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Linux系统编程—套接字

爱写作的小土豆 2022-01-20 阅读 75
linuxsockettcp

1. socket

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

int socket(int domain, int type, int protocol);
  • 创建套接字。
  • 成功时返回新建的套接字文件描述符；失败时返回 -1，并设置 errno 。
  • domain 参数指定了通信域，常用值包括：AF_INET（IPv4）、AF_INET6（IPv6）。
  • type 参数指定了通信语义，常用值包括：SOCK_STREAM（字节流）、SOCK_GRAM（数据报）。
  • 自 Linux 2.6.27 以来，type 参数还可以或运算：SOCK_NONBLOCK（非阻塞模式）、SOCK_CLOEXEC（设置 close-on-exec 标志）。
  • protocol 参数指定要使用何种协议，通常设为 0 即可。

2. bind

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

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

  • 将 addr 指定的地址（大小为 addrlen 个字节）赋给 sockfd 所指向的套接字。

  • 成功时返回 0；失败时返回 -1，并设置 errno 。

  • 通用地址格式：

    struct sockaddr {
	sa_family_t sa_family;
	char        sa_data[14];
}

  • IPv4 地址格式：

    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 地址格式：

    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 */
};

3. listen

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

int listen(int sockfd, int backlog);
  • 将 sockfd 所指向的套接字标记为被动套接字，即后续可以通过accept() 接受到来的连接请求。
  • 成功时返回 0；失败时返回 -1，并设置 errno 。
  • sockfd 所指向套接字的类型需为：SOCK_STREAM 或 SOCK_SEQPACKET 。
  • backlog 指定了连接等待队列的最大长度。

4. accept

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

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

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/socket.h>

int accept4(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen, int flags);
  • 从 sockfd 所关联的监听套接字的连接队列中提取第一个连接，并新建一个套接字文件描述符来指向该连接（对端套接字）。
  • 成功时返回新建的套接字文件描述符；失败时返回 -1，并设置 errno 。
  • 于 addr 中返回对端套接字的地址；addrlen 传入时指定 addr 所指区域的大小，返回时更新为对端套接字的地址大小。
  • 如果对对端套接字的信息不感兴趣，可将 addr, addrlen 设为 NULL 。
  • 如果连接队列为空，且 sockfd 为阻塞模式，则 accept() 将阻塞住。
  • 对于 accept4() 来说，如果 flags 为 0，则等价于 accept() 。
  • flags 可取值为：SOCK_NONBLOCK（设置新建套接字为非阻塞模式），SOCK_CLOEXEC（设置新建套接字的 close-on-exec 标志）。

5. connect

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

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
  • 将 sockfd 指向的套接字连接到 addr 所指定的地址（大小为 addrlen 字节）。
  • 成功时返回 0；失败时返回 -1，并设置 errno 。
  • 如果 sockfd 所指套接字的类型为 SOCK_DGRAM，则 connect() 的作用是设置数据报的默认目的地址为 addr；可调用多次 connect() 。如果想解除此设置，可将 addr 的 sa_family 设为 AF_UNSPEC 。
  • 如果 sockfd 所指套接字的类型为 SOCK_STREAM 或 SOCK_SEQPACKET，则 connect() 的作用是发送一个连接请求到 addr 所绑定的套接字；通常只能调用一次 connect() 。

6. 套接字选项

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

int getsockopt(int sockfd, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
  • 获取、设置套接字选项。
  • 成功时返回 0；失败时返回 -1，并设置 errno 。
  • sockfd 指定了要操作哪个套接字，level 指定了选项所处的级别。
  • optname 指定了选项，optval 指定了选项值。optlen 指定了选项值的大小；对于 getsockopt() 来说，它是一个值-结果参数，需要在调用时初始化，并在其中返回选项值的大小。
  • 具体包括哪些选项可查看手册：man 7 socket、man 7 tcp、man 7 udp 。

7. inet_pton

#include <arpa/inet.h>

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
  • 将 IPv4/IPv6 地址字符串转换为二进制格式。
  • 成功时返回 1；如果传入的地址字符串格式无效，则返回 0；否则失败返回 -1，并设置 errno 。
  • af 指定了地址格式，可以为：AF_INET 或 AF_INET6 。
  • src 指向地址字符串，dst 指向转换结果。

8. inet_ntop

#include <arpa/inet.h>

const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
  • 将 二进制格式的 IPv4/IPv6 地址转换为地址字符串。
  • 成功时返回 dst，失败时返回 NULL ，并设置 errno 。
  • af 指定了地址格式，可以为：AF_INET 或 AF_INET6 。
  • src 指向二进制格式的地址，dst 指向转换结果，size 指定了 dst 所指内存区域的大小。

9. 字节序转换

#include <arpa/inet.h>

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);

uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
  • h 表示 host，即主机字节序；n 表示 network ，即网络字节序。

10. recvfrom

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

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                  struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
  • 通过 sockfd 指向的套接字接收数据。
  • 成功时返回接收到的字节数；失败时返回 -1，并设置 errno 。
  • 将接收到的数据存到 buf 中，len 指定了 buf 所指内存区域的大小。
  • 在 src_addr 中返回对端地址，addrlen 是一个值-结果参数，需要初始化，并在返回后指明对端地址的大小。
  • flags 用于指定接收操作的选项，可将其设为 0。

11. sendto

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

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
  • 通过 sockfd 指向的套接字发送数据。
  • 成功时返回发送的字节数；失败时返回 -1，并设置 errno 。
  • 将 buf 中的数据发送出去，len 指定了 buf 所指内存区域的大小。
  • 对端地址在 dest_addr 中指定，addrlen 为 dest_addr 所指内存区域的大小。
  • flags 用于指定发送操作的选项，可将其设为 0。

12. 例子

注：为简便起见，此处省略了返回值检查。

echo server：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string>

static const uint16_t Port = 6666;
static const char* Ip = "127.0.0.1";
static constexpr size_t MsgLen = 16;
static char Buf[MsgLen] = {0};

int main() {
	int listenSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    int value = 1;
    setsockopt(listenSock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &value, sizeof(int));

    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_port = htons(Port);
    addr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, Ip, &addr.sin_addr);

    bind(listenSock, (const struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    listen(listenSock, 4);

    while(true) {
    	int peerSock = accept(listenSock, NULL, NULL);
    	if (peerSock == -1) {
            perror("accept()");
            continue;
        }

        ssize_t n = read(peerSock, Buf, sizeof(Buf));
        write(peerSock, Buf, n);
        close(peerSock);
    }
}

echo client：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string>

static const uint16_t Port = 6666;
static const char* Ip = "127.0.0.1";
static const std::string Msg("Hello, World!");
static constexpr size_t MsgLen = 13;

int main() {
	int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_port = htons(Port);
    addr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, Ip, &addr.sin_addr);

    connect(sock, (const struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));

    char buf[MsgLen+1] = {0};
    ssize_t n = write(sock, Msg.c_str(), MsgLen);
    read(sock, buf, n);

    std::cout << "client: " << buf << '\n';

    close(sock);
    return 0;
}
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