【Linux 网络编程】socket 实现服务器和客户端

IP 地址可以标识网络中的主机，协议类型（TCP或UDP）加端口号可以表示主机上的进程。

基本原理

文件类型

Linux 中有七种类型的文件，这些文件类型可以使用一些基本的函数，例如 read、write：

• 普通文件
• 目录
• 链接文件
• 字符设备
• 块设备
• 管道：pipe匿名管道，fifo有名管道
• 套接字：socket

套接字是全双工的，虽然只有一个文件描述符，但是在 Linux 内核中读写操作分别对应不同的缓冲区。相比之下，管道则是半双工的，读写操作对应同一个缓冲区。

字节序

TCP/IP 协议规定，使用大端字节序。 即低地址放高字节。

常见字节序

处理器可以支持两种字节序：

• 大端（big-endian）：最低有效字节在高地址出现
• 小端（little-endian）：最低有效字节在低地址出现

例如，对于十六进制数据 0x12345678，总共占4个字节。大端存储时，最低地址存的是 0x12，小端则是0x78。

地址（假设从1001开始）	大端	小端
1004	78	12
1003	56	34
1002	34	56
1001	12	78

可以通过代码查看平台的字节序：

#include <stdio.h>

union u{
    char c;
    int i;
};

int main(void) {
    union u test;
    test.i = 0x12345678;
    printf("%x\n", test.c);
    return 0;
}

x86平台是小端存储，ARM则可以自由选择。

字节序转换

为使应用程序有更好的可移植性，需要在处理器字节序和网络字节序之间进行转换。常用的函数有4个，入参和返回值都是整数形式的 IP 地址或端口号：

#include <arpa/inet.h>

uint32_t htonl(uint32_t hostint32); // 返回网络字节序表示的32位整数
uint16_t htons(uint16_t hostint16);// 返回网络字节序表示的16位整数
uint32_t ntohl(uint32_t netint32); // 返回主机字节序表示的32位整数
uint16_t ntohs(uint16_t netint16); // 返回主机字节序表示的16位整数

IP地址是32位，端口号是16位。

地址格式

最开始所有的 socket 代码都是针对 IPv4 编写的，后来才兼容 IPv6 和 Unix 域。

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sockaddr 结构体

socket 相关函数中，直接使用这个结构体。为了防止编译时报错，都需要强制转成这种结构体才能使用：

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

sockaddr_in 、sockaddr_in6、sockaddr_un 结构体

因特网地址定义在 <netinet/in.h> 头文件中。

• sockaddr_in：IPv4 地址。
• sockaddr_in6：IPv6 地址。
• sockaddr_un：UNIX 域地址。

struct in_addr {
	in_addr_t s_addr; /* IPv4 address*/ 
};

struct sockaddr_in {
	sa_family sin_family;
	in_port_t sin_port;
	struct in_addr sin_addr;
};

地址格式转换

常用的 IP 地址格式是点分十进制字符串（例如192.168.1.1），计算机中用的是 32 位的 unsigned int 类型，并在通信前转成合适的字节序。这些常用的步骤已经被封装成立标准函数。

#include <arpa/inet.h>

// 返回地址字符串格式
const char *inet_ntop(int domain, const void *restrict addr, char *restrict str, socklen_t size);

// 成功返回1，格式无效返回0，失败返回-1
int inet_pton(int domain, const char *src, void *dst);

上面两个函数的参数 domain：只支持 AF_INET 和 AF_INET6。
示例：

unsigned char buf[sizeof(struct in6_addr)];
int domain = AF_INET;

s= inet_pton(domain, argv[2], buf);
if (s <= 0) {
    if (s == 0)
        fprintf(stderr, "Not in presentation format");
    else
        perror("inet_pton");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

if (inet_ntop(domain, buf, str, INET6_ADDRSTRLEN) == NULL) {
    perror("inet_ntop");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

常用函数

socket 创建套接字

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

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

参数：

• domain：通信方式，AF_INET 表示 IPv4，AF_INET6 表示 IPv6，AF_UNIX 表示 unix 域
• type：套接字类型，SOCK_STREAM 表示 TCP，SOCK_DGRAM 表示 UDP
• protocol：协议，通常设为 0 表示使用默认协议。

返回值：

• 出错返回 -1，否则返回套接字的描述符

bind 绑定地址和端口号

对于客户端，可以使用自动分配的端口号，不需要调用该函数。但是服务器通常工作在指定端口，必须使用 bind 来绑定。

#include <sys/types.h>        /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

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

参数：

• sockfd：通过 socket 函数创建的套接字对应的描述符
• addr：套接字地址。struct sockaddr 类型通常是通过类型强制转换得到，来源有：
  • struct sockaddr_in：IPv4 地址
  • struct sockaddr_in6：IPv6 地址
  • struct sockaddr_un：UNIX 域地址
• addrlen：套接字结构体长度

