出現一項技術，首先我們弄懂一下，為什麼要出現。那麼為什麼要出現socket這玩意呢？可以很簡單的用一句話來概括：

為了實現兩臺計算機的通訊

1、socket誕生的原因

兩臺裝有作業系統的機子要想實現通訊，第一要聯網，第二通訊雙方一定製定某種規則。我們平時最為常見的http請求也是一種通訊協議，只不過它是屬於應用層的。http協議將要傳送的資料封裝後，傳到下面一層處理，這下一層就是傳輸層，也是我們今天要說的重點。

應用層的資料封裝之後要發到下面的傳輸層，那麼傳輸層就需要對外提供介面，讓應用層可以呼叫傳輸層的資料，這個就是socket。傳輸層就是通過socket來對外提供服務的，毫不誇張的說，socket是計算機通訊的基石

2、服務端和客戶端的程式碼實現

其他的先不說，我們先給出服務端和客戶端的程式碼，然後通過程式碼來分析兩臺主機通訊之間的過程。這個程式碼已經在Linux上執行過了，完全可以使用，大家需要的話可以直接拿去用。

2.1、服務端程式碼

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

#define BUF_SIZE 512
#define ERR_EXIT(m)         \
	do                      \
	{                       \
		perror(m);          \
		exit(EXIT_FAILURE); \
	} while (0)

int main()
{
	//建立套接字
	int m_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (m_sockfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("create socket fail");
	}

	//初始化socket元素
	struct sockaddr_in server_addr;
	int server_len = sizeof(server_addr);
	memset(&server_addr, 0, server_len);

	server_addr.sin_family = AF_INET;
	//server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); //用這個寫法也可以
	server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	server_addr.sin_port = htons(39002);

	//繫結檔案描述符和伺服器的ip和埠號
	int m_bindfd = bind(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, server_len);
	if (m_bindfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("bind ip and port fail");
	}

	//進入監聽狀態，等待使用者發起請求
	int m_listenfd = listen(m_sockfd, 20);
	if (m_listenfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("listen client fail");
	}

	//定義客戶端的套接字，這裡返回一個新的套接字，後面通訊時，就用這個m_connfd進行通訊
	struct sockaddr_in client_addr;
	socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
	int m_connfd = accept(m_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);

	//接收客戶端資料，並相應
	char buffer[BUF_SIZE];
	recv(m_connfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
	printf("server recv:%s\n", buffer);
	strcat(buffer, "+ACK");
	send(m_connfd, buffer, sizeof(buffer), MSG_NOSIGNAL);

	//關閉套接字
	close(m_connfd);
	close(m_sockfd);

	return 0;
}
 

2.2、客戶端程式碼

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

#define BUF_SIZE 512
#define ERR_EXIT(m)         \
	do                      \
	{                       \
		perror(m);          \
		exit(EXIT_FAILURE); \
	} while (0)

int main()
{
	//建立套接字
	int m_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (m_sockfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("create socket fail");
	}

	//伺服器的ip為本地，埠號
	struct sockaddr_in server_addr;
	memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("81.68.140.74");
	server_addr.sin_port = htons(39002);

	//向伺服器傳送連線請求
	int m_connectfd = connect(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
	if (m_connectfd < 0)
	{
		ERR_EXIT("connect server fail");
	}
	//傳送並接收資料
	char buffer[BUF_SIZE];
	printf("client send:");
	scanf("%s", buffer);
	send(m_sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
	recv(m_sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
	printf("client recv:%s\n", buffer);

	//斷開連線
	close(m_sockfd);

	return 0;
}
 

以上就是服務端和客戶端的程式碼，這個程式碼本身沒問題，但是有點小缺點，最後我們會提到。接著筆者分析一下上面的所有socket相關函式，讓大家可以更加深刻的瞭解socket網路程式設計。

3、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實現，那麼socket就提供了這些操作對應的函式介面。下面介紹幾個基本的socket介面函式。

3.1、socket()函式

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

socket函式對應於普通檔案的開啟操作，普通檔案的開啟操作返回一個檔案描述字，而socket()用於建立一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟檔案描述字一樣，後續的操作都有用到它，把它作為引數，通過它來進行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同引數值，以開啟不同的檔案。建立socket的時候，也可以指定不同的引數建立不同的socket描述符，socket函式的三個引數分別為：

