Linux Socket通信：一文详解TCP通信API用法

1. 引言

C++自带了socket通信的API，借助这些API可以很方便的进行计算机间的通信。常用的TCP通信基本函数有
socket() , bind() , listen() , accept() , connect() , read() , write() 等。

通常，通信双方会被称为服务端和客户端，服务端可以和多个客户端交流，同时也负责转达客户端之间的信息；客户端之间不能直接进行通信，需要经由服务端转发。

服务端和客户端的API调用情况不一样，分别为
服务端：socket() , bind() , listen() , accept() , read() , write()
服务端：socket() , connect() , read() , write()

下面详细介绍每个函数的作用和用法。

2. socket函数

socket函数在头文件<socket.h>中，作用是向内核申请一个套接字，差不多就是告诉内核我需要网络通信，你给我分配一下。函数原型为：

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

参数介绍：

int af：af表示地址族，即IP地址类型，比如，AF_INET是IPv4 internet协议，AF_INET6是IPv6 internet协议。

int type：该参数用于设置套接字的通信类型，常用的有 SOCK_STREAM（流格式套接字，TCP） 和 SOCK_DGRAM（数据报套接字，UDP）。

int protocol： protocol 表示传输协议类型，大多数情况下，由af和type已经足够确定通信方式了，比如type选择SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM之后，系统可以自行推断出protocol参数，但是有少数通信类型包含多种协议，此时计算机就没法进行推断了。

返回参数：文件描述符，一个int型整数。如果成功创建了一个套接字，会返回一个大于0的整数，一般不会是0 1 2，因为一般会外设硬件占用了；如果创建失败，会返回小于0的整数。socket函数有创建失败的可能，因为要及时检查返回值。

socket()函数使用示例：

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

int main() {
    int sockfd;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //IPv4 TCP
    if ( sockfd < 0 ) {
        printf("ERROR: socket creat failed.\n");
    }
}

3. sockaddr_in结构体

上面提到的API中并没有提到sockaddr_in，因为它只是一个结构体，不过却十分重要，socket通信中的IP 端口等信息都由这个结构体来保存。
sockaddr_in定义：

    struct sockaddr_in{
        sa_family_t     sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址类型
        in_port_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
    };

struct in_addr     //sockaddr_in的第三个元素
  {
    in_addr_t s_addr;
  };

可以看到，sockaddr_in由四个元素构成，元素意义具体如下：

• sa_family_t sin_family：sin_family与socket()函数第一个参数含义一样，表示地址族，而且设置的值也要一样，比如socket()里边是AF_INET，那么sin_family也要设置为AF_INET。sa_family_t其实就是 unsigned short int，占两个字节，不再赘述。
• in_port_t sin_port：sin_port 为端口号，in_port_t 类型，其实也是 unsigned short int，俩字节。
• struct in_addr sin_addr：这是一个结构体，in_addr结构体里边只有一个元素，存储的是IP地址，是一个 in_addr_t 型的变量，实际上是一个 unsigned int 。
• char sin_zero[8]：保留位，不存储信息，一般全部设置为0，占用8个字节。

这个时候就有一个问题，为啥要有8个字节的保留位，不占地方吗？这是为了与通用地址结构 sockaddr 的长度保持一致。后边讲到 bind 函数的时候，你会发现 bind 函数的要求传入的是 sockaddr 结构体，传参的时候还需要将 sockaddr_in 转化为 sockaddr 。那为啥不直接用 sockaddr 结构体呢，因为 sockaddr 用起来不方便，sockaddr 的定义为：

    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
    };

sockaddr 结构体将地址，端口都放在 char sa_data[14] 里了，赋值很不方便，所以才 sockaddr_in 等一系列具有针对性的地址结构体，比如 IPv6 的地址结构体为 sockaddr_in6 。而 sockaddr_in 中的8为保留位就是为了在强制转化为 sockaddr 的时候不会丢失字节。

sockaddr_in 结构体的赋值示例：

    sockaddr_in addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));  //全部设为0
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(8000);
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

