C++socket编程（一）

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创建套接字

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

通过 socket() 函数创建了一个套接字，

第一个参数 AF_INET 表示是地址族（address family)，用来确定套接字将使用的网络。实际上几乎从来不需要使用任何其他类型，几乎总是使用AF_INET地址族。

AF 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet”的简写。AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。

第二个参数是套接字类型（Socket Type)，SOCK_STREAM 表示使用面向连接的数据传输方式。如果想使用数据报的数据传输方式可以使用SOCK_DGRAM。

第三个参数是协议。IPPROTO_TCP 表示使用 TCP 协议。也是最流行的SOCK_STREAM协议。最流行的SOCK_DGRAM协议是IPPROTO_UDPhe IPPROTO_ICMP。

例：

在linux下创建套接字

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

在Windows下创建socket

Windows 下也使用 socket() 函数来创建套接字，原型为：

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

除了返回值类型不同，其他都是相同的。Windows 不把套接字作为普通文件对待，而是返回 SOCKET 类型的句柄。请看下面的例子：

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SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //创建TCP套接字

另外：

有了地址类型和数据传输方式，还不足以决定采用哪种协议吗？为什么还需要第三个参数呢？

正如所想，一般情况下有了 af 和 type 两个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，除非遇到这样的情况：有两种不同的协议支持同一种地址类型和数据传输类型。如果我们不指明使用哪种协议，操作系统是没办法自动推演的。上面两种情况都只有一种协议满足条件，可以将 protocol 的值设为 0，系统会自动推演出应该使用什么协议，如下所示：

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int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //创建TCP套接字
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  //创建UDP套接字

注：在 Linux 中，socket 也是一种文件，有文件描述符，可以使用 write() / read() 函数进行 I/O 操作。

在Linux中，一切都是文件，除了文本文件、源文件、二进制文件等，一个硬件设备也可以被映射为一个虚拟的文件，称为设备文件。例如，stdin 称为标准输入文件，它对应的硬件设备一般是键盘，stdout 称为标准输出文件，它对应的硬件设备一般是显示器。对于所有的文件，都可以使用 read() 函数读取数据，使用 write() 函数写入数据。

“一切都是文件”的思想极大地简化了程序员的理解和操作，使得对硬件设备的处理就像普通文件一样。所有在Linux中创建的文件都有一个 int 类型的编号，称为文件描述符（File Descriptor）。使用文件时，只要知道文件描述符就可以。例如，stdin 的描述符为 0，stdout 的描述符为 1。

在Linux中，socket 也被认为是文件的一种，和普通文件的操作没有区别，所以在网络数据传输过程中自然可以使用与文件 I/O 相关的函数。可以认为，两台计算机之间的通信，实际上是两个 socket 文件的相互读写。

绑定套接字

socket() 函数确定了套接字的各种属性，已经拥有一个创建好的套接字之后，需要将套接字绑定到一个端口号上，bind() 函数让套接字与特定的IP地址和端口对应起来，这样客户端才能连接到该套接字。

通过 bind() 函数将套接字 serv_sock 与特定的IP地址和端口绑定，IP地址和端口都保存在 sockaddr_in 结构体中。

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int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);  //Linux
int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen);  //Windows

第一个参数sock 为 socket 文件描述符，

第二个参数addr 为 sockaddr 结构体变量的指针，

第三个参数addrlen 为 addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。

下面的代码，将创建的套接字与IP地址 127.0.0.1、端口 1234 绑定：

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//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，意味着只接受来自这个地址的连接
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));

这里我们使用 sockaddr_in 结构体，然后再强制转换为 sockaddr 类型，后边会讲解为什么这样做。

sockaddr_in结构体

接下来不妨先看一下 sockaddr_in 结构体，它的成员变量如下：

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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};

1) sin_family 和 socket() 的第一个参数的含义相同，取值也要保持一致。

2) 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 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。

