iOS 網絡編程：socket

本文轉載自查看原文 2016-05-08 11:16 2684 iOS

1 Socket基礎

在IOS中，根據不同的語言環境可以使用不同的方法來創建socket連接。

1) 在Objective-C語言環境使用NSStream類API

＊如果知道遠程主機的 DNS或者是IP 地址，那么可以使用 CFStreamCreatePairWithSocketToHost 或者函數 CFStreamCreatePairWithSocketToCFHost創建 core foundation的連接，然后將CFStream對象toll-free bridged轉換為NSStream 對象。
＊也可以傳遞給 CFStreamCreatePairWithSocketToNetService函數一個CFNetServiceRef對象，來創建一個到Bonjour 服務器上的連接。

2) 在C語言環境使用CFStream類API

可以使用低級別的CFStream API來創建socket連接，這種方式與NSStream API的使用方式一樣，也是通過三個函數來創建與遠程主機的socket連接：CFStreamCreatePairWithSocketToHost 、CFStreamCreatePairWithSocketToCFHost或CFStreamCreatePairWithSocketToNetService。只是不需要將其轉換為NSStream 對象，其使用方式與第1種類似。

3) 在跨平台環境使用POSIX調用

也可以使用POSIX類型的socket連接，但是如果在OS X 和iOS系統中，應避免使用這種方式，因為其使用方式非常繁瑣。特別是不要在GUI主線程中使用同步方式的POSIX連接，因為這樣會影響用戶體驗。

2 BSD Socket

2.1 簡介

UNIX內核加入TCP/IP協議的時候，便在系統中引入了一種新的IO操作，只不過由於網絡連接的不可靠性，所以網絡IO比本地設備的IO復雜很多。這一系列的接口叫做BSD Socket API，當初由伯克利大學研發，最終成為網絡開發接口的標准。網絡通信從本質上講也是進程間通信，只是這兩個進程一般在網絡中不同計算機上。

由於本文重點是討論IOS的socket編程，並且Apple官網也不推薦使用BSD socket編程，所以這里只稍微紀錄，若需詳細研究可以參考《UNIX網絡編程卷1：套接字聯網API（第3版）》和另一篇筆記《Socket知識整理》。

2.2 基本程序

socket連接由TCP和UDP兩種類型，而TCP的使用頻率較高，下面參考《UNIX網絡編程卷1：套接字聯網API（第3版）》的基本TCP連接圖，實現一個簡單的例子，其中這個例子是UNIX程序，即在MAC系統中也可正確執行。

圖 21 基本TCP客戶端/服務器socket連接圖

2.2.1 Client端程序

2.2.2 Server端程序

1 #include <stdio.h>
2 #include <netinet/ in.h>
3 #include <sys/socket.h>
4 #include <arpa/inet.h>
5 #include < string.h>
6
7 int main ( int argc, const char * argv[])
8 {
9      struct sockaddr_in server_addr;
10     server_addr.sin_len = sizeof( struct sockaddr_in);
11     server_addr.sin_family = AF_INET; // Address families AF_INET互聯網地址簇
12     server_addr.sin_port = htons( 11332);
13     server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr( " 127.0.0.1 ");
14     bzero(&(server_addr.sin_zero), 8);
15
16      // 創建socket
17      int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // SOCK_STREAM 有連接
18      if (server_socket == - 1) {
19         perror( " socket error ");
20          return 1;
21     }
22
23      // 綁定socket：將創建的socket綁定到本地的IP地址和端口，此socket是半相關的，只是負責偵聽客戶端的連接請求，並不能用於和客戶端通信
24      int bind_result = bind(server_socket, ( struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
25      if (bind_result == - 1) {
26         perror( " bind error ");
27          return 1;
28     }
29
30      // listen偵聽第一個參數是套接字，第二個參數為等待接受的連接的隊列的大小，在connect請求過來的時候,完成三次握手后先將連接放到這個隊列中，直到被accept處理。如果這個隊列滿>了，且有新的連接的時候，對方可能會收到出錯信息。
31      if (listen(server_socket, 5) == - 1) {
32         perror( " listen error ");
33          return 1;
34     }
35
36      struct sockaddr_in client_address;
37     socklen_t address_len;
38      int client_socket = accept(server_socket, ( struct sockaddr *)&client_address, &address_len);
39      // 返回的client_socket為一個全相關的socket，其中包含client的地址和端口信息，通過client_socket可以和客戶端進行通信。
40      if (client_socket == - 1) {
41         perror( " accept error ");
42          return - 1;
43     }
44
45      char recv_msg[ 1024];
46      char reply_msg[ 1024];
47
48      while ( 1) {
49         bzero(recv_msg, 1024);
50         bzero(reply_msg, 1024);
51
52         printf( " reply: ");
53         scanf( " %s ",reply_msg);
54         send(client_socket, reply_msg, 1024, 0);
55
56          long byte_num = recv(client_socket,recv_msg, 1024, 0);
57         recv_msg[byte_num] = ' \0 ';
58         printf( " client said:%s\n ",recv_msg);
59
60     }
61
62      return 0;
63 }

