Linux之本地Socket通信

一、Sokcet

  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。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）.
说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。
注意：其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。
使用套接字除了可以实现网络间不同主机间的通信外，还可以实现同一主机的不同进程间的通信，且建立的通信是双向的通信。socket进程通信与网络通信使用的是统一套接口，只是地址结构与某些参数不同。
    socket一词的起源
在组网领域的首次使用是在1970年2月12日发布的文献IETF RFC33中 发现的，撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根据美国计算机历史博物馆的记载，Croker写道：“命名空间的元素都可称为套接字接口。一个套接字接口构成一个连接的一端，而一个连接可完 全由一对套接字接口规定。”计算机历史博物馆补充道：“这比BSD的套接字接口定义早了大约12年。”

其主要流程如下：

二、Sokcet API

一、sockaddr 结构: struct sockaddr是通用的套接字地址 是linux 网络通信的地址结构体的一种，此数据结构用做bind、connect、recvfrom、sendto等函数的参数，指明地址信息。
定义如下：

struct sockaddr{unsigned short  sa_family ; /* address family*/Char sa_data[14] ; /*up to 14 bytes of direct address */} ;头文件: Sys/socket.h
说明:
Sa_family : 是地址家族，也成作，协议族，一般都是”AF_XXX”的形式，常用的有

AF_INET  Arpa（TCP/IP） 网络通信协议（IPV4）AF_INET6  IPV6AF_UNIX  UNIX 域协议（文件系统套接字）（或称AF_LOCAL   ，Unix域socket）AF_ISO    ISO标准协议AF_NS    施乐网络体统协议AF_IPX  Novell IPX 协议AF_APPLETALK   Appletalk DDSAF_ROUTE 路由套接字AF_KEY 密钥套接字Sa_data:  是14字节的协议地址
二、struct socketaddr_in : struct sockaddr是通用的套接字地址，而struct sockaddr_in则是internet环境下套接字的地址形式，二者长度一样，都是16个字节。二者是并列结构，指向sockaddr_in结构的指针也可以指向sockaddr。一般情况下，需要把sockaddr_in结构强制转换成sockaddr结构再传入系统调用函数中。
定义如下：
IPV4：

struct in_addr {    in_addr_t  s_addr;   }; struct sockaddr_in {    uint8_t sin_len; //无符号8位整型    sa_family_t sin_famliy;  /*AF_INET*/    in_port_t  sin_port;         struct in_addr sin_addr;   /*32位 IPv4 地址*/   char sin_zero[8];      /*unuse*/    };IPV6:

struct in6_addr {     unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ };#define SIN6_LENstruct sockaddr_in6 {   uint8_t sin6_len;   sa_family_t sin6_famliy;  /* 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  sockaddr_in {short  int  sin_family;                      /* Address family */unsigned  short  int  sin_port;       /* Port number */struct  in_addr  sin_addr;              /* Internet address */unsigned  char  sin_zero[8];         /* Same size as struct sockaddr */};struct  in_addr {unsigned  long  s_addr;};typedef struct in_addr {union {            struct{                        unsigned char s_b1,                        s_b2,                        s_b3,                        s_b4;                        } S_un_b;           struct {                        unsigned short s_w1,                        s_w2;                        } S_un_w;            unsigned long S_addr;          } S_un;} IN_ADDR;头文件:
sys/types.h
sa_family_t和socklen_t 头文件 sys/socket.h
in_addr_t、 in_port_t 头文件 netinet/in.h
说明:
sin_family    指代协议族，在socket编程中只能是AF_INET
sin_port       存储端口号（使用网络字节顺序）
sin_addr     存储IP地址，使用in_addr这个数据结构
sin_zero     是为了让sockaddr与sockaddr_in两个数据结构保持大小相同而保留的空字节。
s_addr        按照网络字节顺序存储IP地址
三、Struct socketaddr_un : 针对UNIX域套接字地址, struct sockaddr是通用的套接字地址，而struct sockaddr_un则是UNIX环境下套接字的地址形式，人们在使用这种方式时往往用的不是网络套接字，而是一种称为本地套接字的方式。这样做可以避免为黑客留下后门。一般情况下，需要把sockaddr_un结构强制转换成sockaddr结构再传入系统调用函数中。
定义如下：

