對linux中socket的理解
一、socket
一般來說socket有一個別名也叫做套接字。
socket起源於Unix，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關閉close”模式來操作。Socket就是該模式的一個實現，socket即是一種特殊的文件，一些socket函數就是對其進行的操作（讀/寫IO、打開、關閉）。
說白了Socket是應用層與TCP/IP協議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把復雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket接口后面，對用戶來說，一組簡單的接口就是全部，讓Socket去組織數據，以符合指定的協議，而不需要讓用戶自己去定義什么時候需要指定哪個協議哪個函數。
其實socket也沒有層的概念，它只是一個facade設計模式的應用，讓編程變的更簡單。是一個軟件抽象層。在網絡編程中，我們大量用的都是通過socket實現的。
1.1套接字描述符
其實就是一個整數，我們最熟悉的句柄是0、1、2三個，0是標准輸入，1是標准輸出，2是標准錯誤輸出。0、1、2是整數表示的，對應的FILE *結構的表示就是stdin、stdout、stderr
套接字API最初是作為UNIX操作系統的一部分而開發的，所以套接字API與系統的其他I/O設備集成在一起。特別是，當應用程序要為因特網通信而創建一個套接字（socket）時，操作系統就返回一個小整數作為描述符（descriptor）來標識這個套接字。然后，應用程序以該描述符作為傳遞參數，通過調用函數來完成某種操作（例如通過網絡傳送數據或接收輸入的數據）。
在許多操作系統中，套接字描述符和其他I/O描述符是集成在一起的，所以應用程序可以對文件進行套接字I/O或I/O讀/寫操作。
當應用程序要創建一個套接字時，操作系統就返回一個小整數作為描述符，應用程序則使用這個描述符來引用該套接字需要I/O請求的應用程序請求操作系統打開一個文件。操作系統就創建一個文件描述符提供給應用程序訪問文件。從應用程序的角度看，文件描述符是一個整數，應用程序可以用它來讀寫文件。下圖顯示，操作系統如何把文件描述符實現為一個指針數組，這些指針指向內部數據結構。
對於每個程序系統都有一張單獨的表。精確地講，系統為每個運行的進程維護一張單獨的文件描述符表。當進程打開一個文件時，系統把一個指向此文件內部數據結構的指針寫入文件描述符表，並把該表的索引值返回給調用者 。應用程序只需記住這個描述符，並在以后操作該文件時使用它。操作系統把該描述符作為索引訪問進程描述符表，通過指針找到保存該文件所有的信息的數據結構。
針對套接字的系統數據結構：
1）、套接字API里有個函數socket，它就是用來創建一個套接字。套接字設計的總體思路是，單個系統調用就可以創建任何套接字，因為套接字是相當籠統的。一旦套接字創建后，應用程序還需要調用其他函數來指定具體細節。例如調用socket將創建一個新的描述符條目：
2）、雖然套接字的內部數據結構包含很多字段，但是系統創建套接字后，大多數字字段沒有填寫。應用程序創建套接字后在該套接字可以使用之前，必須調用其他的過程來填充這些字段。
二、基本的socket接口函數
服務器端先初始化/創建Socket，然后與端口綁定/綁定地址(bind)，對端口進行監聽(listen)，調用accept阻塞/等待連續，等待客戶端連接。在這時如果有個客戶端初始化一個Socket，然后連接服務器(connect)，如果連接成功，這時客戶端與服務器端的連接就建立了。客戶端發送數據請求，服務器端接收請求並處理請求，然后把回應數據發送給客戶端，客戶端讀取數據，最后關閉連接，一次交互結束。
2.1socket函數
函數原型：
int socket(int protofamily, int type, int protocol);
返回值：
//返回sockfd sockfd是描述符,類似於open函數。
函數功能：
socket函數對應於普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個文件描述字，而socket()用於創建一個socket描述符（socket descriptor），它唯一標識一個socket。這個socket描述字跟文件描述字一樣，后續的操作都有用到它，把它作為參數，通過它來進行一些讀寫操作。
函數參數：
protofamily：即協議域，又稱為協議族（family）。常用的協議族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協議族決定了socket的地址類型，在通信中必須采用對應的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號（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類型。常用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
protocol：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
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類型對應的默認協議。
當我們調用socket創建一個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，就必須調用bind()函數，否則就當調用connect()、listen()時系統會自動隨機分配一個端口。
2.2bind()函數
函數功能：
bind()函數把一個地址族中的特定地址賦給socket，也可以說是綁定ip端口和socket。例如對應AF_INET、AF_INET6就是把一個ipv4或ipv6地址和端口號組合賦給socket。
函數原型：
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函數參數：
