Linux C++ socket编程实例

1 概念

(待更新。。。)

2 基本操作

2.1 socket()函数

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

socket函数对应于普通文件的打开操作,socket()创建一个socket描述符(socket descriptor),唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样,后续的操作都有用到它,把它作为参数,通过它来进行一些读写操作。

domain,指定协议域,或称协议族(family),决定了socket的地址类型。

名称 含义 名称 含义
PF_UNIX,PF_LOCAL 本地通信 PF_X25 ITU-T X25 / ISO-8208协议
AF_INET,PF_INET IPv4 Internet协议 PF_AX25 Amateur radio AX.25
PF_INET6 IPv6 Internet协议 PF_ATMPVC 原始ATM PVC访问
PF_IPX IPX-Novell协议 PF_APPLETALK Appletalk
PF_NETLINK 内核用户界面设备 PF_PACKET 底层包访问

type,指定socket类型。

名称 含义
SOCK_STREAM Tcp连接,提供序列化的、可靠的、双向连接的字节流。支持带外数据传输
SOCK_DGRAM 支持UDP连接(无连接状态的消息)
SOCK_SEQPACKET 序列化包,提供一个序列化的、可靠的、双向的基本连接的数据传输通道,数据长度定常。每次调用读系统调用时数据需要将全部数据读出
SOCK_RAW RAW类型,提供原始网络协议访问
SOCK_RDM 提供可靠的数据报文,不过可能数据会有乱序
SOCK_PACKET 这是一个专用类型,不能呢过在通用程序中使用

protocol,指定协议。常用的协议有,IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等,它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议(这个协议我将会单独开篇讨论!)。 注意:并不是上面的type和protocol可以随意组合的,如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时,会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时,返回的socket描述字它存在于协议族(address family,AF_XXX)空间中,但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址,就必须调用bind()函数,否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

2.2 bind()函数

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

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

sockfd,即要操作的socket描述字,socket()函数的返回值。 addr,一个const struct sockaddr *指针,指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同。

// ipv4
struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};
/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

// ipv6
struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};
struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
};

// Unix
#define UNIX_PATH_MAX    108
struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};

addrlen,对应地址的长度。 通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址(如ip地址+端口号),用于提供服务,客户就可以通过它来接连服务器;而客户端就不用指定,有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind(),而客户端就不会调用,而是在connect()时由系统随机生成一个。

2.3 listen()、connect()函数

如果作为一个服务器,在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket,等待客户端的连接。

int listen(int sockfd, int backlog);

第一个参数sockfd即为要监听的socket描述字, 第二个参数blacklog为相应socket可以排队的最大连接个数。 socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的,listen函数将socket变为被动类型的,等待客户的连接请求。

作为客户端,在创建socket后就调用connect()向服务端发出连接请求。

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

第一个参数sockfd即为客户端的socket描述字, 第二个参数addr为要连接的服务器的socket地址, 第三个参数addrlen为服务器socket地址的长度。 客户端通过调用connect()函数来建立与TCP服务器的连接。

2.4 accept()函数

TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后,就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就想TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后,就会调用accept()函数取接收请求,这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了,类同于普通文件的读写I/O操作。

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

第一个参数sockfd为服务器的socket描述字, 第二个参数addr为指向struct sockaddr *的指针,用于返回客户端的协议地址, 第三个参数addrlen为协议地址的长度。 如果accpet成功,那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字,代表与返回客户的TCP连接。

注意:accept的第一个参数为服务器的socket描述字,是服务器开始调用socket()函数生成的,称为监听socket描述字;而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字,它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字,当服务器完成了对某个客户的服务,相应的已连接socket描述字就被关闭。

2.5 read()、write()等读写函数

服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了,即实现了网络中不同进程之间的通信!网络I/O操作有下面几组:

  • read() / write()
  • recv() / send()
  • readv() / writev()
  • recvmsg() / sendmsg()
  • recvfrom() / sendto() (具体区别内容待更新。。。)

2.6 close()函数

类似于关闭文件,在读写操作完成后要关闭相应的socket描述字。

#include <unistd.h>
int close(int fd);

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭,然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用,也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意:close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1,只有当引用计数为0的时候,才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。

3 实例

server.cpp

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cerrno>
#include <cstring>

#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    std::cout << "This is server" << std::endl;
    // socket
    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listenfd == -1) {
        std::cout << "Error: socket" << std::endl;
        return 0;
    }
    // bind
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(8000);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        std::cout << "Error: bind" << std::endl;
        return 0;
    }
    // listen
    if(listen(listenfd, 5) == -1) {
        std::cout << "Error: listen" << std::endl;
        return 0;
    }
    // accept
    int conn;
    char clientIP[INET_ADDRSTRLEN] = "";
    struct sockaddr_in clientAddr;
    socklen_t clientAddrLen = sizeof(clientAddr);
    while (true) {
        std::cout << "...listening" << std::endl;
        conn = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrLen);
        if (conn < 0) {
            std::cout << "Error: accept" << std::endl;
            continue;
        }
        inet_ntop(AF_INET, &clientAddr.sin_addr, clientIP, INET_ADDRSTRLEN);
        std::cout << "...connect " << clientIP << ":" << ntohs(clientAddr.sin_port) << std::endl;

        char buf[255];
        while (true) {
            memset(buf, 0, sizeof(buf));
            int len = recv(conn, buf, sizeof(buf), 0);
            buf[len] = '\0';
            if (strcmp(buf, "exit") == 0) {
                std::cout << "...disconnect " << clientIP << ":" << ntohs(clientAddr.sin_port) << std::endl;
                break;
            }
            std::cout << buf << std::endl;
            send(conn, buf, len, 0);
        }

        close(conn);
    }
    close(listenfd);
    return 0;
}

client.cpp

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cerrno>
#include <cstring>

#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    std::cout << "This is client" << std::endl;
    // socket
    int client = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (client == -1) {
        std::cout << "Error: socket" << std::endl;
        return 0;
    }
    // connect
    struct sockaddr_in serverAddr;
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    serverAddr.sin_port = htons(8000);
    serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    if (connect(client, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) {
        std::cout << "Error: connect" << std::endl;
        return 0;
    }
    std::cout << "...connect" << std::endl;
    char data[255];
    char buf[255];
    while (true) {
        std::cin >> data;
        send(client, data, strlen(data), 0);
        if (strcmp(data, "exit") == 0) {
            std::cout << "...disconnect" << std::endl;
            break;
        }
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        int len = recv(client, buf, sizeof(buf), 0);
        buf[len] = '\0';
        std::cout << buf << std::endl;
    }
    close(client);
    return 0;
}