我们深谙信息交流的价值，那网络中进程之间如何通信，如我们每天打开浏览器浏览网页时，浏览器的进程怎么与web服务器通信的？当你用qq聊天时，qq进程怎么与服务器或你好友所在的qq进程通信？这些都得靠socket？那什么是socket？socket的类型有哪些？还有socket的基本函数，这些都是本文想介绍的。本文的主要内容如下：
- 1、网络中进程之间如何通信？
- 2、socket是什么？
- 3、socket的基本操作3.1、socket()函数3.2、bind()函数3.3、listen()、connect()函数3.4、accept()函数3.5、read()、write()函数等3.6、close()函数
- 4、socket中tcp的三次握手建立连接详解
- 5、socket中tcp的四次握手释放连接详解
- 6、一个例子
本地的进程间通信（ipc）有很多种方式，但可以所以为下面4类：
- 消息传递（管道、fifo、消息队列）
- 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
- 共享内存（匿名的和具名的）
- 远程过程调用（solaris门和sun rpc）
但这些都不是本文的主题！我们要讨论的是网络中进程之间如何通信？首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！在本地可以通过进程pid来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实tcp/ip协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议 端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。
使用tcp/ip协议的应用程序通常采用应用编程接口：unix bsd的套接字（socket）和unix system v的tli（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。
上面我们已经知道网络中的进程是通过socket来通信的，那什么是socket呢？socket起源于unix，而unix/linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写io、打开、关闭），这些函数我们在后面进行介绍。
socket一词的起源
在组网领域的首次使用是在1970年2月12日发布的文献ietf rfc33中发现的，撰写者为stephen carr、steve crocker和vint cerf。根据美国计算机历史博物馆的记载，croker写道：“命名空间的元素都可称为套接字接口。一个套接字接口构成一个连接的一端，而一个连接可完全由一对套接字接口规定。”计算机历史博物馆补充道：“这比bsd的套接字接口定义早了大约12年。”
既然socket是“open—write/read—close”模式的一种实现，那么socket就提供了这些操作对应的函数接口。下面以tcp为例，介绍几个基本的socket接口函数。
3.1、socket()函数
int socket(int domain, int type, int protocol);socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。
正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：
- domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，af_inet、af_inet6、af_local（或称af_unix，unix域socket）、af_route等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如af_inet决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、af_unix决定了要用一个绝对路径名作为地址。
- type：指定socket类型。常用的socket类型有，sock_stream、sock_dgram、sock_raw、sock_packet、sock_seqpacket等等（socket的类型有哪些？）。
- protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，ipproto_tcp、ipptoto_udp、ipproto_sctp、ipproto_tipc等，它们分别对应tcp传输协议、udp传输协议、stcp传输协议、tipc传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）。
注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如sock_stream不可以跟ipproto_udp组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。
当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，af_xxx）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。
3.2、bind()函数
正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应af_inet、af_inet6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);函数的三个参数分别为：
- sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
- addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是：
struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; /* address family: af_inet */ in_port_t sin_port; /* port in network byte order */ struct in_addr sin_addr; /* internet address */ }; /* internet address. */ struct in_addr { uint32_t s_addr; /* address in network byte order */ };ipv6对应的是： struct sockaddr_in6 { sa_family_t sin6_family; /* af_inet6 */ in_port_t sin6_port; /* port number */ uint32_t sin6_flowinfo; /* ipv6 flow information */ struct in6_addr sin6_addr; /* ipv6 address */ uint32_t sin6_scope_id; /* scope id (new in 2.4) */ }; struct in6_addr { unsigned char s6_addr[16]; /* ipv6 address */ };unix域对应的是： #define unix_path_max 108 struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family; /* af_unix */ char sun_path[unix_path_max]; /* pathname */ }; - addrlen：对应的是地址的长度。
通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址 端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。
网络字节序与主机字节序
主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的cpu有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的big-endian和little-endian的定义如下：
a) little-endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
b) big-endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
网络字节序：4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于tcp/ip首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。
所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是big-endian。由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。
3.3、listen()、connect()函数
如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。
int listen(int sockfd, int backlog);int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。
connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与tcp服务器的连接。
3.4、accept()函数
tcp服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。tcp客户端依次调用socket()、connect()之后就想tcp服务器发送了一个连接请求。tcp服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络i/o操作了，即类同于普通文件的读写i/o操作。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的tcp连接。
注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。
3.5、read()、write()等函数
万事具备只欠东风，至此服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络i/o进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！网络i/o操作有下面几组：
- read()/write()
- recv()/send()
- readv()/writev()
- recvmsg()/sendmsg()