1.函數的三個參數分別為：sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數創建了，唯一標識一個socket。bind()函數就是將給這個描述字綁定一個名字。
2.addr：一個const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協議地址。這個地址結構根據地址創建socket時的地址協議族的不同而不同，
3.addrlen：對應的是地址的長度。
通用函數類型：
struct sockaddr{
sa_family_t sa_family;
char sa_data[14];
}
如ipv4對應的是：
struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; /* address family: AF_INET */ in_port_t sin_port; /* port in network byte order 2字節*/ struct in_addr sin_addr; /* internet address 4字節*/
unsigned char sin_zero[8]; }; /* Internet address. */ struct in_addr { uint32_t s_addr; /* address in network byte order */ };
ipv6對應的是：
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域對應的是：
#define UNIX_PATH_MAX 108
struct sockaddr_un {
sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */
char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */
};
通常服務器在啟動的時候都會綁定一個眾所周知的地址（如ip地址+端口號），用於提供服務，客戶就可以通過它來接連服務器；而客戶端就不用指定，有系統自動分配一個端口號和自身的ip地址組合。這就是為什么通常服務器端在listen之前會調用bind()，而客戶端就不會調用，而是在connect()時由系統隨機生成一個。
2.2.1地址轉換
int_addr_t indet_addr(const char *cp)
功能：將字符串形式的IP地址轉化為整數型的IP地址（網絡字節序）
范例：int_addr.saddr=inet_addr("192.168.1.1");
char *inet_ntoa(struct in_addr)
功能：將整數形式的IP地址轉化為字符串形式的IP地址
2.2.2網絡字節序
網絡字節序定義：收到的第一個字節被當作高位看待，這就要求發送端發送的第一個字節應當是高位。而在發送端發送數據時，發送的第一個字節是該數字在內存中起始地址對應的字節。可見多字節數值在發送前，在內存中數值應該以大端法存放。
網絡字節序說是大端字節序。
小端法(Little-Endian)就是低位字節排放在內存的低地址端即該值的起始地址，高位字節排放在內存的高地址端。
大端法(Big-Endian)就是高位字節排放在內存的低地址端即該值的起始地址，低位字節排放在內存的高地址端。
網絡字節序轉化：---->不論是數據還是地址只要大於兩個字節就必須轉換
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
將32位的數據從主機字節序轉換為網絡字節序
in_addr.saddr = htonl(INADDR_ANY)
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
將16位的數據從主機字節序轉換為網絡字節序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
將32位的數據從網絡字節序轉換為主機字節序
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
將16位的數據從網絡字節序轉換為主機字節序
2.3、listen()、connect()函數
如果作為一個服務器，在調用socket()、bind()之后就會調用listen()來監聽這個socket，如果客戶端這時調用connect()發出連接請求，服務器端就會接收到這個請求。
int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
listen函數的第一個參數即為要監聽的socket描述字，第二個參數為相應socket可以排隊的最大連接個數。socket()函數創建的socket默認是一個主動類型的，listen函數將socket變為被動類型的，等待客戶的連接請求。
connect函數的第一個參數即為客戶端的socket描述字，第二參數為服務器的socket地址，第三個參數為socket地址的長度。客戶端通過調用connect函數來建立與TCP服務器的連接。成功返回0，若連接失敗則返回-1。
2.4、accept()函數
TCP服務器端依次調用socket()、bind()、listen()之后，就會監聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調用socket()、connect()之后就向TCP服務器發送了一個連接請求。TCP服務器監聽到這個請求之后，就會調用accept()函數取接收請求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網絡I/O操作了，即類同於普通文件的讀寫I/O操作。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回連接connect_fd
- 參數sockfd
- 參數sockfd就是上面解釋中的監聽套接字，這個套接字用來監聽一個端口，當有一個客戶與服務器連接時，它使用這個一個端口號，而此時這個端口號正與這個套接字關聯。當然客戶不知道套接字這些細節，它只知道一個地址和一個端口號。
