Iperf 源代码分析（四）

Socket 类
Socket的定义和实现分别在文件Socket.hpp和 Socket.cpp中。它的主要功能是封装了socket文件描述符、此socket对应的端口号，以及socket接口中的listen, accept, connect和close等函数，为用户提供了一个简单易用而又统一的接口。同时作为其他派生类的基类。
Socket类的定义如下：

 * -------------------------------------------------------------------
 * A parent class to hold socket information. Has wrappers around
 * the common listen, accept, connect, and close functions.
 * ------------------------------------------------------------------- */

#ifndef SOCKET_H
#define SOCKET_H

#include "headers.h"
#include "SocketAddr.hpp"

/* ------------------------------------------------------------------- */
class Socket {
public:
    // stores server port and TCP/UDP mode
    Socket( unsigned short inPort, bool inUDP = false );

    // destructor
    virtual ~Socket();

protected:
    // get local address
    SocketAddr getLocalAddress( void );

    // get remote address
    SocketAddr getRemoteAddress( void );

    // server bind and listen
    void Listen( const char *inLocalhost = NULL, bool isIPv6 = false );

    // server accept
    int Accept( void );

    // client connect
    void Connect( const char *inHostname, const char *inLocalhost = NULL );

    // close the socket
    void Close( void );

    // to put setsockopt calls before the listen() and connect() calls
    virtual void SetSocketOptions( void ) {
    }

    // join the multicast group
    void McastJoin( SocketAddr &inAddr );

    // set the multicast ttl
    void McastSetTTL( int val, SocketAddr &inAddr );

    int   mSock;             // socket file descriptor (sockfd)
    unsigned short mPort;    // port to listen to
    bool  mUDP;              // true for UDP, false for TCP

}; // end class Socket

#endif // SOCKET_H

Socket类主要提供了四个函数：Listen，Accept，Connect和Close。getLocalAddress和 GetREmoteAddress的作用分别是获得socket本端的地址和对端的地址，两个函数均返回一个SocketAddr实例。 SetSocketOptions的作用是设置socket的属性，它是一个虚函数，因此不同的socket的派生类在实现此函数时会执行不同的操作。下 面重点看一下Socket类的几个函数的实现。

Listen 函数

/* -------------------------------------------------------------------
 * Setup a socket listening on a port.
 * For TCP, this calls bind() and listen().
 * For UDP, this just calls bind().
 * If inLocalhost is not null, bind to that address rather than the
 * wildcard server address, specifying what incoming interface to
 * accept connections on.
 * ------------------------------------------------------------------- */

void Socket::Listen( const char *inLocalhost, bool isIPv6 ) {
    int rc;

    SocketAddr serverAddr( inLocalhost, mPort, isIPv6 );

    // create an internet TCP socket
    int type = (mUDP  ?  SOCK_DGRAM  :  SOCK_STREAM);
    int domain = (serverAddr.isIPv6() ?
#ifdef IPV6
                  AF_INET6
#else
                  AF_INET
#endif
                  : AF_INET);

    mSock = socket( domain, type, 0 );
    FAIL_errno( mSock == INVALID_SOCKET, "socket" );

    SetSocketOptions();

    // reuse the address, so we can run if a former server was killed off
    int boolean = 1;
    Socklen_t len = sizeof(boolean);
    // this (char*) cast is for old headers that don't use (void*)
    setsockopt( mSock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char*) &boolean, len );

    // bind socket to server address
        rc = bind( mSock, serverAddr.get_sockaddr(), serverAddr.get_sizeof_sockaddr());
        FAIL_errno( rc == SOCKET_ERROR, "bind" );
    // listen for connections (TCP only).
    // default backlog traditionally 5
    if ( ! mUDP ) {
        rc = listen( mSock, 5 );
        FAIL_errno( rc == SOCKET_ERROR, "listen" );
    }
} // end Listen

首先构造一个包含本地服务器地址结构的SocketAddr实例，inLocalhost是本地IP地址（点分十进制字符串或URL，后者在创建 SocketAddr实例是完成地址解析），mPort是Socket构造函数中设置的端口。再通过socket系统调用创建一个socket。 SetSocketOptions方法设置此socket的属性。因为SetSocketOptions是虚函数，在Socket类的实现中是一个空函 数，而不同的Socket的派生类在覆盖（overwrite）该函数执行的操作是不同的，这是多态特性的应用。此后设置socket的可重用 （reuse）属性，使服务器在重启后可以重用以前的地址和端口。此时该socket还没有绑定到某个网络端点（IP地址、端口对）上，bind系统调用 完成此功能。最后，如果该socket用于一个TCP连接，则调用listen函数，一来向系统说明可以接受到socket绑定端口上的连接请求，二来设 定请求等待队列的长度为5。
Socket的Listen方法将地址解析（地址结构生成）、socket、bind和listen等系统调用组合为一个函数。在应用时，调用一个Listen方法就可以完成Server端socket初始化的所有工作。

