UNP筆記-基本的套接字程式設計
基本的套接字程式設計
socket函式
想要執行網路I/O，首先需要呼叫socket函式建立套接字，需要標頭檔案#include <sys/socket.h>
int socket (int domain, int type, int protocol);
引數：
domain: 執行協議域，取值如下：
| domain | 說明 |
|---|---|
| AF_INET | IPV4協議 |
| AF_INET6 | IPV6協議 |
| AF_LOCAL | Unix 域協議 |
| AF_ROUTE | 路由套接字 |
| AF_KEY | 金鑰套接字 |
type: 套接字型別，取值如下
| type | 說明 |
|---|---|
| SOCK_STREAM | 位元組流套接字 |
| SOCK_DGRAM | 資料報套接字 |
| SOCK_SEQPACKET | 有序分組套接字 |
| SOCK_RAW | 原始套接字 |
protocol: 某個協議型別常值，或者設定為0。
| protocal | 說明 |
|---|---|
| IPPROTO_TCP | TCP傳輸協議 |
| IPPROTO_UDP | UDP傳輸協議 |
| IPPROTO_SCTP | SCTP傳輸協議 |
如果使用預設，protocol可以填0。
返回值：
成功時返回一個int型整數，是一個類似於檔案描述符的網路套接字描述符。
出錯返回-1。
注：在本函式中，domain 和 type的組合不一定有效，有效的組合如下所示：
| AF_INET | AF_INET6 | AF_LOCAL | AF_ROUTE | AF_KEY | |
|---|---|---|---|---|---|
| SOCK_STREAM | TCP / SCTP | TCP / SCTP | 是 | ||
| SOCK_DGRAM | UDP | UDP | 是 | ||
| SOCK_SEQPACKET | SCTP | SCTP | 是 | ||
| SOCK_RAW | IPV4 | IPV6 | 是 | 是 |
其中domain還有以PF_開頭的，還有其他BSD支援的協議域，不過多介紹。表格中“是”表示可以組合，但是沒有有效的名稱，空白是無效組合。
connect 函式（客戶端）
如果客戶端想要連線伺服器，必須使用connect函式完成，需要引入標頭檔案#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);
引數：
sockfd: 是之前socket函式返回的套接字描述符。servaddr: 指向伺服器套接字地址結構體的指標，必須含有伺服器的IP地址和埠。addrlen: 指向伺服器套接字地址結構體的大小。
返回值：
成功，返回0；
失敗，返回-1，並設定error值。
注意：
- 客戶端在呼叫connect前不一定非要呼叫bind函式，因為核心會確定源IP地址，並選擇一個臨時埠作為源埠。
- 如果是TCP套接字，呼叫connect函式將激發三次握手過程。在連線建立成功或出錯時返回。出錯情況如下：
ETIMEDOUT: 客戶端沒有收到SYN分節的響應。
ECONNREFUSED: 伺服器對客戶端SYN的響應是RST(復位)，說明伺服器在指定的埠上沒有程序在等待與之連線(硬體錯)。
EHOSTUNREACH / ENETUNREACH: 客戶端傳送的SYN在某個路由器引發了目的地不可達的ICMP錯誤(軟錯誤)。
bind函式
如果想要將socket函式建立的套接字與一個本地協議地址捆綁起來，需要使用bind函式，標頭檔案#include <sys/types.h>、 #include <sys/socket.h>。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
引數：
sockfd: 呼叫socket函式返回的套接字。myaddr: 指向特定協議地址結構體的指標。addrlen: 特定協議地址結構體的大小。
返回值：
成功，返回0；
失敗，返回-1，並設定error值。
出錯情況：
EADDRINUSE : 地址已經使用
注意：
-
bind函式捆綁時，可以指定IP和埠，也可以不指定，不指定的話核心會要為相應的套接字選擇一個臨時埠，但是如果是伺服器創建出來的套接字地址資訊客戶端不會知道。
-
bind指定IP埠和不指定產生的結果如下：
IP 埠 結果 非指定 0 核心選擇IP和埠 非指定 非0 核心選擇IP，程序指定埠 指定本機IP 0 程序指定IP，核心選擇埠 指定本機IP 非0 程序指定IP和埠 -
如果想指定地址為通配地址，IPV4為
INADDR_ANY，IPV6為in6addr_any，標頭檔案為#include <netinet/in.h>。servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //ipv4 servaddr.sin6_addr = in6addr_any; //ipv6 -
bind並不返回核心所選擇的臨時埠的值。因為const限定，如果想要得到核心選擇的臨時埠，需要使用
getsockname來返回協議地址。
listen函式（伺服器）
