Unix套接字接口

简介

套接字是操作系统中用于网络通信的重要结构，它是建立在网络体系结构的传输层，用于主机之间数据的发送和接收，像web中使用的http协议便是建立在socket之上的。这一节主要讨论网络套接字。

套接字接口时一组函数，它们和Unix I/O结合起来，用于创建网络应用。许多操作系统都实现了自己的套接字接口。在Unix中，可以将套接字视为一个文件，使用文件I/O函数对套接字进行操作，这也贯彻了Unix中一切皆文件的思想。

既然是网络通信，那么就需要服务端和客户端，一个基本的客户端和服务端的通信模型如下，其中方框里为使用的函数接口：

由于套接字本质上也是一个文件，所以上图中的recv和send也可以使用文件I/O函数read和write替代。

套接字地址结构

既然要进行网络通信，那么就要有基本的网络的地址。因特网的套接字地址存放在一个叫sockaddr_in的16字节的结构体中，其中的IP地址和端口号都是以网络字节序（大端序）存放的：

struct sockaddr_in {
    uint16_t        sin_family;     /* 协议类型，总是AF_INET */
    uint16_t        sin_port;       /* 端口号 */
    struct in_addr  sin_addr;       /* IP地址 */
    unsigned char   sin_zero[8];    /* sizeof(struct in_addr) */
};

struct sockaddr {
    uint16_t    sin_family;         /* 协议类型 */
    char        sa_data[14];        /* 地址信息 */
}

注意到，上面还有一个sockaddr结构体类型。由于connect、bind和accept都需要接受一个指向与协议相关的套接字地址结构指针。但是在设计这些接口时，如何定义这些接口，使之能够接受各种类型的套接字地址。为了解决这个问题，设计了sockaddr这种通用的结构体，在使用这些接口时，都需要将与协议相关的结构体转化为这个通用的结构体。

创建和关闭套接字

使用socket函数创建一个套接字，函数原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

/* 返回：若成功则为非负描述符，失败返回-1 */
int socket(int domain, int type, int protocol);

参数domain（域）用于确定通讯的特性，具体如下：

域	描述
AF_INET	IPv4因特网域
AF_INET6	IPv6因特网域
AF_UNIX	UNIX域
AF_UPSPEC	未指定

参数type确定套接字的类型，进一步确定通讯特性：

类型	描述
SOCK_DGRAM	固定长度的，无连接的，不可靠的报文传递
SOCK_RAW	IP协议的数据报接口
SOCK_SEQPACKET	固定长度的，有序的，可靠的，面向连接的报文协议
SOCK_STREAM	有序的，可靠的，双向的，面向连接的字节流（TCP）

参数protocol通常是0，表示使用默认协议，其他选项这里不再赘述。

例如可以像下面这样创建一个套接字：

fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

其中，AF_INET表示我们使用32位IPv4地址，SOCK_STREAM表示我们使用TCP协议。但是最好的方法使用getaddrinfo函数来自动生成这些函数，这样我们的代码就与具体的协议无关了。我们会在下方进行讲述。

socket函数返回的描述符只是部分打开的，还不能直接使用，取决于是作为客户端还是服务端，需要一些初始化工作。

shutdown可以用来禁止一个套接字的I/O：

#include <sys/socket.h>

/* 返回：若成功返回1，若出错返回-1 */
int shutdown(int sockfd, int how);

参数how指明了关闭套接字的方式：

标志	描述
SHUT_RD	关闭读端
SHUT_WR	关闭写端
SHUT_RDWR	关闭读写

尽管使用close函数也够关闭套接字，但是和shutdown函数却有两点不同：当对一个套接字描述符调用close，该套接字的引用计数会减一，只有当引用计数为0时才会真正关闭套接字，而shutdown不管引用计数是否为0，都会关闭套接字。另外，shutdown可以只关闭套接字读写两个方向中的一个方向，保留另一个方向继续工作。

绑定地址

作为服务器，需要给套接字关联一个众所周知的地址，这样别人才能使用这个地址来对服务器进行访问。

使用bind函数来关联地址和套接字：

#include <sys/socket.h>

/* 返回：若成功，返回0，出错，返回-1 */
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);

bind函数将告诉内核将addr中的服务器套接字地址和套接字sockfd关联起来。其中len为sizeof(sockaddr_in)。

对于使用的服务器地址有如下限制：

• 指定的地址必须有效，不能是其他机器的地址
• 地址必须和创建套接字时的地址族所支持的格式相匹配
• 地址中的端口号必须不小于1024，除非该进程有相应特权
• 一般只能将一个套接字端点绑定到一个地址。

