Linux网络编程实例详解
????????? 本文介紹了在Linux環境下的socket編程常用函數用法及socket編程的一般規則和客戶/服務器模型的編程應注意的事項和常遇問題的解決方法，并舉了具體代 碼實例。要理解本文所談的技術問題需要讀者具有一定C語言的編程經驗和TCP/IP方面的基本知識。要實習本文的示例，需要Linux下的gcc編譯平臺支持。
? Socket定義
? 網絡的Socket數據傳輸是一種特殊的I/O，Socket也是一種文件描述符。Socket也具有一個類似于打開文件的函數調用—Socket()，該函數返回一個整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數據傳輸等操作都是通過該Socket實現的。常用 的Socket類型有兩種：流式Socket—SOCK_STREAM和數據報式Socket—SOCK_DGRAM。流式是一種面向連接的Socket，針對于面向連接的TCP服務應用；數據報式Socket是一種無連接的Socket，對應于無連接的UDP服務應用。
? Socket編程相關數據類型定義
? 計算機數據存儲有兩種字節優先順序：高位字節優先和低位字節優先。Intenet上數據以高位字節優先順序在網絡上傳輸，所以對于在內部是以低位字節優先方式存儲數據的機器，在Internet上傳輸數據時就需要進行轉換。
我們要討論的第一個結構類型是：struct sockaddr，該類型是用來保存socket信息的：
? struct sockaddr {
? unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */
? char sa_data[14]; /* 14 字節的協議地址 */ };
? sa_family一般為AF_INET；sa_data則包含該socket的IP地址和端口號。
? 另外還有一種結構類型：
? struct sockaddr_in {
? short int sin_family; /* 地址族 */
? unsigned short int sin_port;/* 端口號 */
? struct in_addr sin_addr; /* IP地址 */
? unsigned char sin_zero[8]; /* 填充0 以保持與struct sockaddr同樣大
? 小 */
? };
? 這個結構使用更為方便。sin_zero(它用來將sockaddr_in結構填充到與struct sockaddr同樣的長度)應該用bzero()或memset()函數將其置為零。指向sockaddr_in 的指針和指向sockaddr的指針可以相互轉換，這意味著如果一個函數所需參數類型是sockaddr時，你可以在函數調用的時候將一個指向sockaddr_in的指針轉換為指向sockaddr的指針；或者相反。sin_family通常被賦AF_INET；in_port和sin_addr應該轉換成為網絡字節優先順序；而sin_addr則不需要轉換。
我們下面討論幾個字節順序轉換函數：
htons()--"Host to Network Short" ;htonl()--"Host to Network long"
ntohs()--"Network to Host Short" ;ntohl()--"Network to Host Long"
在這里， h表示"host" ，n表示"network"，s 表示"short"，l表示 "long"
? 。
? 打開socket 描述符、建立綁定并建立連接
? socket函數原型為：
int socket(int domain, int type, int protocol);
domain參數指定socket的類型：SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM；protocol通常賦值“0”。Socket()調用返回一個整型socket描述符，你可以在后面的調用使用它。一旦通過socket調用返回一個socket描述符，你應該將該socket與你本機上的一個端口相關聯（往往當你在設計服務器端程序時需要調用該函數。隨后你就可以在該端口監聽服務請求;而客戶端一般無須調用該函數）。 Bind函數原型為 ：
int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, intaddrlen);
Sockfd是一個socket描述符，my_addr是一個指向包含有本機IP地址及端口號等信息的sockaddr類型的指針;addrlen常被設置為sizeof(struct sockaddr)。
最后，對于bind 函數要說明的一點是，你可以用下面的賦值實現自動獲得本機IP地址和隨機獲取一個沒有被占用的端口號：
? my_addr.sin_port = 0; /* 系統隨機選擇一個未被使用的端口號 */
? my_addr.sin_addr.s_addr =INADDR_ANY; /* 填入本機IP地址 */
通過將my_addr.sin_port置為0，函數會自動為你選擇一個未占用的端口來使用。同樣，通過將my_addr.sin_addr.s_addr置為INADDR_ANY，系統會自動填入本機IP地址。Bind()函數在成功被調用時返回0；遇到錯誤時返回“-1”并將errno置為相應的錯誤號。另外要注意的是，當調用函數時，一般不要將端口號置為小于1024的值，因為1~1024是保留端口號，你可以使用大于1024中任何一個沒有被占用的端口號。
Connect()函數用來與遠端服務器建立一個TCP連接，其函數原型為：
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);
Sockfd是目的服務器的sockt描述符；serv_addr是包含目的機IP地址和端口號的指針。遇到錯誤時返回-1，并且errno中包含相應的錯誤碼。進行客戶端程序設計無須調用bind()，因為這種情況下只需知道目的機器的IP地址，而客戶通過哪個端口與服務器建立連接并不需要關心，內核會自動選擇一個未被占用的端口供客戶端來使用。
Listen()——監聽是否有服務請求
在服務器端程序中，當socket與某一端口捆綁以后，就需要監聽該端口，以便對到達的服務請求加以處理。
int listen(int sockfd， int backlog);