• domain：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址型別，在通訊中必須採用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與埠號（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個絕對路徑名作為地址。
• type：指定socket型別。常用的socket型別有SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
• protocol：故名思意，就是指定協議。常用的協議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對應TCP傳輸協議、UDP傳輸協議、STCP傳輸協議、TIPC傳輸協議（後面兩種在網路程式設計當中很少見到，大家不需要深究）

注意：並不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當protocol為0時，會自動選擇type型別對應的預設協議。

當我們呼叫socket建立一個socket時，返回的socket描述字它存在於協議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個具體的地址。如果想要給它賦值一個地址，就必須呼叫bind()函式，否則就當呼叫connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個埠。

3.2、bind()函式

正如上面所說bind()函式把一個地址族中的特定地址賦給socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和埠號組合賦給socket。

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

函式的三個引數分別為：

• sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函式建立了，唯一標識一個socket。bind()函式就是將給這個描述字繫結一個名字。
• addr：一個conststructsockaddr *指標，指向要繫結給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址建立socket時的地址協議族的不同而不同。
• addrlen：對應的是地址的長度。

下面是一個bind()函式的例子，希望大家可以理解這個用法

    	struct sockaddr_in server_addr;
	int server_len = sizeof(server_addr);
	memset(&server_addr, 0, server_len);

	server_addr.sin_family = AF_INET;
	//server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0"); //用這個寫法也可以
	server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	server_addr.sin_port = htons(39002);

	//繫結檔案描述符和伺服器的ip和埠號
	int m_bindfd = bind(m_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, server_len);

通常伺服器在啟動的時候都會繫結一個眾所周知的地址（如ip地址+埠號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連伺服器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個埠號和自身的ip地址組合。這就是為什麼通常伺服器端在listen之前會呼叫bind()，而客戶端就不會呼叫，而是在connect()時由系統隨機生成一個。

網路位元組序與主機位元組序

主機位元組序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的位元組序型別，這些位元組序是指整數在記憶體中儲存的順序，這個叫做主機序。引用標準的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：

　　a) Little-Endian就是低位位元組排放在記憶體的低地址端，高位位元組排放在記憶體的高地址端。

　　b) Big-Endian就是高位位元組排放在記憶體的低地址端，低位位元組排放在記憶體的高地址端。

網路位元組序：4個位元組的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然後16～23bit，最後是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端位元組序。由於TCP/IP首部中所有的二進位制整數在網路中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網路位元組序。位元組序，顧名思義位元組的順序，就是大於一個位元組型別的資料在記憶體中的存放順序，一個位元組的資料沒有順序的問題了。

所以：在將一個地址繫結到socket的時候，請先將主機位元組序轉換成為網路位元組序，而不要假定主機位元組序跟網路位元組序一樣使用的是Big-Endian。由於這個問題曾引發過血案！公司專案程式碼中由於存在這個問題，導致了很多莫名其妙的問題，所以請謹記對主機位元組序不要做任何假定，務必將其轉化為網路位元組序再賦給socket。

3.3、listen()

如果作為一個伺服器，在呼叫socket()、bind()之後就會呼叫listen()來監聽這個socket。

int listen(int sockfd, int backlog);

listen函式的第一個引數即為要監聽的socket描述字，就是上面建立的那個socket()函式的返回值。第二個引數為相應socket可以排隊的最大連線個數，可以理解為有多少個客戶端連線。

注意：socket()函式建立的socket預設是一個主動型別的，listen函式將socket變為被動型別的，等待客戶的連線請求。listen()如果返回 –1 ，那麼說明在listen()的執行過程中發生了錯誤。

3.4、connect()函式

客戶端通過呼叫connect函式來建立與TCP伺服器的連線，connect()函式結構如下

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

connect函式的第一個引數即為客戶端的socket描述字，就是上面客戶端建立的socket()函式的返回值，一般都是大於0的。第二引數為伺服器的socket地址，是一個儲存遠端計算機的IP地址和埠資訊的結構，一般為伺服器的ip與port。第三個引數為socket地址的長度，這裡addrlen=sizeof(addr)。

