C++ Socket编程（基础）

一、基本简介

在计算机通信领域，socket 被翻译为“套接字”，它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。

通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。

socket 的典型应用就是 Web 服务器和浏览器：浏览器获取用户输入的URL，向服务器发起请求，服务器分析接收到的URL，将对应的网页内容返回给浏览器，浏览器再经过解析和渲染，就将文字、图片、视频等元素呈现给用户。

学习 socket，也就是学习计算机之间如何通信，并编写出实用的程序。

二、数据传输方式

计算机之间有很多数据传输方式，各有优缺点，常用的有两种：SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM。

QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK_DGRAM 传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响。

三、代码实例

Server:

#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);
  	// AF_INET :   表示使用 IPv4 地址		可选参数
    // SOCK_STREAM 表示使用面向连接的数据传输方式，
    // IPPROTO_TCP 表示使用 TCP 协议

    //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;
}

Client:

#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;
}

四、Socket套接字

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

1. af

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

2. type

type 为数据传输方式，常用的有 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM

1. SOCK_STREAM

表示面向连接的数据传输方式。数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送，但效率相对较慢。常见的 http 协议就使用 SOCK_STREAM 传输数据，因为要确保数据的正确性，否则网页不能正常解析。

2. SOCK_DGRAM

表示无连接的数据传输方式。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。因为 SOCK_DGRAM 所做的校验工作少，所以效率比 SOCK_STREAM 高。

3. protocal

protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议

五、bind()和connect()函数

服务器端要用 bind() 函数将套接字与特定的IP地址和端口绑定起来，只有这样，流经该IP地址和端口的数据才能交给套接字处理；

而客户端要用 connect() 函数建立连接。

0. sockaddr_in结构体

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 是 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。

3. sin_addr 是 struct in_addr 结构体类型的变量，下面会详细讲解。

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。

端口号需要用 htons() 函数转换，后面会讲解为什么。

1. in_addr结构体详解

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

2. 为什么使用 sockaddr_in 而不使用 sockaddr

sockaddr_in的结构体如下

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。

sockaddr_in6的结构体如下

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
};

1. bind()

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

2. connect()

connect() 函数用来建立连接，它的原型为：

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

六、 listen()和accept()函数

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。

1.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：

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。

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。

2.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：

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。

Linux下数据的接收和发送

Linux 不区分套接字文件和普通文件，使用 write() 可以向套接字中写入数据，使用 read() 可以从套接字中读取数据。

两台计算机之间的通信相当于两个套接字之间的通信，在服务器端用 write() 向套接字写入数据，客户端就能收到，然后再使用 read() 从套接字中读取出来，就完成了一次通信。

write() 的原型为：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);

fd 为要写入的文件的描述符，buf 为要写入的数据的缓冲区地址，nbytes 为要写入的数据的字节数。

size_t 是通过 typedef 声明的 unsigned int 类型；ssize_t 在 "size_t" 前面加了一个"s"，代表 signed，即 ssize_t 是通过 typedef 声明的 signed int 类型。

write() 函数会将缓冲区 buf 中的 nbytes 个字节写入文件 fd，成功则返回写入的字节数，失败则返回 -1。

read() 的原型为：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

fd 为要读取的文件的描述符，buf 为要接收数据的缓冲区地址，nbytes 为要读取的数据的字节数。

read() 函数会从 fd 文件中读取 nbytes 个字节并保存到缓冲区 buf，成功则返回读取到的字节数（但遇到文件结尾则返回0），失败则返回 -1。

Windows下数据的接收和发送

Windows 和 Linux 不同，Windows 区分普通文件和套接字，并定义了专门的接收和发送的函数。

从服务器端发送数据使用 send() 函数，它的原型为：

int send(SOCKET sock, const char *buf, int len, int flags);

sock 为要发送数据的套接字，buf 为要发送的数据的缓冲区地址，len 为要发送的数据的字节数，flags 为发送数据时的选项。

返回值和前三个参数不再赘述，最后的 flags 参数一般设置为 0 或 NULL，初学者不必深究。

在客户端接收数据使用 recv() 函数，它的原型为：

int recv(SOCKET sock, char *buf, int len, int flags);