Sockfd是Socket系統調用返回的socket 描述符；backlog指定在請求隊列中允許的最大請求數，進入的連接請求將在隊列中等待accept()它們（參考下文）。backlog對隊列中等待服務的請求的數目進行了限制，大多數系統缺省值為20。
當listen遇到錯誤時返回-1，errno被置為相應的錯誤碼。
故服務器端程序通常按下列順序進行函數調用：
socket(); bind(); listen(); /* accept() goes here */
accept()——連接端口的服務請求。
當某個客戶端試圖與服務器監聽的端口連接時，該連接請求將排隊等待服務器accept()它。通過調用accept()函數為其建立一個連接，accept()函數將返回一個新的socket描述符，來供這個新連接來使用。而服務器可以繼續在以前的那個socket上監聽，同時可以在新的socket描述符上進行數據send()（發送）和recv()（接收）操作：
int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);
sockfd是被監聽的socket描述符，addr通常是一個指向sockaddr_in變量的指針，該變量用來存放提出連接請求服務的主機的信息（某臺主機從某個端口發出該請求）；addrten通常為一個指向值為sizeof(struct sockaddr_in)的整型指針變量。錯誤發生時返回一個-1并且設置相應的errno值。
Send()和recv()——數據傳輸
這兩個函數是用于面向連接的socket上進行數據傳輸。
Send()函數原型為：
int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);
Sockfd是你想用來傳輸數據的socket描述符，msg是一個指向要發送數據的指針。
Len是以字節為單位的數據的長度。flags一般情況下置為0（關于該參數的用法可參照man手冊）。
char *msg = "Beej was here!"; int len， bytes_sent; ... ...
len = strlen(msg); bytes_sent = send(sockfd,msg,len,0); ... ...
Send()函數返回實際上發送出的字節數，可能會少于你希望發送的數據。所以需要對send()的返回值進行測量。當send()返回值與len不匹配時，應該對這種情況進行處理。
recv()函數原型為：
int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned intflags);
Sockfd是接受數據的socket描述符；buf 是存放接收數據的緩沖區；len是緩沖的長度。Flags也被置為0。Recv()返回實際上接收的字節數，或當出現錯誤時，返回-1并置相應的errno值。
Sendto()和recvfrom()——利用數據報方式進行數據傳輸
在無連接的數據報socket方式下，由于本地socket并沒有與遠端機器建立連接，所以在發送數據時應指明目的地址，sendto()函數原型為：
int sendto(int sockfd, const void *msg,intlen,unsigned int flags, const struct sockaddr *to, int tolen);
該函數比send()函數多了兩個參數，to表示目地機的IP地址和端口號信息，而tolen常常被賦值為sizeof (struct sockaddr)。Sendto 函數也返回實際發送的數據字節長度或在出現發送錯誤時返回-1。
Recvfrom()函數原型為：
int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned intlags,struct sockaddr *from,int *fromlen);
from是一個struct sockaddr類型的變量，該變量保存源機的IP地址及端口號。fromlen常置為sizeof (struct sockaddr)。當recvfrom()返回時，fromlen包含實際存入from中的數據字節數。Recvfrom()函數返回接收到的字節數或當出現錯誤時返回-1，并置相應的errno。
應注意的一點是，當你對于數據報socket調用了connect()函數時，你也可以利用send()和recv()進行數據傳輸，但該socket仍然是數據報socket，并且利用傳輸層的UDP服務。但在發送或接收數據報時，內核會自動為之加上目地和源地址信息。
Close()和shutdown()——結束數據傳輸
當所有的數據操作結束以后，你可以調用close()函數來釋放該socket，從而
? 停止在該socket上的任何數據操作：close(sockfd);
? 你也可以調用shutdown()函數來關閉該socket。該函數允許你只停止在某個方向上的數據傳輸，而一個方向上的數據傳輸繼續進行。如你可以關閉某socket的寫操作而允許繼續在該socket上接受數據，直至讀入所有數據。
int shutdown(int sockfd,int how);
Sockfd的含義是顯而易見的，而參數 how可以設為下列值：
·0-------不允許繼續接收數據
·1-------不允許繼續發送數據
·2-------不允許繼續發送和接收數據，均為允許則調用close ()
shutdown在操作成功時返回0，在出現錯誤時返回-1（并置相應errno）。
DNS——域名服務相關函數
由于IP地址難以記憶和讀寫，所以為了讀寫記憶方便，人們常常用域名來表示主機，這就需要進行域名和IP地址的轉換。函數gethostbyname()就是完成這種轉換的，函數原型為：
? struct hostent*gethostbyname(const char *name);
? 函數返回一種名為hosten的結構類型，它的定義如下：
? struct hostent {
? char *h_name; /* 主機的官方域名 */
? char **h_aliases; /* 一個以NULL結尾的主機別名數組 */
? int h_addrtype; /* 返回的地址類型，在Internet環境下為AF-INET */
? int h_length; /*地址的字節長度 */