注意：這裡的遠端服務端的埠一定要設定好，千萬不要設定了被伺服器防火牆攔截的埠。之前我就是一直無法連線，後面查詢才知道，我設定的埠被伺服器防火牆給攔截了。切記切記！！！

3.4、accept()函式

TCP伺服器端依次呼叫socket()、bind()、listen()之後，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次呼叫socket()、connect()之後就想TCP伺服器傳送了一個連線請求。TCP伺服器監聽到這個請求之後，就會呼叫accept()函式取接收請求，這樣連線就建立好了。之後就可以開始網路I/O操作了，即類同於普通檔案的讀寫I/O操作。

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

accept函式的第一個引數為伺服器的socket描述字，第二個引數為指向structsockaddr *的指標，用於返回客戶端的協議地址，第三個引數為協議地址的長度，要注意這個長度的型別是socklen_t，不可寫成int。如果accpet成功，那麼其返回值是由核心自動生成的一個全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連線。

//定義客戶端的套接字，這裡返回一個新的套接字，後面通訊時，就用這個m_connfd進行通訊
	struct sockaddr_in client_addr;
	socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
	int m_connfd = accept(m_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);

注意：accept的第一個引數為伺服器的socket描述字，是伺服器開始呼叫socket()函式生成的，稱為監聽socket描述字；而accept函式返回的是已連線的socket描述字。一個伺服器通常通常僅僅只建立一個監聽socket描述字，它在該伺服器的生命週期內一直存在。核心為每個由伺服器程序接受的客戶連線建立了一個已連線socket描述字，當伺服器完成了對某個客戶的服務，相應的已連線socket描述字就被關閉。

3.5、read()、write()等函式

到了這裡，伺服器與客戶已經建立好連線了。建立連線之後，我們就是傳送通過客戶端傳送資料給服務端，當然也可以服務端發過來。因為TCP連線時全雙工的。用以下函式可以實現了網網路中不同程序之間的通訊！網路I/O操作有下面幾組：

read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()

筆者這裡經常用的時read()/write()和recv()/send這兩組函式，當然其他的也是可以的。具體有啥區別，我也沒有太多的去深究。有興趣的同學可以去了解了解。

#include <unistd.h>

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

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

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
			  const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
				struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函式是負責從fd中讀取內容。當讀成功時，read返回實際所讀的位元組數，如果返回的值是0表示已經讀到檔案的結束了，小於0表示出現了錯誤。如果錯誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網路連接出了問題。

write函式將buf中的nbytes位元組內容寫入檔案描述符fd。成功時返回寫的位元組數，失敗時返回-1，並設定errno變數。 在網路程式中，當我們向套接字檔案描述符寫時有兩種可能。1)write的返回值大於0，表示寫了部分或者是全部的資料。2)返回的值小於0，此時出現了錯誤。我們要根據錯誤型別來處理。如果錯誤為EINTR表示在寫的時候出現了中斷錯誤。如果為EPIPE表示網路連接出現了問題(對方已經關閉了連線)。

3.6、close()函式

在伺服器與客戶端建立連線之後，會進行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關閉相應的socket描述字，好比操作完開啟的檔案要呼叫fclose關閉開啟的檔案。

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

該函式的引數就是上面建立的socket的返回值，該描述字不能再由呼叫程序使用，也就是說不能再作為read或write的第一個引數。至此，socket就會關閉，連線斷掉，不能在進行通訊了。我們熟知的http協議，每次請求之後都會斷開，就是呼叫了這個close()函式的原因。

注意：close操作只是使相應socket描述字的引用計數-1，只有當引用計數為0的時候，才會觸發TCP客戶端向伺服器傳送終止連線請求。

4、程式碼的缺陷

以上服務端和客戶端的程式碼是socket通訊中最基礎的，就是說要想實現兩臺計算機通訊，以上函式都是必須的。但是如果大家有去執行以上程式碼的話就會發現，啟動服務端後，在啟動客戶端，這時候只是執行一次，客戶端和服務端就都close()退出了，也就是說長連線斷掉了，這顯然不符合實際的使用情況。我們需要的是源源不斷的可以傳送資料，那麼以上程式碼如何改呢？大家可以思考思考。

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