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Linux下简单socket演示
Linux中的Socket通讯函数
socket() 创建套接字
Linux 中，使用 socket() 函数创建套接字以后，返回值就是一个 int 类型的文件描述符。
头文件：<sys/socket.h>
//函数原型
int socket(int af, int type, int protocol);
- af（Adress Family）协议族
也就是IP地址的类型，常见的有AF_INET 和 AF_INET6- AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet
AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1 表示本机地址；
AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。
- AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet
也可以使用 PF 前缀(Protocol Family)
PF_INET 等价于 AF_INET，PF_INET6 等价于 AF_INET6。
- type 为数据传输方式/套接字类型
- SOCK_STREAM（流格式套接字/面向连接的套接字）
- SOCK_DGRAM（数据报套接字/无连接的套接字）
- protocol 表示传输协议
- IPPROTO_TCP 表示 TCP 传输协议
- IPPTOTO_UDP 表示 UDP 传输协议
af 和 type 两个参数就可以创建套接字了，操作系统会自动推演出协议类型
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //创建TCP套接字
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //创建UDP套接字
//标准TCP套接字
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //IPPROTO_TCP表示TCP协议
//标准UDP套接字
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); //IPPROTO_UDP表示UDP协议
但是！有两种不同的协议支持同一种地址类型和数据传输类型。如果我们不指明使用哪种协议，操作系统是没办法自动推演的。
服务器bind()绑定
服务器端要用 bind() 函数将套接字与特定的 IP 地址和端口绑定。
int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); //Linux
sock 为 int类型的socket 文件描述符
addr 为 sockaddr 结构体变量的指针
addrlen 为 addr 变量的空间大小
//创建套接字
int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr)); //每个字节都用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"); //具体的IP地址
serv_addr.sin_port = htons(1234); //端口
//将套接字和IP、端口绑定
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
sockaddr_in结构体
struct sockaddr_in{
sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址类型
uint16_t sin_port; //16位的端口号
struct in_addr sin_addr; //32位IP地址
char sin_zero[8]; //不使用，一般用0填充
};
sin_prot 为端口号
uint16_t 的长度为两个字节，理论上端口号的取值范围为 0~65536，但 0~1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，
例如 Web 服务的端口号为 80，FTP 服务的端口号为 21，
所以我们的程序要尽量在 1024~65536 之间分配端口号。
sin_zero[8] 是多余的8个字节，没有用，一般使用 memset() 函数填充为 0
in_addr 结构体
struct in_addr{
in_addr_t s_addr; //32位的IP地址
};
in_addr_t 在头文件 <netinet/in.h> 中定义
in_addr_t 等价于 unsigned long，长度为4个字节
- 为什么在填入ip地址的时候需要用到inet_addr()函数？
∵s_addr 是一个整数（无符号长整形），而IP地址是一个字符串，所以需要 inet_addr() 函数进行转换
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); //具体的IP地址
sockaddr结构体
sockaddr 结构体的定义如下：
struct sockaddr{
sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址类型
char sa_data[14]; //IP地址和端口号
};
- 这里我们使用 sockaddr_in 结构体，在bind绑定的时候，强制转换为 sockaddr 类型为什么这么做？
//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
//将套接字和IP、端口绑定
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
sockaddr将IP地址和端口号合并到一起，用一个成员 sa_data 表示。
要想给 sa_data 赋值，必须同时指明IP地址和端口号，例如”127.0.0.1:80“
没有相关函数能直接给 sockaddr 类型的变量赋值，
所以使用 sockaddr_in 在一开始生成serv_addr，生成ipv4格式的addr，再通过sockaddr保存并绑定。
可以认为，sockaddr 是一种通用的结构体，可以用来保存多种类型的IP地址和端口号，
而 sockaddr_in 是专门用来保存 IPv4 地址的结构体。
补充:ipv6地址结构体
struct sockaddr_in6 {
sa_family_t sin6_family; //(2)地址类型，取值为AF_INET6