Unix域对应的是：  #define UNIX_PATH_MAX    108struct sockaddr_un {     sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */     char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ };头文件: sys/un.h :
说明:
sun_family   指代协议族，在socket编程中只能是AF_UNIX
sun_path      本地通信的路径
四、socket()函数
sys/socket.h
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（常用）字节流套接字
SOCK_DGRAM  数据报套接字
SOCK_SEQPACKET　有序分组套接字
SOCK_RAW 原始套接字

3 protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有，

  IPPROTO_TCP  TCP传输协议
IPPTOTO_UDP UDP传输协议
IPPROTO_SCTP STCP传输协议
IPPROTO_TIPC TIPC传输协议

4 返回值:socket描述符
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。
五、bind()函数
sys/socket.h
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。
参数说明:

• sockfd：即socket描述符，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
• addrlen：对应的是地址的长度。
• 返回值:成功标志
  

通常服务器在启动的时候都会绑定一个众所周知的地址（如ip地址+端口号），用于提供服务，客户就可以通过它来接连服务器；而客户端就不用指定，有系统自动分配一个端口号和自身的ip地址组合。这就是为什么通常服务器端在listen之前会调用bind()，而客户端就不会调用，而是在connect()时由系统随机生成一个。
六、listen()函数
sys/socket.h
int listen(int sockfd, int backlog);
服务器端套接字创建完毕并赋予本地地址值后，需要进行监听，等待客户端连接并处理请求，监听使用 listen 系统调用，接受客户端连接使用系统的accept()函数调用
参数说明:

• sockfd：第一个参数即为要监听的socket描述符
• backlog:第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数,表示排队连接队列的长度（若有多个客户端同时连接，则需要进行排队）；
• 返回值:成功标志
  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。
  

七、connect()函数
sys/socket.h
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。
参数说明:

• sockfd：第一个参数即为客户端的socket描述字
• addr：当前客户端的本地地址，是一个 struct sockaddr_un 类型的变量,在不同主机中是struct sockaddr_in 类型的变量,
• addrlen：表示本地地址的字节长度
• 返回值:成功标志
  

八、accept()函数
sys/socket.h
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
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()之后就想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。
参数说明:

• sockfd：第一个参数为服务器的socket描述符
• addr：，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
• addrlen：第三个参数为协议地址的长度
• 返回值: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。
九 、read()、write()函数
sys/socket.h
int read(int socket, char *buffer, size_t len);
int write(int socket, char *buffer, size_t len);
当然还有如下几种格式的读取和写入：

#include #include #include 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);

  无论客户端还是服务器，都要和对方进行数据上的交互。一个进程扮演客户端的角色，另外一个进程扮演服务器的角色，两个进程之间相互发送接收数据，这就是基于本地套接字的进程通信。
循环读取客户端发送的消息，当客户端没有发送数据时会阻塞直到有数据到来。如果想要多个连接并发处理，需要创建线程，将每个连接交给相应的线程并发处理。接收到数据后，进行相应的处理，将结果返回给客户端。

参数说明:

• socket：如果是服务端则是accpet()函数的返回值，客户端是connect()函数中的第一个参数
• buffer：写入或者读取的数据
• len：写入或者读取的数据的大小
  

  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)。

十、close()函数
unistd.h
int close(int fd);

  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。

参数说明:

• fd:客户端connect()函数的第一个参数,服务端accept()的返回值
• 返回值:成功标志
  

  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。
三、socket中TCP的三次握手建立连接

我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

• 客户端向服务器发送一个SYN J
• 服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
• 客户端再想服务器发一个确认ACK K+1
  

只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在socket的那几个函数中呢？请看下图：

  从图中可以看出，当客户端调用connect时，触发了连接请求，向服务器发送了SYN J包，这时connect进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到SYN J包，调用accept函 数接收请求向客户端发送SYN K ，ACK J+1，这时accept进入阻塞状态；客户端收到服务器的SYN K ，ACK J+1之后，这时connect返回，并对SYN K进行确认；服务器收到ACK K+1时，accept返回，至此三次握手完毕，连接建立。

四、socket中TCP的四次握手释放连接

图解:

大致流程:

