一、网络中进程之间如何通信

进程通信的概念最初来源于单机系统。由于每个进程都在自己的地址范围内运行，为保证两个相互通信的进

程之间既互不干扰又协调一致工作，操作系统为进程通信提供了相应设施，如：

• UNIX BSD有：管道（pipe）、命名管道（named pipe）软中断信号（signal）

• UNIX system V有：消息（message）、共享存储区（shared memory）和信号量（semaphore)等.

他们都仅限于用在本机进程之间通信。网间进程通信要解决的是不同主机进程间的相互通信问题（可把同机进程通信看作是其中的特例）。为此，首先要解决的是网间进程标识问题。同一主机上，不同进程可用进程号（process ID）唯一标识。但在网络环境下，各主机独立分配的进程号不能唯一标识该进程。例如，主机A赋于某进程号5，在B机中也可以存在5号进程，因此，“5号进程”这句话就没有意义了。 其次，操作系统支持的网络协议众多，不同协议的工作方式不同，地址格式也不同。因此，网间进程通信还要解决多重协议的识别问题。

其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。

使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。

二、什么是socket

1、socket套接字

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。

2、套接字描述符

套接字描述符和文件描述符的概念类似，都是用于标识打开的文件的，只不过这里特殊点，是用来标识建立的socket。它是一个整数，我们最熟悉的句柄是0、1、2三个，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误输出。0、1、2是整数表示的，对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr

三、Linux内核提供的socket编程系统调用

1、socket()

函数原型：

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

​ 函数执行后返回sockfd，这是一个文件描述符。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。

​ 创建socket的时候，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：

（1）domain：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有：

• AF_INET：表示使用IPV4
• AF_INET6：表示使用IPV6
• AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）：表示使用绝对路径名作为地址
• AF_ROUTE：

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。

（2）type：指定socket类型。常用的socket类型有：

• SOCK_STREAM
• SOCK_DGRAM
• SOCK_RAW
• SOCK_PACKET
• SOCK_SEQPACKET

（3）protocol：故名思意，就是指定协议。常用的协议有：

• IPPROTO_TCP：使用TCP传输协议
• IPPTOTO_UDP：使用UDP传输协议
• IPPROTO_SCTP：使用STCP传输协议
• IPPROTO_TIPC：使用TIPC传输协议

​ 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。

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。

2、bind()

函数原型：

int bind(int sockfd,struct sockaddr_in* addr,int addrLen);

bind()函数把一个地址族中的特定地址绑定到一个socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合绑定到socket。函数的三个参数分别为：

（1）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。

（2）addr：一个结构体指针，用于指向要绑定给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。这里如果想在Linux下实现socket编程的话，需要对ipv4或ipv6的结构非常了解才可以。

ipV4的结构：

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的结构：

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 */ 
};

（3）addrLen：对应的是地址的长度。

通常服务器在启动的时候都会绑定一个地址（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。

主机字节序和网络字节序的转换

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：

• 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。
• 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。

解决方法

• 使用htons()将短整型的主机字节序转化为网络字节序、htonl()将长整型的主机字节序转化为网络字节序

• 使用ntohs()将短整型的网络字节序转化为主机字节序、ntohl()将长整型的网络字节序转化为主机字节序

3、listen()、connect()

当服务器在调用socket()创建并使用bind()绑定ip和端口号到一个socket通道之后，接下来就需要监听客户端的连接请求了，Linux为我们提供了listen()系统调用，他的函数原型如下：

int listen(int sockfd, int backlog);

函数的第一个参数即为要监听的socket的文件描述符（可以通过socket()调用获得），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。

在主句准备好并处于监听之中时，客户端就可以使用connect()来连接服务器，他的函数原型如下：

int connect(int sockfd, const struct sockaddr_in *addr, socklen_t addrlen);

函数的第一个参数即为客户端的socket的文件描述符，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()

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。他的函数原型如下：

int accept(int sockfd, struct sockaddr_in *addr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd

他有3个参数：

（1）sockfd：参数sockfd就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器连接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。

（2）addr：这是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，当然这个地址是通过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣，那么可以把这个值设置为NULL。

（3）addrlen：用来接受上述addr的结构的大小的，它指明addr结构所占有的字节个数。同样的，它也可以被设置为NULL。

如果accept成功返回（返回0），则服务器与客户已经正确建立连接了，此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。

注意！

accept默认会阻塞进程，直到有一个客户连接建立后返回，它返回的是一个新可用的套接字，这个套接字是连接套接字。此时我们需要区分两种套接字：监听套接字 和 连接套接字

​ 监听套接字: 监听套接字正如accept的参数sockfd，它是监听套接字，在调用listen函数之后，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字(监听套接字)