? char **h_addr_list; /* 一個以0結尾的數組，包含該主機的所有地址*/
? };
? #define h_addr h_addr_list[0]/*在h-addr-list中的第一個地址*/
? 當 gethostname()調用成功時，返回指向struct hosten的指針，當調用失敗時返回-1。當調用gethostbyname時，你不能使用perror()函數來輸出錯誤信息，而應該使用herror()函數來輸出。
面向連接的客戶/服務器代碼實例
這個服務器通過一個連接向客戶發送字符串"Hello，world!"。只要在服務器上運行該服務器軟件，在客戶端運行客戶軟件，客戶端就會收到該字符串。
該服務器軟件代碼見程序1：
? ＃i nclude stdio.h
? ＃i nclude stdlib.h
? ＃i nclude errno.h
? ＃i nclude string.h
? ＃i nclude sys/types.h
? ＃i nclude netinet/in.h
? ＃i nclude sys/socket.h
? ＃i nclude sys/wait.h
? #define MYPORT 3490 /*服務器監聽端口號 */
? #define BACKLOG 10 /* 最大同時連接請求數 */
? main()
? {
? intsock fd,new_fd; /* 監聽socket: sock_fd,數據傳輸socket:new_fd*/
? struct sockaddr_in my_addr; /* 本機地址信息 */
? struct sockaddr_in their_addr;/* 客戶地址信息 */
? int sin_size;
? if ((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0)) == -1) { /*錯誤檢測 */
? perror("socket");exit(1); }
? my_addr.sin_family=AF_INET;
? my_addr.sin_port=htons(MYPORT);
? my_addr.sin_addr.s_addr =INADDR_ANY;
? bzero(&(my_addr.sin_zero),8);
? if (bind(sockfd, (structsockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) ?
? == -1) {/*錯誤檢測*/
? perror("bind");exit(1); }
? if (listen(sockfd, BACKLOG) ==-1) {/*錯誤檢測*/
? perror("listen");exit(1); }
? while(1) { /* main accept()loop */
? sin_size = sizeof(structsockaddr_in);
? if ((new_fd = accept(sockfd,(struct sockaddr *)&their_addr, ?
? &sin_size)) == -1) {
? perror("accept");continue; }
? printf("server: gotconnection from %s",inet_ntoa(their_addr.sin_addr));
? if (!fork()) { /* 子進程代碼段 */
? if (send(new_fd, "Hello,world!", 14, 0) == -1)
? perror("send");close(new_fd); exit(0); }
? close(new_fd); /* 父進程不再需要該socket */
? waitpid(-1,NULL,WNOHANG) > 0/*等待子進程結束，清除子進程所占用資源*/
? }
? }
? （程序1）
? 服務器首先創建一個Socket，然后將該Socket與本地地址/端口號捆綁，成功之后就在相應的socket上監聽，當accpet捕捉到一個連接服務請求時，就生成一個新的socket，并通過這個新的socket向客戶端發送字符串"Hello，world!"，然后關閉該socket。
fork()函數生成一個子進程來處理數據傳輸部分，fork()語句對于子進程返回的值為0。所以包含fork函數的if語句是子進程代碼部分，它與if語句后面的父進程代碼部分是并發執行的。
客戶端軟件代碼部分見程序2：
? ＃i ncludestdio.h
? ＃i nclude stdlib.h
? ＃i nclude errno.h
? ＃i nclude string.h
? ＃i nclude netdb.h
? ＃i nclude sys/types.h
? ＃i nclude netinet/in.h
? ＃i nclude sys/socket.h
? #define PORT 3490
? #define MAXDATASIZE 100 /*每次最大數據傳輸量 */
? int main(int argc, char*argv[])
? {
? int sockfd, numbytes;
? char buf[MAXDATASIZE];
? struct hostent *he;
? struct sockaddr_in their_addr;
? if (argc != 2) {
? fprintf(stderr,"usage:client hostname"); exit(1); }
? if((he=gethostbyname(argv[1]))==NULL){
? herror("gethostbyname");exit(1); }
? if ((sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
? perror("socket");exit(1); }
? their_addr.sin_family=AF_INET;
? their_addr.sin_port=htons(PORT);
? their_addr.sin_addr = *((structin_addr *)he->h_addr);
? bzero(&(their_addr.sin_zero),8);
? if (connect(sockfd, (structsockaddr *)&their_addr, ?