建立监听

作为服务器，为了接受用户的连接，需要监听某个特定的端口。当客户请求连接这个端口时，便创建一个连接。

默认情况下，内核会认为socket函数创建的套接字为主动套接字，它存在于用于连接的客户端。调用listen函数来告诉内核描述符是被服务器所使用的，而不是客户端。

#include <sys/socket.h>

/* 返回：成功返回0，失败返回-1 */
int listen(int sockfd, int backlog);

listen函数将一个主动套接字转化为一个监听套接字，该套接字可以接受来自客户端的连接请求。backlog参数指明请求队列中未完成连接的数量。当队列已满，进程将拒绝后续的连接请求。

等待连接

一但服务器调用了listen，所用的套接字就可以用来接受连接请求，使用accept函数来接受客户端的连接请求。

#include <sys/socket.h>

/* 返回：若成功，返回非负连接描述符，失败返回-1 */
int accept(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr, socklen_t *restrict len);

accept返回的描述符是一个新的已连接的描述符，这个套接字描述符用来和客户端进行通信。这个新的套接字和原始套接字（sockfd）具有相同的套接字类型和地址族，传送给accept的原始套接字并没有关联到这个连接，继续可用并接受其他连接。

accept函数会将客户端的地址信息填充到参数addr指向的缓冲区，参数len为缓冲区的大小。如果不需要这些信息。可以将addr和len设为NULL。

如果没有连接请求，accept会阻塞到一个连接请求的到来。如果sockfd处于非阻塞模式，则返回-1，并将errno设置为EAGAIN或EWOULDBLOCK。

建立连接

对于客户端来说，如果要处理一个面向连接的网络服务（SOCK_STREAM或SOCK_SEQPACKET）。在交换数据之前，首先要在客户端和服务端之间建立一个连接。

使用connect函数来建立一个连接：

#include <sys/socket.h>

/* 返回：成功返回0，出错误返回-1 */
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);

connect函数会试图与套接字地址为addr的服务器建立一个连接，其中len为sizeof(sockaddr_in)。connect函数会阻塞，直到完成连接的建立或出错。随后，描述符sockfd便可进行读写了。

发送和接收

可以使用send函数来发送数据：

#include <sys/socket.h>

/* 返回：若成功，返回发送的字节数，若出错，返回-1 */
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);

send函数与用于文件读写的write函数基本一致，只是多了第四个参数flags，一般置为0。

使用recv来接收数据:

#include <sys/socket.h>

/* 返回：返回数据的字节长度，若无可用数据或对方已经按序结束，返回0，若出错返回-1 */
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t nbytes, int flags);

recv函数与read函数基本一致，只是多了第四个参数flags，来管理如何接收数据，一般置为0。

主机和服务的转换

在前面对套接字的创建中，我们采用手动指明协议的方式，但是这样编写并不恰当。Linux提供了一些函数用于主机名和服务名与地址之间的相互映射，使用这些函数可以使我们的程序独立于任何特定版本的IP协议。下面看一下这些函数。

getaddrinfo函数用于将主机名，主机地址，服务名和端口号的字符串表示转化为套接字地址结构。

#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>

/* 返回：若成功返回0，若出错返回非零错误码 */
int getaddrinfo(const char *restrict host,
                const char *restrict service,
                const struct addrinfo *restrict hint,
                strcut addrinfo **restrict res);

/* 返回：无 */
void freeaddrinfo(struct addrinfo *ai);

/* 返回：错误消息字符串 */
const char *gai_strerror(int errcode);

host参数指定主机地址，可以是域名或者点分十进制的IP地址。service参数可以是服务名也可以是十进制的端口号。主机名和服务名可以两者都提供，也可以只提供一个，但另一个必须是一个空指针。

getaddrinfo函数返回一个链表结构addrinfo，res指向该结构的第一个节点。使用freeaddrinfo函数可以释放该结构。addrinfo结构的定义至少包含以下成员：

struct addrinfo {
    int             ai_flags;       /* customize behavior */
    int             ai_family;      /* address family，first arg to socket function */
    int             ai_socktype;    /* socket type，second arg to socket function */
    int             ai_protocol;    /* protocol，third arg to socket function */
    char            *ai_canonname;  /* canonical name for hostname */
    socklen_t       ai_addrlen;     /* length in byte of address */
    struct sockaddr *ai_addr;       /* address */
    struct addrinfo *ai_next;       /* next in list */
    ...
};

getaddrinfo可以指定一个可选的hint来过滤符合条件的地址，包括ai_family、ai_flags、ai_protocol、ai_socktype字段。剩余的字段必须置为0或空指针。

