Linux网络编程实例详解
????????? 本文介紹了在Linux環(huán)境下的socket編程常用函數(shù)用法及socket編程的一般規(guī)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(jīng)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(wǎng)絡的Socket數(shù)據(jù)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(shù)調用—Socket()，該函數(shù)返回一個整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^該Socket實現(xiàn)的。常用 的Socket類型有兩種：流式Socket—SOCK_STREAM和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)類型定義
? 計算機數(shù)據(jù)存儲有兩種字節(jié)優(yōu)先順序：高位字節(jié)優(yōu)先和低位字節(jié)優(yōu)先。Intenet上數(shù)據(jù)以高位字節(jié)優(yōu)先順序在網(wǎng)絡上傳輸，所以對于在內部是以低位字節(jié)優(yōu)先方式存儲數(shù)據(jù)的機器，在Internet上傳輸數(shù)據(jù)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(jié)的協(xié)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(shù)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(shù)所需參數(shù)類型是sockaddr時，你可以在函數(shù)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(wǎng)絡字節(jié)優(yōu)先順序；而sin_addr則不需要轉換。
我們下面討論幾個字節(jié)順序轉換函數(shù)：
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(shù)原型為：
int socket(int domain, int type, int protocol);
domain參數(shù)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(lián)（往往當你在設計服務器端程序時需要調用該函數(shù)。隨后你就可以在該端口監(jiān)聽服務請求;而客戶端一般無須調用該函數(shù)）。 Bind函數(shù)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(shù)要說明的一點是，你可以用下面的賦值實現(xiàn)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(tǒng)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(shù)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(tǒng)會自動填入本機IP地址。Bind()函數(shù)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(shù)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(shù)用來與遠端服務器建立一個TCP連接，其函數(shù)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(jiān)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(jiān)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(tǒng)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(shù)，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(shù)目進行了限制，大多數(shù)系統(tǒng)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(shù)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(jiān)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(shù)為其建立一個連接，accept()函數(shù)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(xù)在以前的那個socket上監(jiān)聽，同時可以在新的socket描述符上進行數(shù)據(jù)send()（發(fā)送）和recv()（接收）操作：
int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);
sockfd是被監(jiān)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(fā)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(fā)生時返回一個-1并且設置相應的errno值。
Send()和recv()——數(shù)據(jù)傳輸
這兩個函數(shù)是用于面向連接的socket上進行數(shù)據(jù)傳輸。
Send()函數(shù)原型為：
int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);
Sockfd是你想用來傳輸數(shù)據(jù)的socket描述符，msg是一個指向要發(fā)送數(shù)據(jù)的指針。
Len是以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)的長度。flags一般情況下置為0（關于該參數(shù)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(shù)返回實際上發(fā)送出的字節(jié)數(shù)，可能會少于你希望發(fā)送的數(shù)據(jù)。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(shù)原型為：
int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned intflags);
Sockfd是接受數(shù)據(jù)的socket描述符；buf 是存放接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；len是緩沖的長度。Flags也被置為0。Recv()返回實際上接收的字節(jié)數(shù)，或當出現(xiàn)錯誤時，返回-1并置相應的errno值。
Sendto()和recvfrom()——利用數(shù)據(jù)報方式進行數(shù)據(jù)傳輸
在無連接的數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)時應指明目的地址，sendto()函數(shù)原型為：
int sendto(int sockfd, const void *msg,intlen,unsigned int flags, const struct sockaddr *to, int tolen);
該函數(shù)比send()函數(shù)多了兩個參數(shù)，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(shù)也返回實際發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)長度或在出現(xiàn)發(fā)送錯誤時返回-1。
Recvfrom()函數(shù)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(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。Recvfrom()函數(shù)返回接收到的字節(jié)數(shù)或當出現(xiàn)錯誤時返回-1，并置相應的errno。
應注意的一點是，當你對于數(shù)據(jù)報socket調用了connect()函數(shù)時，你也可以利用send()和recv()進行數(shù)據(jù)傳輸，但該socket仍然是數(shù)據(jù)報socket，并且利用傳輸層的UDP服務。但在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸
當所有的數(shù)據(jù)操作結束以后，你可以調用close()函數(shù)來釋放該socket，從而
? 停止在該socket上的任何數(shù)據(jù)操作：close(sockfd);
? 你也可以調用shutdown()函數(shù)來關閉該socket。該函數(shù)允許你只停止在某個方向上的數(shù)據(jù)傳輸，而一個方向上的數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進行。如你可以關閉某socket的寫操作而允許繼續(xù)在該socket上接受數(shù)據(jù)，直至讀入所有數(shù)據(jù)。
int shutdown(int sockfd,int how);
Sockfd的含義是顯而易見的，而參數(shù) how可以設為下列值：
·0-------不允許繼續(xù)接收數(shù)據(jù)
·1-------不允許繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)
·2-------不允許繼續(xù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，均為允許則調用close ()
shutdown在操作成功時返回0，在出現(xiàn)錯誤時返回-1（并置相應errno）。
DNS——域名服務相關函數(shù)
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(shù)gethostbyname()就是完成這種轉換的，函數(shù)原型為：
? struct hostent*gethostbyname(const char *name);
? 函數(shù)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(shù)組 */
? int h_addrtype; /* 返回的地址類型，在Internet環(huán)境下為AF-INET */
? int h_length; /*地址的字節(jié)長度 */
? char **h_addr_list; /* 一個以0結尾的數(shù)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(shù)來輸出錯誤信息，而應該使用herror()函數(shù)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(fā)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(jiān)聽端口號 */
? #define BACKLOG 10 /* 最大同時連接請求數(shù) */
? main()
? {
? intsock fd,new_fd; /* 監(jiān)聽socket: sock_fd,數(shù)據(jù)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(chuàng)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(jiān)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(fā)送字符串"Hello，world!"，然后關閉該socket。
fork()函數(shù)生成一個子進程來處理數(shù)據(jù)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(shù)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(fā)執(zhí)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(shù)據(jù)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(chuàng)建一個socket，調用connect函數(shù)與服務器建立連接，連接成功之后接收從服務器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，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(qū)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(fā)送接收數(shù)據(jù)時，需要指定遠端機的地址。
關于阻塞(blocking)的概念和select()函數(shù)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(fā)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(shù)據(jù)語句時，如果沒有數(shù)據(jù)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(xù)做其他事情，則可以通過將Socke設置為非阻塞方式來實現(xiàn):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(xiàn)“輪詢”若干Socket。當企圖從一個沒有數(shù)據(jù)等待處理的非阻塞Socket讀入數(shù)據(jù)時，函數(shù)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(jiān)聽連接服務請求的同時從已經(jīng)建立的連接讀取數(shù)據(jù)，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(tǒng)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(tǒng)內核監(jiān)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(jiān)控的文件描述符上出現(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(jiān)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(shù)據(jù)，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(jīng)準備被讀取，你可以通過FD_ISSSET()來測試。為了實現(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)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(jiān)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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