C++ Socket編程（基礎）

一、基本簡介

在計算機通信領域，socket 被翻譯為“套接字”，它是計算機之間進行通信的一種約定或一種方式。

通過 socket 這種約定，一台計算機可以接收其他計算機的數據，也可以向其他計算機發送數據。

socket 的典型應用就是 Web 服務器和瀏覽器：瀏覽器獲取用戶輸入的URL，向服務器發起請求，服務器分析接收到的URL，將對應的網頁內容返回給瀏覽器，瀏覽器再經過解析和渲染，就將文字、圖片、視頻等元素呈現給用戶。

學習 socket，也就是學習計算機之間如何通信，並編寫出實用的程序。

二、數據傳輸方式

計算機之間有很多數據傳輸方式，各有優缺點，常用的有兩種：SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM。

QQ 視頻聊天和語音聊天就使用 SOCK_DGRAM 傳輸數據，因為首先要保證通信的效率，盡量減小延遲，而數據的正確性是次要的，即使丟失很小的一部分數據，視頻和音頻也可以正常解析，最多出現噪點或雜音，不會對通信質量有實質的影響。

三、代碼實例

Server:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

int main(){
    //創建套接字
    int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
  	// AF_INET :   表示使用 IPv4 地址		可選參數
    // SOCK_STREAM 表示使用面向連接的數據傳輸方式，
    // IPPROTO_TCP 表示使用 TCP 協議

    //將套接字和IP、端口綁定
    struct sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每個字節都用0填充
    serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具體的IP地址
    serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口
    bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

    //進入監聽狀態，等待用戶發起請求
    listen(serv_sock, 20);

    //接收客戶端請求
    struct sockaddr_in clnt_addr;
    socklen_t clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);
    int clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);

    //向客戶端發送數據
    char str[] = "Hello World!";
    write(clnt_sock, str, sizeof(str));
   
    //關閉套接字
    close(clnt_sock);
    close(serv_sock);

    return 0;
}

Client:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

int main(){
    //創建套接字
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    //向服務器（特定的IP和端口）發起請求
    struct sockaddr_in serv_addr;
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每個字節都用0填充
    serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具體的IP地址
    serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口
    connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
   
    //讀取服務器傳回的數據
    char buffer[40];
    read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);
   
    printf("Message form server: %s\n", buffer);
   
    //關閉套接字
    close(sock);

    return 0;
}

四、Socket套接字

int socket(int af, int type, int protocol);

1. af

af 為地址族（Address Family），也就是 IP 地址類型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的簡寫，INET是“Inetnet”的簡寫。AF_INET 表示 IPv4 地址

2. type

type 為數據傳輸方式，常用的有 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM

1. SOCK_STREAM

表示面向連接的數據傳輸方式。數據可以准確無誤地到達另一台計算機，如果損壞或丟失，可以重新發送，但效率相對較慢。常見的 http 協議就使用 SOCK_STREAM 傳輸數據，因為要確保數據的正確性，否則網頁不能正常解析。

2. SOCK_DGRAM

表示無連接的數據傳輸方式。計算機只管傳輸數據，不作數據校驗，如果數據在傳輸中損壞，或者沒有到達另一台計算機，是沒有辦法補救的。也就是說，數據錯了就錯了，無法重傳。因為 SOCK_DGRAM 所做的校驗工作少，所以效率比 SOCK_STREAM 高。

3. protocal

protocol 表示傳輸協議，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分別表示 TCP 傳輸協議和 UDP 傳輸協議

五、bind()和connect()函數

服務器端要用 bind() 函數將套接字與特定的IP地址和端口綁定起來，只有這樣，流經該IP地址和端口的數據才能交給套接字處理；

而客戶端要用 connect() 函數建立連接。

0. sockaddr_in結構體

struct sockaddr_in{
    sa_family_t     sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址類型
    uint16_t        sin_port;     //16位的端口號
    struct in_addr  sin_addr;     //32位IP地址
    char            sin_zero[8];  //不使用，一般用0填充
};

1. sin_family 和 socket() 的第一個參數的含義相同，取值也要保持一致。

2. sin_prot 是 端口號。uint16_t 的長度為兩個字節，理論上端口號的取值范圍為 0~65536，但 0~1023 的端口一般由系統分配給特定的服務程序，例如 Web 服務的端口號為 80，FTP 服務的端口號為 21，所以我們的程序要盡量在 1024~65536 之間分配端口號。

3. sin_addr 是 struct in_addr 結構體類型的變量，下面會詳細講解。

4. sin_zero[8] 是多余的8個字節，沒有用，一般使用 memset() 函數填充為 0。上面的代碼中，先用 memset() 將結構體的全部字節填充為 0，再給前3個成員賦值，剩下的 sin_zero 自然就是 0 了。

端口號需要用 htons() 函數轉換，后面會講解為什么。

1. in_addr結構體詳解

struct in_addr{
    in_addr_t  s_addr;  //32位的IP地址
};

in_addr_t 在頭文件 <netinet/in.h> 中定義，等價於 unsigned long，長度為4個字節。

也就是說，s_addr 是一個整數，而IP地址是一個字符串，所以需要 inet_addr() 函數進行轉換

2. 為什么使用 sockaddr_in 而不使用 sockaddr

sockaddr_in的結構體如下

struct sockaddr{
    sa_family_t  sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址類型
    char         sa_data[14];  //IP地址和端口號
};

sockaddr 和 sockaddr_in 的長度相同，都是16字節，只是將IP地址和端口號合並到一起，用一個成員 sa_data 表示。要想給 sa_data 賦值，必須同時指明IP地址和端口號，例如”127.0.0.1:80“，遺憾的是，沒有相關函數將這個字符串轉換成需要的形式，也就很難給 sockaddr 類型的變量賦值，所以使用 sockaddr_in 來代替。這兩個結構體的長度相同，強制轉換類型時不會丟失字節，也沒有多余的字節。

