Linux编程基础——Socket编程

Linux下的Socket编程大体上包括Tcp Socket、Udp Socket即Raw Socket这三种，其中TCP和UDP方式的Socket编程用于编写应用层的socket程序，是我们用得比较多的，而Raw Socket则用得相对较少，不在本文介绍范围之列。

TCP Socket

基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程一般如下：

它基本上可以分为三个部分：

一、建立连接：

1. 服务器调用socket()、bind()、listen()完成初始化后，调用accept()阻塞等待，处于监听端口的状态
2. 客户端调用socket()初始化后，调用connect()发出SYN段并阻塞等待服务器应答
3. 服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect()返回，同时应答一个ACK段，服务器收到后从accept()返回。

二、传输数据：

建立连接后，TCP协议提供全双工的通信管道，服务器端和客户端根据协议可以通过read和write的反复调用实现数据的传输

三、关闭连接：

当数据传输已经完成后，服务器和客户端可以调用Close关闭连接，一端关闭连接后，另一端read函数则会返回0，可以根据这个特征来感应另一端的退出。

下面就以一个简单的EchoServer演示一下如何创建服务器端和客户端代码，其中和socket相关api都会高亮显示。

服务器端示例：

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>

    #define MAXLINE 80
    #define SERV_PORT 8000

    int main(void)
    {
        char buf[MAXLINE];

        int listenfd = 0;
        listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

        sockaddr_in servaddr = {0};
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

        bind(listenfd, (sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
        listen(listenfd, 20);

        printf("Accepting connections ...\n");
        while (1)
        {
            sockaddr_in cliaddr = {0};
            socklen_t cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
            int connfd = accept(listenfd, (sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
    
            char str[INET_ADDRSTRLEN];
            printf("connected from %s at PORT %d\n",
                    inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
                    ntohs(cliaddr.sin_port));

            while(true)
            {
                int count = read(connfd, buf, MAXLINE);
                if (count == 0)
                    break;

                write(connfd, buf, count);
            }

            close(connfd);
            printf("closed from %s at PORT %d\n",
                    inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
                    ntohs(cliaddr.sin_port));
        }
    }

PS：这里需要注意的一下的是sock函数的第二个参数SOCK_STREAM，它表示是一个TCP连接，后面我们会介绍通过传入SOCK_DGRAM打开udp连接。

服务器端主体流程就是一个死循环，它接受一个socket连接，然后将其原封不动的返回给客户端，待客户端退出后，关闭socket连接，再次接受下一个socket连接。

客户端代码如下：

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

    #define MAXLINE 80
    #define SERV_PORT 8000
    #define MESSAGE "hello world"

    int main(int argc, char *argv[])
    {
        char buf[MAXLINE];

        int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

        sockaddr_in servaddr = {0};
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

        if (0 != connect(sockfd, (sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)))
        {
            printf("connected failed");
            return 1;
        }

        write(sockfd, MESSAGE, sizeof(MESSAGE));
        int count = read(sockfd, buf, MAXLINE);

        printf("Response from server: %s\n",buf);

        close(sockfd);
        return 0;
    }

客户端代码比较简单，这里就不多介绍了。

UDP Socket

典型的UDP客户端/服务器通讯过程如下图所示：

由于UDP不需要维护连接，程序逻辑简单了很多，但是UDP协议是不可靠的，实际上有很多保证通讯可靠性的机制需要在应用层实现，可能反而会需要更多代码。

典型的示例如下：

    /* server.cpp */
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>

    #define MAXLINE 80
    #define SERV_PORT 8000

    int main(void)
    {
        char buf[MAXLINE];
        char str[INET_ADDRSTRLEN];

        int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

        sockaddr_in servaddr = {0};
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

        bind(sockfd, (sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

        printf("Accepting connections ...\n");
        while (1)
        {
            sockaddr_in cliaddr;
            socklen_t cliaddr_len = sizeof(cliaddr);

            int count = recvfrom(sockfd, buf, MAXLINE, 0, (sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
            if (count < 0)
            {
                printf("recvfrom error");
                continue;
            }

            printf("received from %s at PORT %d\n",
                 inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
                 ntohs(cliaddr.sin_port));

            sendto(sockfd, buf, count, 0, (sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
        }
    }

    /* client.cpp */
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>

    #define MAXLINE 80
    #define SERV_PORT 8000

    int main(int argc, char *argv[])
    {
        char buf[MAXLINE];
        char str[INET_ADDRSTRLEN];
    
        int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

        sockaddr_in servaddr = {0};
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

        while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL)
        {
            int count = sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
            if (count == -1)
            {
                printf("sendto error");
                return 0;
            }

            count = recvfrom(sockfd, buf, MAXLINE, 0, NULL, 0);
            if (count == -1)
            {
                printf("recvfrom error");
                return 0;
            }
    
            write(STDOUT_FILENO, buf, count);
        }

        close(sockfd);
        return 0;
    }