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本文详细介绍了Socket编程的基础概念、网络字节序与主机字节序的区别、Socket编程的基本操作流程，包括socket、bind、listen、connect、accept等函数的使用方法，并讲解了数据传输函数如send和recv的工作原理。

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本地进程间通信主要有四类：

消息传递（管道、FIFO、消息队列）
同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
共享内存（匿名的和具名的）
远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）

本地进程间通信靠进程号（PID）来唯一标识一个进程。而在网络通信中，TCP/IP协议族已经用网络层的“IP地址”来唯一标识网络中的主机，同时，传输层的“协议+端口号”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。也就是说网络中的通信可以利用【IP地址，协议，端口】这一标志与其他进程进行交互。

UNIX BSD的套接字socket就是TCP/IP协议应用程序的应用编程接口，目前几乎所有的网络通信都采用socket。

那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。我的理解就是Socket就是该模式的一个实现，socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）。

计算机数据存储有两种字节优先顺序：高位字节优先和低位字节优先。Internet上数据以高位字节优先顺序在网络上传输，所以对于在内部是以低位字节优先方式存储数据的机器，在Internet上传输数据时就需要进行转换。我们要讨论的第一个结构类型是：struct sockaddr，该类型是用来保存socket信息的：

struct sockaddr {
　　unsigned short sa_family; /* 地址族，sa_family一般为AF_INET*/
　 char sa_data[14]; /* 14 字节的协议地址包含该socket的IP地址和端口号*/
};

另外还有一种结构类型：
　　struct sockaddr_in {
　　 short int sin_family;            /* 地址族 */
　　 unsigned short int sin_port;     /* 端口号 */
　　 struct in_addr sin_addr;         /* IP地址 */
　　 unsigned char sin_zero[8];       /* 填充0 以保持与struct sockaddr同样大小 */
　　};
    这个结构使用更为方便。sin_zero(它用来将sockaddr_in结构填充到与struct sockaddr同样的长度)应该用bzero()或memset()函数将其置为零。指向sockaddr_in 的指针和指向sockaddr的指针可以相互转换，这意味着如果一个函数所需参数类型是sockaddr时，你可以在函数调用的时候将一个指向 sockaddr_in的指针转换为指向sockaddr的指针；或者相反。sin_family通常被赋AF_INET；sin_port应该转换成为网络字节优先顺序；而sin_addr则不需要转换。

我们下面讨论几个字节顺序转换函数：
　　htons()--"Host to Network Short" ; htonl()--"Host to Network Long"
　　ntohs()--"Network to Host Short" ; ntohl()--"Network to Host Long"
　　在这里， h表示"host" ，n表示"network"，s 表示"short"，l表示 "long"。

socket的基本操作函数

（1） socket函数

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

socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。

正如可以给fopen的传入不同参数值，以打开不同的文件。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：

domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
type：指定socket类型。常用的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等。
protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议。

注意：并不是上面的type和protocol可以随意组合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP组合。当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。

当我们调用socket创建一个socket时，返回的socket描述字它存在于协议族（address family，AF_XXX）空间中，但没有一个具体的地址。如果想要给它赋值一个地址，就必须调用bind()函数，否则就当调用connect()、listen()时系统会自动随机分配一个端口。

protocol通常赋值"0"。Socket()调用返回一个整型socket描述符，你可以在后面的调用使用它。

一旦通过socket调用返回一个socket描述符，你应该将该socket与你本机上的一个端口相关联（往往当你在设计服务器端程序时需要调用该函数。随后你就可以在该端口监听服务请求;而客户端一般无须调用该函数）。

（2）bind()函数

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

正如上面所说bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。

函数的三个参数分别为：

sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。

addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，如ipv4对应的是：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

ipv6对应的是：

struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};

struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
};

