本文记录使用C++在Linux和Windows下进行Socket通信的方式。

socket是什么？套接字是什么？ (biancheng.net)

基本概念

socket提供两种通信机制：

• stream：流式传输，基于TCP，有序、可靠、双向字节流。
• datagram：数据报传输，基于UDP，不可靠，可能丢失和乱序。对数据长度有限制，效率高。音视频聊天可以采用。应用场景越来越少。

socket通信流程：

socket()

int socket(int af, int type, int protocol);//Linux
SOCKET socket(int af, int type, int protocol);//Windows

• af：协议族（Address Family），即IP地址类型。也可以写作PF（Protocol Family），因此所有AF_XX等价于PF_XX。
  • AF_INET：IPv4地址，如127.0.0.1。
  • AF_INET6：IPv6地址，如1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。
• type：数据传输方式，即socket类型。
  • SOCK_STREAM：流式，基于TCP
  • SOCK_DGRAM：数据报，基于UDP
• protocol：传输协议。
  • 0：根据af和type自动推导。当两种不同协议支持同一种af和type时，无法自动推导。
  • IPPROTO_TCP：TCP传输协议
  • IPPROTO_UDP：UDP传输协议

SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

bind()

将具体的地址和端口绑定到socket

注意绑定前要转为网络字节序。

• htons()：host to network short
• htonl()：host to network long
• ntohl()：network to host long
• ntohs()：network to host short

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

• sock：由socket()产生的socket描述符。

• addrlen：addr的大小，由sizeof计算。

• 返回值：

• addr：sockaddr结构体指针，将sockaddr_in转换得到

  struct sockaddr_in{
      sa_family_t     sin_family;   //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_family：和socket()的af取值一致。

  • sin_port：端口号，取值范围为1024~65536，需要使用htons()进行转换。

  • sin_addr：in_addr结构体。

    struct in_addr{
        in_addr_t  s_addr;  //32位的IP地址，等价于unsigned long，是一个整数
    };
    //因为s_addr是一个整数，而IP地址一般是字符串，所以要使用inet_addr()进行转换
    unsigned long ip = inet_addr("127.0.0.1");
    

  为什么要转换为sockaddr:

  
  • 两者长度都是16B，只是sockaddr将地址和端口合并到一起。要给sa_data赋值必须同时指定，如"127.0.0.1:80"，但没有相关函数将字符串转成需要的形式，所以很难给sockaddr赋值，因此使用sockaddr_in代替。
  • sockaddr更通用，而sockaddr_in和sockaddr_in6分别保存IPv4和IPv6地址。

示例：

sockaddr_in sockAddr;
memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockaddr_in)); //内存初始化为0
sockAddr.sin_family = AF_INET;
sockAddr.sin_port = htons(PORT);
sockAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");
bind(servSock, (sockaddr*)&servAddr, sizeof (servAddr));

connect()

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

用来建立连接，参数和bind()相同，但connect()用于客户端。

listen()

使socket进入被动监听。即没有客户端请求时，socket处于“睡眠”，当接收到请求时，才会“唤醒”。

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

• sock：进入监听的socket
• backlog：请求队列的最大长度，如果为SOMAXCONN表示由系统决定，一般比较大。

请求队列

• socket正在处理客户端请求时，有新的请求进来，就将新请求放入缓冲区，即请求队列。
• 当请求队列满时，不再接受新请求，Linux的客户端会收到ECONNREFUSED，Windows会收到WSAECONNRESFUSED。

accept()

listen()只是监听请求，accept()才真正接受并处理。accept会阻塞程序，直到有新的请求到来。

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

• sock：服务器端的socket
• addr：保存客户端的IP地址和端口号
• 返回值：一个新的socket，专门用来与该次请求的客户端通信

发送和接收数据

Linux下：

万物皆可为文件，因此socket和普通文件一样，可以直接使用write()/read()发送和接受数据

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

  • fd：要写入的文件描述符，即socket
  • buf：要写入的数据的地址
  • nbytes：要写入的字节数
  • 返回值：写入成功返回字节数，失败返回-1

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

  • fd：要读取的文件描述符，即socket
  • buf：存放读取出来的数据的地址
  • nbytes：要读取的字节数
  • 返回值：读取成功返回字节数，如果读取到文件结尾返回0，失败返回-1

Windows

需要用专门的send()/recv()

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

  • flags：发送数据时的选项。一般设置为0。

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

socket缓冲区和阻塞模式

缓冲区

每个socket创建后都会有两个缓冲区，输入缓冲区和输出缓冲区。

write和send并不立即向网络中传输数据，而是先将数据写入输出缓冲区，再通过TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦数据写入缓冲区，函数就返回，不管发送。

read和recv同理。

缓冲区特性：

• 在每个TCP socket中单独存在
• 创建socket时自动生成
• 关闭socket后TCP仍会发送输出缓冲区的数据
• 关闭socket后输入缓冲区数据丢失
• 大小一般为8KB，通过getsockopt获取
• 发送方在接收到ACK后才会清空输出缓冲区

阻塞模式

对于TCP socket，默认是阻塞的，也可以修改为非阻塞。

使用write和send发送数据时：

• 首先检查输出缓冲区，如果空间不够则阻塞，直到发送足够数据后空间足够才唤醒
• 如果TCP正在发送数据，阻塞write和send，直到发送完毕。
• 如果写入数据大于缓冲区，分批写入。
• 直到所有数据写入缓冲区，write和send才返回。

使用read和recv读取时：

• 首先检查输入缓冲区，如果有数据则读取，否则阻塞直到有数据
• 如果要读取的长度小于缓冲区中数据长度，则剩余数据会积压，直到再次读取。
• 直到读取到数据后才会返回，否则一直阻塞。

TCP的粘包（数据无边界性）

因为read时缓冲区数据可能是多次write的结果，所以无法区分每一次write的数据边界。例如两次分别写入1和3，读取时会读出13。