其中，htons 和 inet_addr 函数是转换函数，计算机并不能直接读懂端口 8888 和 IP “127.0.0.1”，需要进行一下转化，具体用法以后再写吧，这篇就不写了。

4. bind函数

bind函数用于绑定服务端套接字和地址，函数原型为：

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

参数详情：

• int sockfd：这个是前边socket函数创建的套接字。
• my_addr：地址结构体，类型是通用地址结构体 sockaddr ，需要将输入 sockaddr 等类型进行强制转换。
• addrlen：地址长度，为 socklen_t 类型，其实就是个 unsigned int，所以这个参数直接用 sizeof(myaddr)即可。
• 返回值：返回一个整数，0表示正常，-1表示绑定失败。

对bind函数的理解：主要在于如何理解绑定二字，个人理解是将套接字与指定的端口绑定，以后该套接字的信息收发都用这个端口。

使用示例：

int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    if ( ret < 0 ) {
        printf("ERROR: bind failed.\n");
        exit(1);
    }

5. listen函数

listen函数用于监听尝试连接本机的请求，由于服务端套接字已经与某一个端口绑定，listen 实际上就是监听这个端口。此外，由于计算机一次只能处理一个连接请求，当多个连接请求到来的时候，listen 函数将暂不能处理的连接请求放到等待队列中。 listen 函数的原型为：

int listen(int sockfd, int backlog)

参数解释：

• int sockfd：套接字。
• int backlog：最大等待队列，如果达到了最大值，新的请求将不再受理。
• 返回值：0为正常，-1为运行失败。

用法示例：

int ret = listen(sockfd, 10);
    if ( ret < 0 ) {
        printf("ERROR: listen failed.\n");
        exit(1);
    }

6. accept函数

accept()函数用于接收客户端的连接请求，函数原型为：

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

参数解释：

• sockfd：服务端套接字。
• addr：客户端的地址信息，accept 将接收到的客户端地址存入 addr 中。
• addrlen：地址长度。
• 返回值：accept 的返回值是一个新的套接字，该套接字就专用于这两个计算机之间的通信；每一次 accpet 都会返回一个新的套接字。

accept函数会返回一个新的套接字，这样就与客户端建立了一条通信“管道”。那么老的套接字呢，当然是在继续监听端口。

使用示例：

struct sockaddr_in clnt_addr;
socklen_t clnt_addr_len = sizeof(clnt_addr);  
int clnt_sock = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_len); //接受客户端请求

注意后边两个参数都是指针。

7. connect函数

客户端在套接字之后，就可以调用 connect 函数请求连接服务端，函数原型为：

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

参数解释：

• sockfd：客户端套接字。
• addr：请求连接的地址，要与服务端一致。
• addrlen：地址长度。
• 返回值：0为正常，-1为运行失败。

8. write函数

当服务端与客户端连接成功之后，可以通过新的套接字进行通信。服务端与客户端之间的消息发送和读取，可以通过 write() 和 read() 函数，这与读写普通文件使用的API是一样的。虽然表面上一样，但是在调用内核函数的时候，内核会判断该文件描述符是通信套接字，然后调用对应的内核函数。

使用write 函数发送消息，函数原型为：

int write(int sock_fd, const void* buffer, size_t len)

参数解释：

• sockfd：通信套接字，是 accept 返回的新的套接字。
• buffer：是一个 void 型的指针，指向了待发送消息的地址，发送消息的类型是无所谓的，找到所在地址就行。
• len：消息字节数，buffer 指向信息的首地址，还需要知道长度才能完整发送。
• 返回值：返回发送的字节数，如果是负数，表示发送失败。

9. read函数

read 函数用来接收消息。

int read(int sock_fd, const void* buffer, size_t len)

参数意思与 write 函数一致，返回值为接收到的字节数。