Unix域对应的是：

#define UNIX_PATH_MAX    108

struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};

addrlen：对应的是地址的长度。

sockfd是一个socket描述符，my_addr是一个指向包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的针; addrlen常被设置为sizeof(struct sockaddr)。最后，对于bind 函数要说明的一点是，你可以用下面的赋值实现自动获得本机IP地址和随机获取一个没有被占用的端口号：
　　my_addr.sin_port = 0; /* 系统随机选择一个未被使用的端口号 */
　　my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 填入本机IP地址 */
　　通过将my_addr.sin_port置为0，函数会自动为你选择一个未占用的端口来使用。同样，通过将my_addr.sin_addr.s_addr置为INADDR_ANY，系统会自动填入本机IP地址。Bind()函数在成功被调用时返回0；遇到错误时返回"-1"并将errno置为相应的错误号。另外要注意的是，当调用函数时，一般不要将端口号置为小于1024的值，因为1~1024是保留端口号，你可以使用大于1024中任何一个没有被占用的端口号。

    网络字节序与主机字节序

    主机字节序就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。引用标准的Big-Endian和Little-Endian的定义如下：

    　　a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

    　　b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

    网络字节序：4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作大端字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。字节序，顾名思义字节的顺序，就是大于一个字节类型的数据在内存中的存放顺序，一个字节的数据没有顺序的问题了。

    所以：在将一个地址绑定到socket的时候，请先将主机字节序转换成为网络字节序，而不要假定主机字节序跟网络字节序一样使用的是Big-Endian。由于这个问题曾引发过血案！公司项目代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为网络字节序再赋给socket。

（3）listen()、connect()函数

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

如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。

listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。Backlog对队列中等待服务的请求的数目进行了限制，大多数系统缺省值为20。当listen遇到错误时返回-1，errno被置为相应的错误码。

connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。

（4）accept()函数
TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。

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

accept函数的第一个参数为服务器的socket描述字，第二个参数为指向struct sockaddr *的指针，用于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。

注意：accept的第一个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字；而accept函数返回的是已连接的socket描述字。一个服务器通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。

（5）read()、write()等函数

服务器与客户已经建立好连接了。可以调用网络I/O进行读写操作了，即实现了网咯中不同进程之间的通信！网络I/O操作有下面几组：

read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()

推荐使用recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通用的I/O函数，实际上可以把上面的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：

       #include <unistd.h>

       ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

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

       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

       ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
       ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                        struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

       ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
       ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

read函数是负责从fd中读取内容.当读成功时，read返回实际所读的字节数，如果返回的值是0表示已经读到文件的结束了，小于0表示出现了错误。如果错误为EINTR说明读是由中断引起的，如果是ECONNREST表示网络连接出了问题。

write函数将buf中的nbytes字节内容写入文件描述符fd.成功时返回写的字节数。失败时返回-1，并设置errno变量。在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1)write的返回值大于0，表示写了部分或者是全部的数据。2)返回的值小于0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为EINTR表示在写的时候出现了中断错误。如果为EPIPE表示网络连接出现了问题(对方已经关闭了连接)。

Send()和recv()——数据传输
这两个函数是用于面向连接的socket上进行数据传输。

　　int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);
    Sockfd是你想用来传输数据的socket描述符，msg是一个指向要发送数据的指针。
    Len是以字节为单位的数据的长度。flags一般情况下置为0（关于该参数的用法可参照man手册）。
    Send()函数返回实际上发送出的字节数，可能会少于你希望发送的数据。所以需要对send()的返回值进行测量。当send()返回值与len不匹配时，应该对这种情况进行处理。

　　int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);
Sockfd是接受数据的socket描述符；buf 是存放接收数据的缓冲区；len是缓冲的长度。Flags也被置为0。Recv()返回实际上接收的字节数，或当出现错误时，返回-1并置相应的errno值。