• 某个应用进程首先调用close主动关闭连接，这时TCP发送一个FIN M；
• 另一端接收到FIN M之后，执行被动关闭，对这个FIN进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为FIN的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据
• 段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用close关闭它的socket。这导致它的TCP也发送一个FIN N；
• 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认。
  这样每个方向上都有一个FIN和ACK。
  

五、Example：

Client:
ClientSocket.h

#ifndef CLIENT_SOCKET_H#define CLIENT_SOCKET_H#include #include #include #include #define SOCKET_PATH "clientSocket@com"class ClientSocket{public:    ClientSocket();    virtual ~ClientSocket();    int requestConnectService();    int read();    int write();private:    int fd;};#endifClientSokcet.cpp

#include "ClientSocket.h"ClientSocket::ClientSocket():fd(-1){}virtual ClientSocket::~ClientSocket(){}int ClientSocket::requestConnectService(){    int result=-1;    struct sockaddr_un server_sockaddr;    fd= socket(AF_UNIX,SOCK_SEQPACKET,0);       if(fd < 0) {        return -1;      }    server_sockaddr.sun_family=AF_UNIX;      server_sockaddr.sun_path[0] = 0;       strcpy(server_sockaddr.sun_path+1, SOCKET_PATH);    socklen_t len_t=sizeof(server_sockaddr.sun_family) + sizeof(BLUETOOTH_LE_SCOKET_PATH);    result=connect(fd,( struct sockaddr * )&server_sockaddr,len_t);    if(result<0){        close(fd);        return -1;    }    return fd;}int ClientSocket::read(char* buf,unsigned int size){    int ret = -1;    ret = write(fd,buf,size);    if(ret<0){        return -1;    }    return ret;}int ClientSocket::write(char* buf,unsigned int size){    int ret = -1;    ret = write(fd,buf,size);    if(ret<0){        return -1;    }    return ret;}Service:
ServicSokcet.h

#ifndef SERVICE_SOCKET_H#define SERVICE_SOCKET_H#include #include #include #include #define SOCKET_PATH "clientSocket@com"#define LISTEN_MAX_SOCKET_NUM  20class ServiceSocket{public:    ServiceSocket();    virtual ServiceSocket();    int createService();    int read();    int write();private:    int client_socket;};#endifServiceSocket.cpp

#include "ServiceSocket.h"ServiceSocket::ServiceSocket():client_socket(-1){}virtual ServiceSocket::ServiceSocket(){}int ServiceSocket::createService(){    int serverFd = -1;    struct sockaddr_un serv_addr;    struct sockaddr_un client_addr;    int client_addr_len = sizeof(struct sockaddr_un);    memset(&client_addr,0x00,sizeof(client_addr));    char cmd[100] = "";    serverFd = socket(AF_UNIX,SOCK_SEQPACKET,0);    if(serverFd < 0) {    return -1;    }       memset(&serv_addr,0x00,sizeof(serv_addr));    serv_addr.sun_family = AF_UNIX;    serv_addr.sun_path[0] = 0;       strcpy(serv_addr.sun_path+1,SOCKET_PATH);    socklen_t addrlen = sizeof(serv_addr.sun_family) + sizeof(SOCKET_PATH);       if(bind(serverFd,(struct sockaddr*)&serv_addr,addrlen) < 0) {              close(serverFd);              return -1;       }     if(listen(serverFd,LISTEN_MAX_SOCKET_NUM) < 0) {             close(serverFd);             return -1;        }      int flags = 0;      //获取文件的flags      fcntl(serverFd, F_GETFL, &flags);      //增加文件的某个flags，比如文件是阻塞的，想设置成非阻塞:      fcntl(serverFd, F_SETFL, O_NONBLOCK | flags);      client_socket = accept(serverFd,(struct sockaddr*)&client_addr,(socklen_t*)&client_addr_len);      if(client_socket > 0){        int flags = 0;        fcntl(client_socket, F_GETFL,flags);        fcntl(client_socket, F_SETFL, O_NONBLOCK | flags);        return client_socket;      }      return -1;}int ServiceSocket::read(char* buf,unsigned int size){    int ret = -1;    ret = write(client_socket,buf,size);    if(ret<0){        return -1;    }    return ret;}int ServiceSocket::write(char* buf,unsigned int size){    int ret = -1;    ret = write(client_socket,buf,size);    if(ret<0){        return -1;    }    return ret;}gitHub源码下载