端口号需要用 htons() 函数转换，是因为网络字节顺序和主机字节顺序可能不同，主机有大小端字节顺序之分。

3) sin_addr 是 struct in_addr 结构体类型的变量，存IP地址。

  • 如果是监听套接字，则只接受来自这个IP地址的连接。作为监听套接字时，常写为：serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("INADDR_ANY");地址INADDR_ANY意思是绑定到任何地址。
  • 如果是客户端的数据套接字，则作为连接的IP地址。

4) 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。上面的代码中，先用 memset() 将结构体的全部字节填充为 0，再给前3个成员赋值，剩下的 sin_zero 自然就是 0 了。

in_addr 结构体

sockaddr_in 的第3个成员是 in_addr 类型的结构体，该结构体只包含一个成员，如下所示：

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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，等价于 unsigned long，长度为4个字节。也就是说，s_addr 是一个整数，而IP地址是一个字符串，所以需要 inet_addr() 函数进行转换，例如：

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unsigned long ip = inet_addr("127.0.0.1");
printf("%ld\n", ip);

运行结果：

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图解 sockaddr_in 结构体

为什么要搞这么复杂，结构体中嵌套结构体，而不用 sockaddr_in 的一个成员变量来指明IP地址呢？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，这不是啰嗦吗？

这是历史原因吧，后面的接口总要兼容前面的代码。所以socket目前是这个样子。

为什么使用 sockaddr_in 而不使用 sockaddr

bind() 第二个参数的类型为 sockaddr，而代码中却使用 sockaddr_in，然后再强制转换为 sockaddr，这是为什么呢？

sockaddr 结构体的定义如下：

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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
}

sockaddr 和 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，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，而 sockaddr_in 是专门用来保存 IPv4 地址的结构体。

另外还有 sockaddr_in6，用来保存 IPv6 地址，它的定义如下：

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struct sockaddr_in6 {
    sa_family_t sin6_family;  //(2)地址类型，取值为AF_INET6
    in_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
}

正是由于通用结构体 sockaddr 使用不便，才针对不同的地址类型定义了不同的结构体。

connect() 函数

connect() 函数用来建立连接，它的原型为：

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

各个参数的说明和 bind() 相同，不再赘述。

监听

对于服务器端程序，使用 bind() 绑定套接字后，还需要使用 listen() 函数让套接字进入被动监听状态，再调用 accept() 函数，就可以随时响应客户端的请求了。

listen() 函数

通过 listen() 函数可以让套接字进入被动监听状态，它的原型为：

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

sock 为需要进入监听状态的套接字，backlog 为请求队列的最大长度。

所谓被动监听，是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。

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。

注意：listen() 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

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。它的原型为：

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

它的参数与 listen() 和 connect() 是相同的：sock 为服务器端套接字，addr 为 sockaddr_in 结构体变量，addrlen 为参数 addr 的长度，可由 sizeof() 求得。

accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信，addr 保存了客户端的IP地址和端口号，而 sock 是服务器端的套接字，大家注意区分。

后面和客户端通信时，要使用这个新生成的套接字，而不是原来服务器端的套接字。

最后需要说明的是：listen() 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()。accept() 会阻塞程序执行（后面代码不能被执行），直到有新的请求到来。

S/C例子

Linux 下的代码，server.cpp 是服务器端代码，client.cpp 是客户端代码，要实现的功能是：客户端从服务器读取一个字符串并打印出来。

服务器端代码 server.cpp：

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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
int main(){
    //创建套接字
    int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    //将套接字和IP、端口绑定
    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
    bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    //进入监听状态，等待用户发起请求
    listen(serv_sock, 20);
    //接收客户端请求
    struct sockaddr_in clnt_addr;
    socklen_t clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
    int clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);
    //向客户端发送数据
    char str[] = "Hello World!";
    write(clnt_sock, str, sizeof(str));
   
    //关闭套接字
    close(clnt_sock);
    close(serv_sock);
    return 0;
}

客户端代码 client.cpp：

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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
int main(){
    //创建套接字
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    //向服务器（特定的IP和端口）发起请求
    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
    connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
   
    //读取服务器传回的数据
    char buffer[40];
    read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);
   
    printf("Message form server: %s\n", buffer);
   
    //关闭套接字
    close(sock);
    return 0;
}
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