3 NSStream Socket

3.1 Cocoa Streams

3.1.1 NSStream相關類

Cocoa Streams包含三個相關的類： NSStream、NSInputStream 和NSOutputStream。

NSStream：是個抽象類，定義了一些基本屬性和方法；
NSInputStream：是NSStream的子類，可通過它從NSData、File和socket中讀取數據流；
NSOutputStream：也是NSStream的子類，可通過它將數據流寫入NSData、File和socket。

圖 31 NSInputStream和NSOutputStream數據轉換圖

3.1.2 NSStreamDelegate

還可以給stream對象設置Delegate（NSStreamDelegate），如果沒有精確了給stream指定Delegate，那么默認將Delegate設置為其自己。

NSStreamDelegate只有一個方法：

- ( void)stream:(NSStream *)aStream handleEvent:(NSStreamEvent)eventCode;

NSStreamEvent有多種類型，主要的是NSStreamEventHasBytesAvailable，表示已經可以從輸入stream對象中讀取數據了，或是寫入的數據已經被接收了。

3.1.3 與CFStream比較

NSStream是基於CFStream創建的，所以可以將NSInputStream 和NSOutputStream轉換為CFWriteStream 和CFReadStream。雖然NSStream和CFStream非常相似，但是它們仍有所不同，NSStream是Cocoa API，它是通過設置delegate類實現異步行為；而CFStream是Core Foundation API，它是通過設置回調函數來實現異步的行為。

3.2 通過NSInputStream 讀數據

在Cocoa中，通過NSInputStream對象讀數據，可以分為如下步驟完成：

a) 從數據源創建和初始化一個NSInputStream對象；

b) 配置run loop，並打開stream對象；

c) 響應NSInputStream事件（NSStreamDelegate）；

d) 關閉NSInputStream對象。

如下例子是打開一個Document目錄下的文件"theFile.txt"，該文件預先創建好的。

1 - ( void)viewDidLoad {
2 [super viewDidLoad];
3     NSArray *document = NSSearchPathForDirectoriesInDomains(NSDocumentDirectory, NSUserDomainMask, true);
4     NSString *myDocPath = [document objectAtIndex: 0];
5     NSString* fileName = [myDocPath stringByAppendingPathComponent: @" theFile.txt "];
6
7     [self setUpStreamForFile:fileName];
8 }
9
10 - ( void)setUpStreamForFile:(NSString *)path { // 自定義方法，初始化input Stream，並啟動讀文件
11     NSInputStream *iStream = [[NSInputStream alloc] initWithFileAtPath:path];
12     [iStream setDelegate:self];
13     [iStream scheduleInRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
14     [iStream open];
15 }
16 - ( void)stream:(NSStream *)stream handleEvent:(NSStreamEvent)eventCode { // 實現協議方法，響應事件。
17     NSMutableData *_data;
18      switch(eventCode) {
19          case NSStreamEventHasBytesAvailable:
20         {
21             uint8_t buf[ 1024];
22             unsigned int len = 0;
23 len = [(NSInputStream *)stream read:buf maxLength: 1024];     // 當有可讀數據時，才開始讀。
24 printf( " %s\n ",buf);
25               break;
26         }
27          case NSStreamEventEndEncountered:
28         {
29             [stream close];
30             [stream removeFromRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
31             stream = nil;
32              break;
33         }
34     }
35 }

3.3 通過NSOutputStream寫數據

在Cocoa中，通過NSOutputStream對象寫數據，可以分為如下步驟完成：

a) 從數據源創建和初始化一個NSOutputStream對象；

b) 配置run loop，並打開stream對象；

c) 響應NSOutputStream事件（NSStreamDelegate）；

d) 關閉NSOutputStream對象。

如下例子是打開一個Document目錄下的文件"theFile.txt"，並將數據寫入該文件中。

1 - ( void)viewDidLoad {
2     [super viewDidLoad];
3     NSArray *document = NSSearchPathForDirectoriesInDomains(NSDocumentDirectory, NSUserDomainMask, true);
4     NSString *myDocPath = [document objectAtIndex: 0];
5     NSString* fileName = [myDocPath stringByAppendingPathComponent: @" theFile.txt "];
6
7     [self createOutputStream:fileName];
8 }
9
10 - ( void)createOutputStream:(NSString *)path
11 {
12     NSOutputStream* oStream = [[NSOutputStream alloc] initToFileAtPath:path append: true];
13     [oStream setDelegate:self];
14     [oStream scheduleInRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
15     [oStream open];
16 }
17
18 - ( void)setUpStreamForFile:(NSString *)path {
19     NSInputStream *iStream = [[NSInputStream alloc] initWithFileAtPath:path];
20     [iStream setDelegate:self];
21     [iStream scheduleInRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
22     [iStream open];
23 }
24 - ( void)stream:(NSStream *)stream handleEvent:(NSStreamEvent)eventCode
25 {
26     NSOutputStream *oStream = stream;
27      switch(eventCode) {
28          case NSStreamEventHasSpaceAvailable:
29         {
30             uint8_t buf[]= " hello my lover ";
31             unsigned int len = strlen(buf)+ 1;
32             [oStream write:( const uint8_t *)buf maxLength:len];
33             [oStream close];
34              break;
35         }
36          case NSStreamEventEndEncountered:
37         {
38             [stream removeFromRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
39             oStream = nil;
40              break;
41         }
42     }
43 }

