sockaddr ServerAddr;
int addr_size = 0;
struct sockaddr_in ServerSockAddr;

/* 創(chuàng)建客戶端socket */
if (-1 == (ClientFd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP)))
{
printf("socket error!n");
exit(1);
}

/* 向服務(wù)器發(fā)起請求 */
memset(&ServerSockAddr, 0, sizeof(ServerSockAddr));
ServerSockAddr.sin_family = PF_INET;
ServerSockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
ServerSockAddr.sin_port = htons(1314);

addr_size = sizeof(ServerAddr);

while (1)
{
printf("請輸入一個(gè)字符串，發(fā)送給服務(wù)端：");
gets(Buf);
/* 發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)端 /
sendto(ClientFd, Buf, strlen(Buf), 0, (struct sockaddr)&ServerSockAddr, sizeof(ServerSockAddr));

/* 接受服務(wù)端的返回?cái)?shù)據(jù) */
recvfrom(ClientFd, Buf, BUF_LEN, 0, &ServerAddr, &addr_size);
printf("服務(wù)端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)為：%sn", Buf);

memset(Buf, 0, BUF_LEN); // 重置緩沖區(qū)
}

close(ClientFd); // 關(guān)閉套接字

return 0;
}

測試

運(yùn)行：

$ netstat -lpntu | grep 1314
udp 0 0 0.0.0.0:1314 0.0.0.0:* 29729/./udp_server

審核編輯 黃宇