伺服器如果需要監聽客戶端連線，需要使用listen函式，標頭檔案#include <sys/socket.h>。
int listen(int sockfd, int backlog);
引數：
sockfd: 之前socket函式建立的套接字描述符backlog: 規定了核心應該為該套接字排隊的最大連線個數。核心為監聽套接字維護了兩個佇列。一個是未完成連線佇列，主要是客戶端發出SYN到伺服器，伺服器正在等待完成相應的TCP三路握手過程，此時套接字處於SYN_RCVD狀態。另一個是已經完成的佇列，此時套接字處於ESTABLISHED狀態。badklog就是兩個佇列之和的最大值。呼叫listen函式後，將已經完成連線佇列的隊頭返回返回給程序；如果佇列為空，程序將睡眠，直到TCP在該佇列中放入一項才喚醒它。不要把backlog設定為0，因為不同的實現對此有不同的解釋。老核心一般指定為5，但是高併發下，該值偏小不夠用，新核心支援比較大的值。
返回值：
成功，返回0。
失敗，返回-1，並設定error值。
注意：
- 該函式必須在accept之前呼叫。
- 當使用socket函式建立一個套接字時，它預設是一個主動套接字。而listen函式將一個未連線的套接字轉換為被動套接字，指示核心應該接受該套接字的連線請求。
accept函式（伺服器）
上面listen函式的backlog引數提到一個已完成的佇列，accept函式就是用於從已完成連線的佇列對頭返回下一個已完成佇列，如果已完成佇列連線為空，那麼進入睡眠（套接字預設為阻塞狀態）。標頭檔案#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);
引數：
sockefd: 監聽套接字，是socket函式建立的套接字，接受成功後，會返回新的套接字。cliaddr: 是用來返回對端客戶端的地址結構資訊。addrlen: 是客戶端套接字地址結構的長度，由該長度確定核心中存放客戶端套接字的地址結構的確定位元組數。
返回值：
如果返回成功（值 > 0），返回值是核心生成的一個全新的描述符，代表伺服器與客戶端的連線，代表已連線套接字。一個伺服器通常僅建立一個監聽套接字，它在伺服器的生命週期內會一直存在。但是會建立多個已連線套接字，當伺服器完成某一客戶端的服務，已連線套接字可能會關閉。
如果失敗返回-1，並設定error值。
注意：
如果對接收後的客戶端的地址資訊不感興趣，cliaddr和addrlen引數都可以為空指標。
close函式
當處理完成後，關閉套接字描述符，並終止TCP連線，需要使用close函式，標頭檔案#include <unistd.h>。
int close(int sockfd);
引數：
- sockfd : 是一個套接字描述符或檔案描述符。
返回值：
成功返回0
失敗返回-1，並設定error值。
注意：
呼叫close後，該sockfd不能再被使用，但是TCP會嘗試傳送已排隊傳送到對端的任何資料，傳送完畢後發生的是正常的TCP連線終止序列。
描述符的引用計數
多程序的程式設計中，我們一般在父程序中呼叫listen後，然後通過accept接受客戶端 ，我們呼叫fork函式建立子程序，那麼現在listenfd和connfd在父子程序之間被共享（被複制），然而每個檔案或者套接字都有一個引用計數，引用計數通過檔案表項中維護，就是開啟者著的引用該檔案或套接字描述符的個數。那麼我們fork後，這兩個套接字相關聯的檔案表項的訪問計數都變為2。所以下一步就是，在父程序中關閉已連線套接字connfd，而在子程序關閉監聽套接字listenfd。
那麼如果我們不那麼做，父程序對每個accept返回的已連線套接字都不呼叫close，那麼將會發生以下狀況：
- 父程序最終將耗盡可用描述符。
- 沒有一個客戶端連線被終止。就運算元程序關閉，只是將引用計數值由2變為1，因為父程序不關閉任何已連線套接字connfd，這將會妨礙TCP連線終止序列的發生，連線將一直開啟。
獲得套接字關聯的地址
getsockname函式獲得某個套接字關聯的本地協議地址，標頭檔案為#include<sys/socket.h>
int getsockname(int sockfd,struct sockaddr* localaddr, socklen_t* addrlen);
getpeername函式獲得某個套接字關聯的外地協議地址
int getpeername(int sockfd,struct sockaddr* peeraddr, socklen_t* addrlen);
返回值：成功均返回0，出錯返回-1。
這兩個函式後兩個引數都是值-結果引數，所以需要自己定義結構然後傳入，結果由這兩個函式進行填充。
這兩個函式的作用如下：
- 客戶端沒有呼叫bind，直接connect，那麼並不知道連線的本地IP和埠是多少，就可以呼叫getsockname來獲取。
- 在使用埠號0呼叫bind，是由核心選擇埠號，可以呼叫getsockname返回核心賦予的埠號。
- getsockname可以獲取某個套接字的地址協議族。
- 在伺服器和客戶端建立連線後，getsockname可以用於返回核心賦予該連線的本地IP地址，但必須是已連線套接字描述符，不能是監聽套接字描述符。
- 當一個伺服器是通過一個程序呼叫exec執行程式執行時，想要獲取客戶端地址資訊的唯一途徑便是呼叫getpeername。