Accept函数

Accept函数是Server完成socket初始化，等待连接请求时调用的函数。代码如下：

/* -------------------------------------------------------------------
 * After Listen() has setup mSock, this will block
 * until a new connection arrives. Handles interupted accepts.
 * Returns the newly connected socket.
 * ------------------------------------------------------------------- */

int Socket::Accept( void ) {
    iperf_sockaddr clientAddr;
    Socklen_t addrLen;
    int connectedSock;

    while ( true ) {
        // accept a connection
        addrLen = sizeof( clientAddr );
        connectedSock = accept( mSock, (struct sockaddr*) &clientAddr, &addrLen );

        // handle accept being interupted
        if ( connectedSock == INVALID_SOCKET  &&  errno == EINTR ) {
            continue;
        }

        return connectedSock;
    }

} // end Accept

Accept函数为accept系统调用增添了在中断后自动重启的功能。Server线程在执行accept函数是后被阻塞，直到有请求到达，或是 接收到某个信号。若是后面一种情况，accept会返回INVALID_SOCKET并置errno为EINTR。Accept方法检查这种情况，并重新 调用accept函数。

Connect函数

Connect函数Client端调用的函数，其作用是连接指定的Server。代码如下：
/* -------------------------------------------------------------------
 * Setup a socket connected to a server.
 * If inLocalhost is not null, bind to that address, specifying
 * which outgoing interface to use.
 * ------------------------------------------------------------------- */

void Socket::Connect( const char *inHostname, const char *inLocalhost ) {
    int rc;
    SocketAddr serverAddr( inHostname, mPort );

    assert( inHostname != NULL );

    // create an internet socket
    int type = (mUDP  ?  SOCK_DGRAM : SOCK_STREAM);

    int domain = (serverAddr.isIPv6() ?
#ifdef IPV6
                  AF_INET6
#else
                  AF_INET
#endif
                  : AF_INET);

    mSock = socket( domain, type, 0 );
    FAIL_errno( mSock == INVALID_SOCKET, "socket" );

    SetSocketOptions();

    if ( inLocalhost != NULL ) {
        SocketAddr localAddr( inLocalhost );
        // bind socket to local address
        rc = bind( mSock, localAddr.get_sockaddr(), localAddr.get_sizeof_sockaddr());
        FAIL_errno( rc == SOCKET_ERROR, "bind" );
    }

    // connect socket
    rc = connect( mSock, serverAddr.get_sockaddr(), serverAddr.get_sizeof_sockaddr());
    FAIL_errno( rc == SOCKET_ERROR, "connect" );

} // end Connect

首先构造一个SocketAddr实例保存Server端的地址（IP地址，端口对），同时按需完成地址解析。socket系统调用生成 socket接口。虚函数SetSocketOptions利用多态特性使不同的派生类按需要设置socket属性。如果传入的inLocalhost参 数不是空指针，说明调用者希望指定某个本地接口作为连接的本地端点，此时通过bind系统调用把该socket绑定到这个接口对应的IP地址上。最后调用 connect函数完成与远端Server的连接。

讨论： TCP和UDP在调用connect函数是的操作有何不同？
对于TCP连接，调用 connect函数会发起建立TCP连接的三次握手（3-way handshaking）过程。当connect调用返回时，此过程已经完成，连接已经建立。因为TCP连接使用字符流模型，因此在建立好的连接上交换数 据时，就好像从一个字符流中读取，向另一个字符流中写入一样。
而UDP是无连接的协议，使用数据报而不是连接的模型，因此调用connect函数 并不发起连接的过程，也没有任何数据向Server发送，而只是通知操作系统，发往该地址和端口的数据报都送到这个socket连接上来，也就是说，把这 个（地址、端口）对和该socket关联起来。UDP在IP协议的基础上提供了多路访问（multiplex）的服务，UDP的connect系统调用对 这种多路提供了socket接口与对端地址间的对应关系。在UDP连接中，connect提功的这种功能是很有用的。例如，Server可以在接收到一个 Client的数据报后，分配一个线程执行connect函数与该Client绑定，处理与该client的后继交互,其他的线程继续在原来的UDP端口 上监听新的请求.因为在Client端和Server端都执行了connect函数，所以一个Server与多个Client间的连接不会发生混乱。在 Iperf对UDP的处理中，就使用了这种技巧。

以上已经简要讨论了Iperf提供的库中几个比较重要的类的定义与实现。接下来将开始研究Iperf本身的实现细节。