in_port_t sin6_port; //(2)16位端口号
uint32_t sin6_flowinfo; //(4)IPv6流信息
struct in6_addr sin6_addr; //(4)具体的IPv6地址
uint32_t sin6_scope_id; //(4)接口范围ID
};
客户端conect()函数
int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen); //Linux
listen()函数进入被动监听状态
int listen(int sock, int backlog); //Linux
- sock 为需要进入监听状态的套接字
- backlog 为请求队列的最大长度
被动监听
所谓被动监听，是指当没有客户端请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到客户端请求时，套接字才会被“唤醒”来响应请求。
请求队列
请求队列（Request Queue）：是一个缓冲区
当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直到缓冲区满。
-
手动设置请求队列大小，listen()函数的backlog参数，一般是10或者20
-
由系统决定请求队列长度，将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN，一般是几百或者更多。
-
注意： 当请求队列满时，就不再接收新的请求，对于 Linux，客户端会收到 ECONNREFUSED 错误
-
注意：listen() 只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。
accept() 函数阻塞程序执行，返回新的套接字
int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //Linux
**accept() 会阻塞程序执行（**后面代码不能被执行），直到有新的请求到来。
accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信!!!，比如在server.cpp中，创建的套接字是serv_sock，accept返回的是clnt_sock
addr 保存了客户端的IP地址和端口号，而 sock 是服务器端的套接字，大家注意区分。
Linux 不区分套接字文件和普通文件，使用 write() 可以向套接字中写入数据，使用 read() 可以从套接字中读取数据。
一次通信过程:
两台计算机之间的通信相当于两个套接字之间的通信，在服务器端用 write() 向套接字写入数据，客户端就能收到，然后再使用 read() 从套接字中读取出来，就完成了一次通信。
write()从缓冲区向套接字写入数据
write() 的原型为：
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
- fd 为要写入的文件的描述符
- buf 为要写入的数据的缓冲区地址
- nbytes 为要写入的数据的字节数。
size_t 是通过 typedef 声明的 unsigned int 类型
ssize_t 是通过 typedef 声明的signed int
write() 函数会将缓冲区 buf 中的 nbytes 个字节，写入文件 fd
- write的返回值：成功则返回写入的字节数，失败则返回 -1。
read()从套接字读取并保存到缓冲区
read() 的原型为：
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
- fd 为要读取的文件的描述符
- buf 为要接收数据的缓冲区地址
- nbytes 为要读取的数据的字节数。
read() 函数会从 fd 文件中读取 nbytes 个字节并保存到缓冲区 buf
- read()的返回值：成功则返回读取到的字节数（但遇到文件结尾则返回0），失败则返回 -1。
socket缓冲区
每个 socket 被创建后，都会分配两个缓冲区，输入缓冲区和输出缓冲区。
write()/send() 并不立即向网络中传输数据，而是先将数据写入缓冲区中，再由TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。
一旦将数据写入到缓冲区，函数就可以成功返回，不管它们有没有到达目标机器，也不管它们何时被发送到网络，这些都是TCP协议负责的事情。
这些I/O缓冲区特性可整理如下：
- I/O缓冲区在每个TCP套接字中单独存在；
- I/O缓冲区在创建套接字时自动生成；
- 即使关闭套接字也会继续传送 输出缓冲区中遗留的数据；但是会丢失 输入缓冲区中的数据。
输入输出缓冲区的默认大小一般都是 8K，可以通过 getsockopt() 函数获取：
unsigned optVal;
int optLen = sizeof(int);
getsockopt(servSock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (char*)&optVal, &optLen);
printf("Buffer length: %d\n", optVal);
阻塞模式
阻塞:就是上一步动作没有完成，下一步动作将暂停，直到上一步动作完成后才能继续，以保持同步性。
阻塞存在与发送端到缓冲区，缓冲区到接收端；
发送端与接收端之间是非同步的！！！！
TCP套接字默认情况下是阻塞模式，也是最常用的。
当发送数据到缓冲区时
对于TCP套接字（默认情况下），当使用 write()/send() 发送数据时：
1.首先会检查缓冲区，如果缓冲区的可用空间长度小于要发送的数据，那么 write()/send() 会被阻塞（暂停执行），直到缓冲区中的数据被发送到目标机器，腾出足够的空间，才唤醒 write()/send() 函数继续写入数据。
2.如果TCP协议正在向网络发送数据，那么输出缓冲区会被锁定，不允许写入，write()/send() 也会被阻塞，直到数据发送完毕缓冲区解锁，write()/send() 才会被唤醒。
3.如果要写入的数据大于缓冲区的最大长度，那么将分批写入。
4.直到所有数据被写入缓冲区 write()/send() 才能返回。
当从缓冲区收数据时
当使用 read()/recv() 读取数据时：
1.首先会检查缓冲区，如果缓冲区中有数据，那么就读取，否则函数会被阻塞，直到网络上有数据到来。
2.如果要读取的数据长度小于缓冲区中的数据长度，那么就不能一次性将缓冲区中的所有数据读出，剩余数据将不断积压，直到有 read()/recv() 函数再次读取。
3.直到读取到数据后 read()/recv() 函数才会返回，否则就一直被阻塞。