- recvfrom()/sendto()
我推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的i/o函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：
#include ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); #include #include 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函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为eintr说明读是由中断引起的，如果是econnrest表示网络连接出了问题。
write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。 在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为eintr表示在写的时候出现了中断错误。如果为epipe表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。
其它的我就不一一介绍这几对i/o函数了，具体参见man文档或者baidu、google，下面的例子中将使用到send/recv。
3.6、close()函数
在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。
#include int close(int fd); close一个tcp socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。
注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发tcp客户端向服务器发送终止连接请求。
我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：
- 客户端向服务器发送一个syn j
- 服务器向客户端响应一个syn k，并对syn j进行确认ack j 1
- 客户端再想服务器发一个确认ack k 1
只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：
图1、socket中发送的tcp三次握手
从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了syn j包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到syn j包，调用accept函数接收请求向客户端发送syn k ，ack j 1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的syn k ，ack j 1之后，这时connect返回，并对syn k进行确认；服务器收到ack k 1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。
所以：客户端的connect在三次握手的第二个次返回，而服务器端的accept在三次握手的第三次返回。
上面介绍了socket中tcp的三次握手建立过程，及其涉及的socket函数。现在我们介绍socket中的四次握手释放连接的过程，请看下图：
图2、socket中发送的tcp四次握手
图示过程如下：
- 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时tcp发送一个fin m；
- 另一端接收到fin m之后，执行被动关闭，对这个fin进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为fin的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
- 一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的tcp也发送一个fin n；
- 接收到这个fin的源发送端tcp对它进行确认。
这样每个方向上都有一个fin和ack。
6.下面给出实现的一个实例
首先，先给出实现的截图
服务器端代码如下：
#include “initsock.h”
#include
#include
using namespace std;
cinitsock initsock; // 初始化winsock库
int main()
{
// 创建套节字
socket slisten = ::socket(af_inet, sock_stream, ipproto_tcp);
//用来指定套接字使用的地址格式，通常使用af_inet
//指定套接字的类型，若是sock_dgram，则用的是udp不可靠传输
//配合type参数使用，指定使用的协议类型（当指定套接字类型后，可以设置为0，因为默认为udp或tcp）
if(slisten == invalid_socket)
{
printf(“failed socket() n”);
return 0;
}
// 填充sockaddr_in结构 ,是个结构体
/* struct sockaddr_in {
short sin_family; //地址族（指定地址格式） ，设为af_inet
u_short sin_port; //端口号
struct in_addr sin_addr; //ip地址
char sin_zero[8]; //空子节，设为空
} */
sockaddr_in sin;
sin.sin_family = af_inet;
sin.sin_port = htons(4567); //1024 ~ 49151：普通用户注册的端口号
sin.sin_addr.s_un.s_addr = inaddr_any;
// 绑定这个套节字到一个本地地址
if(::bind(slisten, (lpsockaddr)&sin, sizeof(sin)) == socket_error)
{
printf(“failed bind() n”);
return 0;
}
// 进入监听模式
//2指的是，监听队列中允许保持的尚未处理的最大连接数
if(::listen(slisten, 2) == socket_error)
{
printf(“failed listen() n”);
return 0;
}
// 循环接受客户的连接请求
sockaddr_in remoteaddr;
int naddrlen = sizeof(remoteaddr);
socket sclient = 0;
char sztext[] = ” tcp server demo! rn”;
while(sclient==0)
{
// 接受一个新连接
//（(sockaddr*)&remoteaddr）一个指向sockaddr_in结构的指针，用于获取对方地址
sclient = ::accept(slisten, (sockaddr*)&remoteaddr, &naddrlen);
if(sclient == invalid_socket)
{
printf(“failed accept()”);
}
printf(“接受到一个连接：%s rn”, inet_ntoa(remoteaddr.sin_addr));
continue ;
}
while(true)
{
// 向客户端发送数据
gets(sztext) ;
::send(sclient, sztext, strlen(sztext), 0);
// 从客户端接收数据
char buff[256] ;
int nrecv = ::recv(sclient, buff, 256, 0);
if(nrecv > 0)
{
buff[nrecv] = ‘’;
printf(” 接收到数据：%sn”, buff);
}
}
// 关闭同客户端的连接
::closesocket(sclient);
// 关闭监听套节字
::closesocket(slisten);
return 0;
}
客户端代码：
#include “initsock.h”
#include
#include
using namespace std;
cinitsock initsock; // 初始化winsock库
int main()
{
// 创建套节字
socket s = ::socket(af_inet, sock_stream, ipproto_tcp);
if(s == invalid_socket)
{
printf(” failed socket() n”);
return 0;
}
// 也可以在这里调用bind函数绑定一个本地地址
// 否则系统将会自动安排
// 填写远程地址信息
sockaddr_in servaddr;
servaddr.sin_family = af_inet;
servaddr.sin_port = htons(4567);
// 注意，这里要填写服务器程序（tcpserver程序）所在机器的ip地址
// 如果你的计算机没有联网，直接使用127.0.0.1即可
servaddr.sin_addr.s_un.s_addr = inet_addr(“127.0.0.1”);
if(::connect(s, (sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
{
printf(” failed connect() n”);
return 0;
}
char buff[256];
char sztext[256] ;
while(true)
{
//从服务器端接收数据
int nrecv = ::recv(s, buff, 256, 0);
if(nrecv > 0)
{
buff[nrecv] = ‘’;
printf(“接收到数据：%sn”, buff);
}
// 向服务器端发送数据
gets(sztext) ;
sztext[255] = ‘’;
::send(s, sztext, strlen(sztext), 0) ;
}
// 关闭套节字
::closesocket(s);
return 0;
}
封装的initsock.h
#include
#include
#include
#include
#pragma comment(lib, “ws2_32”) // 链接到ws2_32.lib
class cinitsock
{
public:
cinitsock(byte minorver = 2, byte majorver = 2)
{
// 初始化ws2_32.dll
wsadata wsadata;
word sockversion = makeword(minorver, majorver);
if(::wsastartup(sockversion, &wsadata) != 0)
{
exit(0);
}
}
~cinitsock()
{
::wsacleanup();
}
};