下表总结了ai_flags字段的标志，这些标志可以通过or运算指定多个：

标志	描述
AI_ADDRCONFIG	查询配置的地址类型（IPv4或IPv6）。使用连接时推荐。只有当本地主机被配置为IPv4时，getaddrinfo返回IPv4地址。对IPv6同样
AI_ALL	查找IPv4和IPv6地址（仅用于AI_V4MAPPED）
AI_CANONNAME	需要一个规范的名字（与别名相对）
AI_NUMERICHOST	以数字格式指定主机地址
AI_NUMERICSERV	将服务指定为数字端口号
AI_PASSIVE	套接字地址用于监听绑定
AI_V4MAPPED	如果没有找到IPv6地址，返回映射到IPv6格式的IPv4地址

如果getaddrinfo出错，可以将返回的错误码传入gai_strerror函数获取具体的错误信息。

接下来的getnameinfo函数与getaddrinfo函数功能相反，用于将一个地址转化为一个主机名和一个服务名：

#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>

/* 返回：若成功返回0，出错返回非0值 */
int getnameinfo(const struct sockaddr *restrict addr, socklen_t alen,
                char *restrict host, socklen_t hostlen,
                char *restrict service, socklen_t servlen,
                int flags);

getnameinfo将字节长度为alen的套接字地址addr翻译成一个主机名和一个服务名，如果host非空，则指向一个字节长度为hostlen的缓冲区用于存放主机名。同样的，如果service非空，则指向一个长度为servlen的缓冲区来存放服务名。flags参数指定了函数工作的方式，如下：

标志	描述
NI_DGRAM	服务基于数据报而非基于流
NI_NAMEREQD	如果找不到主机名，将其作为一个错误对待
NI_NOFQDN	对于本地主机，仅返回全限定域名的节点名部分
NI_NUMERICHOST	函数默认返回host中的域名，该标志指定返回主机的数字形式，而非主机名
NI_NUMERICSCOPE	对于IPv6，返回范围ID的数字形式，而非名字
NI_NUMERICSERV	函数默认检查/etc/services，如果可能会返回服务名而不是端口号。该标志指定跳过检查，返回服务地址的数字形式（端口号），而非名字

下面一个来自书中的例子展示域名到它IP地址的映射：

/* main.c */
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define MAXLEN 8192

int main(int argc, char **argv) {
    struct addrinfo *p, *listp, hints;
    char buf[MAXLEN], buf1[MAXLEN];
    int rc, flags;

    if(argc != 2) {
        fprintf(stderr, "argv error\n");
        exit(-1);
    }

    memset(&hints, 0, sizeof(struct addrinfo));
    hints.ai_family = AF_INET;
    hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
    if((rc = getaddrinfo(argv[1], NULL, &hints, &listp)) != 0) {
        fprintf(stderr, "getaddrinfo error: %s\n", gai_strerror(rc));
        exit(-1);
    }

    flags = NI_NUMERICHOST;
    for(p = listp; p; p = p->ai_next) {
        getnameinfo(p->ai_addr, p->ai_addrlen, buf, MAXLEN, buf1, MAXLEN, flags);
        printf("%s %s\n", buf, buf1);
    }

    freeaddrinfo(listp);
    exit(0);
}

使用如下：

$ gcc main.c -o main
$ ./main baidu.com
39.156.69.79 0
220.181.38.148 0

小结

unix提供了一组函数用于创建套接字并完成数据传输：

• 使用getaddrinfo函数和socket函数来创建套接字，可以使程序更具有通用性。
• 服务端使用bind给套接字绑定地址，使用listen指定套接字用于监听，并使用accept接受连接
• 客户端使用connect来连接到服务器
• 客户端和服务端都可以使用send和recv来传递数据
• 使用close或shutdown函数来关闭套接字

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总结自《深入理解计算机系统》《Unix环境高级编程》