可以認為，sockaddr 是一種通用的結構體，可以用來保存多種類型的IP地址和端口號，而 sockaddr_in 是專門用來保存 IPv4 地址的結構體。

sockaddr_in6的結構體如下

struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t sin6_family;  //(2)地址類型，取值為AF_INET6
    in_port_t sin6_port;  //(2)16位端口號
    uint32_t sin6_flowinfo;  //(4)IPv6流信息
    struct in6_addr sin6_addr;  //(4)具體的IPv6地址
    uint32_t sin6_scope_id;  //(4)接口范圍ID
};

1. bind()

int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);  //Linux
int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen);  //Windows

2. connect()

connect() 函數用來建立連接，它的原型為：

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);  //Linux
int connect(SOCKET sock, const struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);  //Windows

六、 listen()和accept()函數

對於服務器端程序，使用 bind() 綁定套接字后，還需要使用 listen() 函數讓套接字進入被動監聽狀態，再調用 accept() 函數，就可以隨時響應客戶端的請求了。

1.listen() 函數

通過 listen() 函數可以讓套接字進入被動監聽狀態，它的原型為：

int listen(int sock, int backlog);  //Linux
int listen(SOCKET sock, int backlog);  //Windows

sock 為需要進入監聽狀態的套接字，backlog 為請求隊列的最大長度。

被動監聽 是指當沒有客戶端請求時，套接字處於“睡眠”狀態，只有當接收到客戶端請求時，套接字才會被“喚醒”來響應請求。

請求隊列

當套接字正在處理客戶端請求時，如果有新的請求進來，套接字是沒法處理的，只能把它放進緩沖區，待當前請求處理完畢后，再從緩沖區中讀取出來處理。如果不斷有新的請求進來，它們就按照先后順序在緩沖區中排隊，直到緩沖區滿。這個緩沖區，就稱為請求隊列（Request Queue）。

緩沖區的長度（能存放多少個客戶端請求）可以通過 listen() 函數的 backlog 參數指定，但究竟為多少並沒有什么標准，可以根據你的需求來定，並發量小的話可以是10或者20。

如果將 backlog 的值設置為 SOMAXCONN，就由系統來決定請求隊列長度，這個值一般比較大，可能是幾百，或者更多。

當請求隊列滿時，就不再接收新的請求，對於 Linux，客戶端會收到 ECONNREFUSED 錯誤，對於 Windows，客戶端會收到 WSAECONNREFUSED 錯誤。

注意：listen() 只是讓套接字處於監聽狀態，並沒有接收請求。接收請求需要使用 accept() 函數。

2.accept()函數

當套接字處於監聽狀態時，可以通過 accept() 函數來接收客戶端請求。它的原型為：

int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);  //Linux
SOCKET accept(SOCKET sock, struct sockaddr *addr, int *addrlen);  //Windows

它的參數與 listen() 和 connect() 是相同的：sock 為服務器端套接字，addr 為 sockaddr_in 結構體變量，addrlen 為參數 addr 的長度，可由 sizeof() 求得。

accept() 返回一個新的套接字來和客戶端通信，addr 保存了客戶端的IP地址和端口號，而 sock 是服務器端的套接字，大家注意區分。后面和客戶端通信時，要使用這個新生成的套接字，而不是原來服務器端的套接字。

最后需要說明的是：listen() 只是讓套接字進入監聽狀態，並沒有真正接收客戶端請求，listen() 后面的代碼會繼續執行，直到遇到 accept()。accept() 會阻塞程序執行（后面代碼不能被執行），直到有新的請求到來。

Linux下數據的接收和發送

Linux 不區分套接字文件和普通文件，使用 write() 可以向套接字中寫入數據，使用 read() 可以從套接字中讀取數據。

兩台計算機之間的通信相當於兩個套接字之間的通信，在服務器端用 write() 向套接字寫入數據，客戶端就能收到，然后再使用 read() 從套接字中讀取出來，就完成了一次通信。

write() 的原型為：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);

fd 為要寫入的文件的描述符，buf 為要寫入的數據的緩沖區地址，nbytes 為要寫入的數據的字節數。

size_t 是通過 typedef 聲明的 unsigned int 類型；ssize_t 在 "size_t" 前面加了一個"s"，代表 signed，即 ssize_t 是通過 typedef 聲明的 signed int 類型。

write() 函數會將緩沖區 buf 中的 nbytes 個字節寫入文件 fd，成功則返回寫入的字節數，失敗則返回 -1。

read() 的原型為：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

fd 為要讀取的文件的描述符，buf 為要接收數據的緩沖區地址，nbytes 為要讀取的數據的字節數。

read() 函數會從 fd 文件中讀取 nbytes 個字節並保存到緩沖區 buf，成功則返回讀取到的字節數（但遇到文件結尾則返回0），失敗則返回 -1。

Windows下數據的接收和發送

Windows 和 Linux 不同，Windows 區分普通文件和套接字，並定義了專門的接收和發送的函數。

從服務器端發送數據使用 send() 函數，它的原型為：

int send(SOCKET sock, const char *buf, int len, int flags);

sock 為要發送數據的套接字，buf 為要發送的數據的緩沖區地址，len 為要發送的數據的字節數，flags 為發送數據時的選項。

返回值和前三個參數不再贅述，最后的 flags 參數一般設置為 0 或 NULL，初學者不必深究。

在客戶端接收數據使用 recv() 函數，它的原型為：

int recv(SOCKET sock, char *buf, int len, int flags);