返回值：失败返回 -1，成功返回 0。

套接字地址结构体的定义在不同的系统中有差异，例如，Linux 中定义如下：

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

struct in_addr {
	in_addr_t		s_addr; /* IPv4 address */
};

struct sockaddr_in {
	sa_family_t		sin_family;
	in_port_t		sin_port;
	struct in_addr	sin_addr;
	unsigned char	sin_zero[8];
};

listen 激活socket，指定用于建立连接的队列大小

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

参数：

• sockfd：套接字描述符
• backlog：等待连接的队列大小。如果等待建立连接的客户端数量超过此限制，服务器会忽略后面的请求。

accept 监听客户端连接

accept 每次监听到一个客户端的连接，就会创建一个新的指向该客户端的套接字，同时改写入参保存客户端套接字信息。仅用于 SOCK_STREAM, SOCK_SEQPACKET 类型的套接字。

#in	clude <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>

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

参数：

• struct sockaddr：套接字地址结构体，跟具体通信类型有关
• addrlen：结构体的大小

accept 函数会阻塞执行，直到有客户端请求。此时 accept 会创建一个新的套接字返回，并修改入参的 addr 和 addrlen 保存客户端信息。

connect 建立连接

需要把具体的socket地址类型强转为 struct sockaddr 类型。

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

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

服务器代码示例

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

#define SERV_IP "127.0.0.1" /* 服务器可以用 htonl(INADDR_ANY) 自动选择可用IP */
#define SERV_PORT 8888
#define MAX_CONN 100 /* 连接队列最多可以有 100 个客户端在排队等待建立连接 */

int main() {
	char buf[1024];
	int n;
	int sockfd, clientfd;
	struct sockaddr_in serv_addr, client_addr;
	socklen_t socklen;

	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); /* IPv4 协议， TCP 协议*/
	if (sockfd == -1) {
		perror("socket");
		return -1;
	}
	bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);  /* 指定端口号 */
	serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* 自动选择可用IP */
	if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
		perror("bind");
		return -1;
	}
	if (listen(sockfd, MAX_CONN) < 0) {
		perror("listen");
		return -1;
	}

	socklen = sizeof(client_addr);	
	clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &socklen);
	if (clientfd < 0) {
		perror("accept");
		return -1;
	}
	inet_ntop(AF_INET, &client_addr, buf, INET_ADDRSTRLEN);
	printf("client IP is: %s, client port is: %d\n", buf, ntohs(client_addr.sin_port));
	while(1) {	
		n = read(clientfd, buf, sizeof(buf));
		for (int i = 0; i < n; i++) {
			buf[i] = toupper(buf[i]);
		}
		write(clientfd, buf, n);
	}
	close(clientfd);
	close(sockfd);

	return 0;
}

客户端代码示例

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

#define error_exit(msg) \
	do {perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);} while(0)

#define SERV_IP "127.0.0.1"
#define SERV_PORT 8888

int main(int argc, char *argv[]) {
	int sockfd, ret;
	int n;
	char buf[BUFSIZ];
	struct sockaddr_in serv_addr;
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (sockfd == -1)
		error_exit("socket");

	memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
	ret = inet_pton(AF_INET, SERV_IP, &serv_addr.sin_addr.s_addr);
	if (ret <= 0) {
		if (ret == 0) 
			error_exit("format error");
		else
			error_exit("inet_pton");
	}

	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);

	ret = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
	if (ret == -1) {
		error_exit("connect");
	}
	while(1) {
		fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
		write(sockfd, buf, strlen(buf));
		n = read(sockfd, buf, sizeof(buf));
		write(STDOUT_FILENO, buf, n);
	}
	close(sockfd);
	return 0;
}

错误处理

每个函数都可能发生错误，但是如果为每个函数都写错误处理代码，会导致逻辑很混乱。常用的有两种方式来处理错误。

定义统一的错误处理函数

针对函数返回值进行判断，出错时调用错误处理函数。

#define error_exit(msg) do {perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);} while(0)

优点是实现方式统一，缺点是不够灵活。

重写所有会导致错误的函数，内部封装错误处理

可用把方法重新写为大写字母开头，这样在 vim 编辑器中仍然可以方便的查看 man 手册（大写 K，即 shift + k）。

例如 redis 源码封装了 anet.c 文件，将所有套接字相关函数重写：

static int anetGenericAccept(char *err, int s, struct sockaddr *sa, socklen_t *len) {
    int fd;
    while(1) {
        fd = accept(s,sa,len);
        if (fd == -1) {
            if (errno == EINTR)
                continue;
            else {
                anetSetError(err, "accept: %s", strerror(errno));
                return ANET_ERR;
            }
        }
        break;
    }
    return fd;
}

int anetTcpAccept(char *err, int s, char *ip, size_t ip_len, int *port) {
    int fd;
    struct sockaddr_storage sa;
    socklen_t salen = sizeof(sa);
    if ((fd = anetGenericAccept(err,s,(struct sockaddr*)&sa,&salen)) == -1)
        return ANET_ERR;

    if (sa.ss_family == AF_INET) {
        struct sockaddr_in *s = (struct sockaddr_in *)&sa;
        if (ip) inet_ntop(AF_INET,(void*)&(s->sin_addr),ip,ip_len);
        if (port) *port = ntohs(s->sin_port);
    } else {
        struct sockaddr_in6 *s = (struct sockaddr_in6 *)&sa;
        if (ip) inet_ntop(AF_INET6,(void*)&(s->sin6_addr),ip,ip_len);
        if (port) *port = ntohs(s->sin6_port);
    }
    return fd;
}