3.4 建立socket stream

3.4.1 實現原理

由於NSStream類不支持在IOS平台上創建socket連接，而CFStream支持在IOS平台的socket行為。所以若知道遠程主機的DNS或者是IP地址，可以使用CFStreamCreatePairWithSocketToHost函數來創建socket連接，通過該函數創建了CFStream類型為全雙工的socket連接，接着可以利用toll-free bridge，將CFStream對象轉換為NSStream對象。

CFStreamCreatePairWithSocketToHost函數是基於TCP協議創建的socket連接，其函數原型是：

void CFStreamCreatePairWithSocketToHost(CFAllocatorRef alloc, CFStringRef host, UInt32 port, CFReadStreamRef *readStream, CFWriteStreamRef *writeStream);

通過NSStream對象進行Socket通信，與通過NSStream進行IO操作的步驟基本一樣：

a) 創建NSStream對象，通過CFStreamCreatePairWithSocketToHost函數創建CFReadStreamRef 和CFWriteStreamRef 對象；繼而將兩者轉換為NSInputStream 和NSOutputStream 對象；

b) 配置run loop，並打開NSInputStream 和NSOutputStream對象；

c) 響應事件，在Delegate中響應不同的信號；

d) 關閉NSStream對象。

3.4.2 示例

如下是由NSStream實現的socket client，其中socket server可以使用2章節的例子配合測試。實現的功能是進行client和server消息的收發。

1 - ( void)viewDidLoad { // 該方法是IOS的入口方法。
2     [super viewDidLoad];
3     NSString *urlStr = [NSString stringWithFormat: @" 127.0.0.1 "]；
4     [self searchForSite:urlStr];
5 }

1 - (IBAction)searchForSite:(NSString *)urlStr // 該方法實現的功能是創建socket連接，並啟動對socket描述符進行監聽。
2 {
3         CFReadStreamRef readStream;
4         CFWriteStreamRef writeStream;
5          // 該方法就是通過CFStream創建的socket連接
6         CFStreamCreatePairWithSocketToHost(NULL, (__bridge CFStringRef)urlStr, 11332, &readStream, &writeStream);
7
8         NSInputStream *inputStream = (__bridge_transfer NSInputStream *)readStream;      // 實現轉換
9         NSOutputStream *outputStream = (__bridge_transfer NSOutputStream *)writeStream; // 實現轉換
10
11         [inputStream setDelegate:self];   // 設置代理
12         [outputStream setDelegate:self];
13
14         [inputStream scheduleInRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
15         [outputStream scheduleInRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
16
17         [inputStream open];
18         [outputStream open];
19
20          /* Store a reference to the input and output streams so that they don't go away.... */
21     }
22 }

1 - ( void)stream:(NSStream *)stream handleEvent:(NSStreamEvent)eventCode // 該方法是NSStreamDelegate協議方法，對事件的響應方法
2 {
3      switch(eventCode) {
4          case NSStreamEventHasSpaceAvailable:    // 可寫的事件響應處理
5         {
6             NSOutputStream *oStream = stream; // 因NSStream不能調用write方法，故需強制轉換為NSOutputStream。
7             uint8_t buf[]= " hello socket ";
8             unsigned int len = strlen(buf)+ 1;
9             [oStream write:( const uint8_t *)buf maxLength:len];
10              break;
11         }
12          case NSStreamEventEndEncountered:   // 結束事件
13         {
14             [stream close];
15             [stream removeFromRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
16             stream = nil; // stream is ivar, so reinit it
17              break;
18         }
19          case NSStreamEventNone:
20         {
21              break;
22         }
23          case NSStreamEventOpenCompleted:   // 打開完成事件
24         {
25             NSLog( @" NSStreamEventOpenCompleted ");
26              break;
27         }
28          case NSStreamEventErrorOccurred:   // 錯誤發生事件
29         {
30             NSError *theError = [stream streamError];
31             NSLog( @" Error %i: %@ ", [theError code], [theError localizedDescription]);
32             [stream close];
33              break;
34         }
35          case NSStreamEventHasBytesAvailable:   // 可讀的事件響應處理
36         {
37             NSMutableData *_data;
38             uint8_t buf[ 1024];
39             unsigned int len = 0;
40             len = [(NSInputStream *)stream read:buf maxLength: 1024];
41              if(len) {
42                 [_data appendBytes:( const void *)buf length:len];
43                 printf( " %s\n ",buf);
44             } else {
45                 NSLog( @" no buffer! ");
46             }
47              break;
48         }
49     }
50 }

4 參考文獻

[1] Stream Programming Guide.

[2] Networking Programming Topics

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