    Sendto()和recvfrom()——利用数据报方式进行数据传输
    在无连接的数据报socket方式下，由于本地socket并没有与远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址，sendto()函数原型为：
　　int sendto(int sockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to,int tolen);
    该函数比send()函数多了两个参数，to表示目地机的IP地址和端口号信息，而tolen常常被赋值为sizeof (struct sockaddr)。Sendto 函数也返回实际发送的数据字节长度或在出现发送错误时返回-1。

    Recvfrom()函数原型为：
　　int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);
    from是一个struct sockaddr类型的变量，该变量保存源机的IP地址及端口号。fromlen常置为sizeof(struct sockaddr)。当recvfrom()返回时，fromlen包含实际存入from中的数据字节数。Recvfrom()函数返回接收到的字节数或当出现错误时返回-1，并置相应的errno。
     应注意的一点是，当你对于数据报socket调用了connect()函数时，你也可以利用 send()和recv()进行数据传输，但该socket仍然是数据报socket，并且利用传输层的UDP服务。但在发送或接收数据报时，内核会自动为之加上目地和源地址信息。

（6） close()函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。

当所有的数据操作结束以后，你可以调用close()函数来释放该socket，从而停止在该socket上的任何数据操作：close(sockfd);
你也可以调用shutdown()函数来关闭该socket。该函数允许你只停止在某个方向上的数据传输，而一个方向上的数据传输继续进行。如你可以关闭某socket的写操作而允许继续在该socket上接受数据，直至读入所有数据。

　　int shutdown(int sockfd,int how);
Sockfd的含义是显而易见的，而参数 how可以设为下列值：
　　·0-------不允许继续接收数据
　　·1-------不允许继续发送数据
　　·2-------不允许继续发送和接收数据，均为允许则调用close()
shutdown在操作成功时返回0，在出现错误时返回-1（并置相应errno）。

    DNS——域名服务相关函数
    由于IP地址难以记忆和读写，所以为了读写记忆方便，人们常常用域名来表示主机，这就需要进行域名和IP地址的转换。函数gethostbyname()就是完成这种转换的，函数原型为：
　　struct hostent *gethostbyname(const char *name);
    函数返回一种名为hostent的结构类型，它的定义如下：
　　struct hostent
    {
　　 char *h_name;      /* 主机的官方域名 */
　　 char **h_aliases;    /* 一个以NULL结尾的主机别名数组 */
　　 int    h_addrtype;   /* 返回的地址类型，在Internet环境下为AF-INET */
　　 int h_length;        /*地址的字节长度 */
　　 char **h_addr_list; /* 一个以0结尾的数组，包含该主机的所有地址*/
　　};
    #define h_addr h_addr_list[0] /*在h-addr-list中的第一个地址*/

getaddrinfo 函数涉及一个addrinfo 的结构体，如下所示：

    struct addrinfo{
          int ai_flags; /*AI_PASSIVE,AI_CANONNAME;*/
          int ai_family; /* 址族*/
          int ai_socktype; /*socket类型*/
          int ai_protocol; /*协议类型*/
          size_t ai_addrlen; /* 址长度*/
          char *ai_canoname; /*主机名*/
          struct sockaddr *ai_addr; /*socket结构体*/
          struct addrinfo *ai_next; /*下一个指针链表*/
    }

hostent 结构体而言，addrinfo 结构体包含更多的信息。

    （a）通常服务器端调用getaddrinfo之前，ai_flags设置AI_PASSIVE，用于bind函数（用于端口和地址的绑定后面会讲到），主机名nodename通常会设置为NULL。
    （b）客户端调用getaddrinfo时，ai_flags 一般不设置AI_PASSIVE，但是主机名nodename和服务名servname（端口）则应该不为空。
    （c）即使不设置ai_flags 为AI_PASSIVE，取出的地址也并非不可以被bind ，很多程序中ai_flags直接设置为0，即 3个标志位都不设置，这种情况下只要hostname 和 servname设置的没有问题就可以正确bind。

close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。

注意：close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。