? sizeof(struct sockaddr)) ==-1) {/*錯誤檢測*/
? perror("connect");exit(1); }
? if ((numbytes=recv(sockfd, buf,MAXDATASIZE, 0)) == -1) {
? perror("recv");exit(1); }
? buf[numbytes] = '';
? printf("Received:%s",buf);
? close(sockfd);
? return 0;
? }
? （程序2）
客戶端代碼相對來說要簡單一些，首先通過服務器域名獲得其IP地址，然后創建一個socket，調用connect函數與服務器建立連接，連接成功之后接收從服務器發送過來的數據，最后關閉socket，結束程序。
無連接的客戶/服務器程序的在原理上和連接的客戶/服務器是一樣的，兩者的區別在于無連接的客戶/服務器中的客戶一般不需要建立連接，而且在發送接收數據時，需要指定遠端機的地址。
關于阻塞(blocking)的概念和select()函數當服務器運行到accept語句時，而沒有客戶連接服務請求到來，那么會發生什么情況?這時服務器就會停止在accept語句上等待連接服務請求的到來；同樣，當程序運行到接收數據語句時，如果沒有數據可以讀取，則程序同樣會停止在接收語句上。這種情況稱為blocking。但如果你希望服務器僅僅注意檢查是否有客戶在等待連接，有就接受連接;否則就繼續做其他事情，則可以通過將Socke設置為非阻塞方式來實現:非阻塞socket在沒有客戶在等待時就使accept調用立即返回。
? ＃i nclude unistd.h
? ＃i nclude fcntl.h
? . . . . ； sockfd =socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
? fcntl(sockfd,F_SETFL,O_NONBLOCK)； . . . . .
通過設置socket為非阻塞方式，可以實現“輪詢”若干Socket。當企圖從一個沒有數據等待處理的非阻塞Socket讀入數據時，函數將立即返回，并且返回值置為-1，并且errno置為EWOULDBLOCK。但是這種“輪詢”會使CPU處于忙等待方式，從而降低性能。考慮到這種情況，假設你希望服務器監聽連接服務請求的同時從已經建立的連接讀取數據，你也許會想到用一個accept語句和多個recv()語句，但是由于accept及recv都是會阻塞的，所以這個想法顯然不會成功。
調用非阻塞的socket會大大地浪費系統資源。而調用select()會有效地解決這個問題，它允許你把進程本身掛起來，而同時使系統內核監聽所要求的一組文件描述符的任何活動，只要確認在任何被監控的文件描述符上出現活動，select()調用將返回指示該文件描述符已準備好的信息，從而實現了為進程選出隨機的變化，而不必由進程本身對輸入進行測試而浪費CPU開銷。Select函數原型為:
int select(int numfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds，fd_set *exeptfds,struct timeval*timeout);
其中readfds、writefds、exceptfds分別是被select()監視的讀、寫和異常處理的文件描述符集合。如果你希望確定是否可以從標準輸入和某個socket描述符讀取數據，你只需要將標準輸入的文件描述符0和相應的sockdtfd加入到readfds集合中；numfds的值是需要檢查的號碼最高的文件描述符加1，這個例子中numfds的值應為sockfd+1；當select返回時，readfds將被修改，指示某個文件描述符已經準備被讀取，你可以通過FD_ISSSET()來測試。為了實現fd_set中對應的文件描述符的設置、復位和測試，它提供了一組宏：
? FD_ZERO(fd_set *set)----清除一個文件描述符集；
? FD_SET(int fd,fd_set *set)----將一個文件描述符加入文件描述符集中；
?
? FD_CLR(int fd,fd_set *set)----將一個文件描述符從文件描述符集中清除
? ；
? FD_ISSET(int fd,fd_set*set)----試判斷是否文件描述符被置位。
? Timeout參數是一個指向struct timeval類型的指針，它可以使select()在等待timeout長時間后沒有文件描述符準備好即返回。struct timeval數據結構為：
?
? struct timeval {
? int tv_sec; /* seconds */
? int tv_usec; /* microseconds*/
? };
? 我們通過程序3來說明：
? ＃i nclude sys/time.h
? ＃i nclude sys/types.h
? ＃i nclude unistd.h
? #define STDIN 0 /*標準輸入文件描述符*/
? main()
? {
? struct timeval tv;
? fd_set readfds;
? tv.tv_sec = 2;
? tv.tv_usec = 500000;
? FD_ZERO(&readfds);
? FD_SET(STDIN,&readfds);
? /* 這里不關心寫文件和異常處理文件描述符集合 */
? select(STDIN+1， &readfds， NULL， NULL， &tv);
? if (FD_ISSET(STDIN， &readfds)) printf("Akey was pressed!");
? else printf("Timedout.");
? }
? （程序3）
? select()在被監視端口等待2.5秒鐘以后，就從select返回
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Linux网络编程实例详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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