- 參數addr
- 這是一個結果參數，它用來接受一個返回值，這返回值指定客戶端的地址，當然這個地址是通過某個地址結構來描述的，用戶應該知道這一個什么樣的地址結構。如果對客戶的地址不感興趣，那么可以把這個值設置為NULL。
- 參數len
- 如同大家所認為的，它也是結果的參數，用來接受上述addr的結構的大小的，它指明addr結構所占有的字節個數。同樣的，它也可以被設置為NULL。
如果accept成功返回，則服務器與客戶已經正確建立連接了，此時服務器通過accept返回的套接字來完成與客戶的通信。
注意：
accept默認會阻塞進程，直到有一個客戶連接建立后返回，它返回的是一個新可用的套接字，這個套接字是連接套接字。
此時我們需要區分兩種套接字，
監聽套接字: 監聽套接字正如accept的參數sockfd，它是監聽套接字，在調用listen函數之后，是服務器開始調用socket()函數生成的，稱為監聽socket描述字(監聽套接字)
連接套接字：一個套接字會從主動連接的套接字變身為一個監聽套接字；而accept函數返回的是已連接socket描述字(一個連接套接字)，它代表着一個網絡已經存在的點點連接。
一個服務器通常通常僅僅只創建一個監聽socket描述字，它在該服務器的生命周期內一直存在。內核為每個由服務器進程接受的客戶連接創建了一個已連接socket描述字，當服務器完成了對某個客戶的服務，相應的已連接socket描述字就被關閉。
連接套接字socketfd_new 並沒有占用新的端口與客戶端通信，依然使用的是與監聽套接字socketfd一樣的端口號
2.5、recv()/send()函數
當然也可以使用其他函數來實現數據傳送，比如read和write。
2.5.1send函數
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
不論是客戶還是服務器應用程序都用send函數來向TCP連接的另一端發送數據。
客戶程序一般用send函數向服務器發送請求，而服務器則通常用send函數來向客戶程序發送應答。
該函數的第一個參數指定發送端套接字描述符；
第二個參數指明一個存放應用程序要發送數據的緩沖區；
第三個參數指明實際要發送的數據的字節數；
第四個參數一般置0。
這里只描述同步Socket的send函數的執行流程。當調用該函數時，send先比較待發送數據的長度len和套接字s的發送緩沖的 長度，如果len大於s的發送緩沖區的長度，該函數返回SOCKET_ERROR；如果len小於或者等於s的發送緩沖區的長度，那么send先檢查協議是否正在發送s的發送緩沖中的數據，如果是就等待協議把數據發送完，如果協議還沒有開始發送s的發送緩沖中的數據或者s的發送緩沖中沒有數據，那么 send就比較s的發送緩沖區的剩余空間和len，如果len大於剩余空間大小send就一直等待協議把s的發送緩沖中的數據發送完，如果len小於剩余空間大小send就僅僅把buf中的數據copy到剩余空間里（注意並不是send把s的發送緩沖中的數據傳到連接的另一端的，而是協議傳的，send僅僅是把buf中的數據copy到s的發送緩沖區的剩余空間里）。如果send函數copy數據成功，就返回實際copy的字節數，如果send在copy數據時出現錯誤，那么send就返回SOCKET_ERROR；如果send在等待協議傳送數據時網絡斷開的話，那么send函數也返回SOCKET_ERROR。
要注意send函數把buf中的數據成功copy到s的發送緩沖的剩余空間里后它就返回了，但是此時這些數據並不一定馬上被傳到連接的另一端。如果協議在后續的傳送過程中出現網絡錯誤的話，那么下一個Socket函數就會返回SOCKET_ERROR。（每一個除send外的Socket函數在執行的最開始總要先等待套接字的發送緩沖中的數據被協議傳送完畢才能繼續，如果在等待時出現網絡錯誤，那么該Socket函數就返回 SOCKET_ERROR）
2.5.2recv函數學習
int recv( SOCKET s, char FAR *buf, int len, int flags );
不論是客戶還是服務器應用程序都用recv函數從TCP連接的另一端接收數據。
該函數的第一個參數指定接收端套接字描述符；
第二個參數指明一個緩沖區，該緩沖區用來存放recv函數接收到的數據；
第三個參數指明buf的長度；
第四個參數一般置0。
這里只描述同步Socket的recv函數的執行流程。當應用程序調用recv函數時，recv先等待s的發送緩沖中的數據被協議傳送完畢，如果協議在傳送s的發送緩沖中的數據時出現網絡錯誤，那么recv函數返回SOCKET_ERROR，如果s的發送緩沖中沒有數據或者數據被協議成功發送完畢后，recv先檢查套接字s的接收緩沖區，如果s接收緩沖區中沒有數據或者協議正在接收數據，那么recv就一直等待，只到協議把數據接收完畢。當協議把數據接收完畢，recv函數就把s的接收緩沖中的數據copy到buf中（注意協議接收到的數據可能大於buf的長度，所以 在這種情況下要調用幾次recv函數才能把s的接收緩沖中的數據copy完。recv函數僅僅是copy數據，真正的接收數據是協議來完成的），recv函數返回其實際copy的字節數。如果recv在copy時出錯，那么它返回SOCKET_ERROR；如果recv函數在等待協議接收數據時網絡中斷了，那么它返回0。
2.6、close()函數
在服務器與客戶端建立連接之后，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，好比操作完打開的文件要調用fclose關閉打開的文件。
#include <unistd.h>
int close(int fd);
close一個TCP socket的缺省行為時把該socket標記為以關閉，然后立即返回到調用進程。該描述字不能再由調用進程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個參數。
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客戶端向服務器發送終止連接請求。