​ 连接套接字：一个套接字会从主动连接的套接字变身为一个监听套接字；而accept函数返回的是已连接socket描述字(一个连接套接字)，它代表着一个网络已经存在的点点连接。

​ 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。

5、read()、write()等函数

至此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！Linux提供的网络I/O操作有下面几组：

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

它们的声明分别如下：

#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);

（1）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。

（2）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)。

6、close()

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。

关闭一个TCP socket的缺省行为是把该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。

四、Linux下socket编程示例

服务器端：启动后监听9000端口，如果收到连接请求，将接收请求并接收客户端发来的消息，并向客户端返回消息。

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <strings.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <sys/wait.h>
#include <pthread.h>
#define SRV_PORT 9000
#define MAXLINE 8192
#define INET 100

//定义一个结构体，将地址结构和cfd捆绑在一块
struct s_info
{
    struct sockaddr_in cliaddr;
    int connfd;
};

//线程函数
void *do_work(void *arg)
{
    int n, i;
    struct s_info *ts = (struct s_info *)arg;
    char buf[MAXLINE];
    char str[INET];
  
    printf("Client %s:%d connected!\n",
               inet_ntop(AF_INET, &(*ts).cliaddr.sin_addr.s_addr, str, sizeof(str)),
               ntohs((*ts).cliaddr.sin_port));
    while (1)
    {
        n = read(ts->connfd, buf, MAXLINE); //读客户端
        if (n == 0)
        {
            printf("Client %d has been closed...\n", ts->connfd);
            break;
        }

        //打印客户端信息 ,ip和端口号
        printf("Receive message  from %s:%d\n",
               inet_ntop(AF_INET, &(*ts).cliaddr.sin_addr.s_addr, str, sizeof(str)),
               ntohs((*ts).cliaddr.sin_port));   
         //将消息写到屏幕
         write(STDOUT_FILENO, buf, n);

        for (i = 0; i < n; i++)
            buf[i] = toupper(buf[i]);

        write(ts->connfd, buf, n);    //回写到客户端
        printf("\n");
    }
    close(ts->connfd);
    pthread_exit(0);
}

int main(int argc, char *argv[])
{

    int lfd, cfd;
    pthread_t tid;
    int i = 0;

    struct s_info ts[256]; //创建结构体数组

    struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
    socklen_t cliaddr_len;

    //创建一个socket
    lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (lfd < 0)
    {
        printf("socket creation failed\n");
        exit(-1);
    }

    //地址结构清0
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(SRV_PORT);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    //绑定
    if (bind(lfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1)
    {
        printf("Bind error.\n");
        exit(-1);
    }

    //设置同一时刻链接服务器上限数
    if (listen(lfd, 10) == -1)
    {
        printf("Listen error!\n");
        exit(-1);
    }
    printf("Server startup successful! Listening on: ::::%d\n",SRV_PORT);

    cliaddr_len = sizeof(cliaddr);

    while (1)
    {
        //阻塞监听客户端请求
        cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);

        ts[i].cliaddr = cliaddr; //客户端的地址结构
        ts[i].connfd = cfd;
        //创建子线程
        pthread_create(&tid, NULL, do_work, (void *)&ts[i]);
        //子线程分离，防止僵尸线程的产生
        pthread_detach(tid);
        i++;
    }
    return 0;
}

客户端：连接服务器，并向服务器发送消息

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <strings.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <arpa/inet.h>
#define SERV_PORT 9000
#define CONNECT_NUM 5
#define BUFIZE 4096
#define MAX_NUM 80

void sys_err(const char *str)
{
    perror(str);
    exit(-1);
}

int main(void)
{

    int cfd;
    struct sockaddr_in serv_addr; //服务器地址结构
    int ret;
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons((u_short)SERV_PORT);

    //网络字节序转本地字节序
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr.s_addr); //绑定的IP应该是服务器的IP

    cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (cfd < 0)
        sys_err("socket error");

    if (connect(cfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
        sys_err("connect errpr");

    printf("Connect successful.\n");

    char sedBuf[MAX_NUM] = {0}; //发送缓冲区
    char revBuf[MAX_NUM] = {0}; //接收缓冲区

    //只要客户端不关闭，就一直循环
    while (gets(sedBuf) != -1)
    {

        //阻塞写，将客户端写的内容cpoy到发送缓冲区中，如果不写，就一直阻塞在这
        if (write(cfd, sedBuf, strlen(sedBuf)) < 0)
            sys_err("write error");

        bzero(sedBuf, sizeof(sedBuf)); //清空缓冲区

        //从套接字cfd中的接收缓冲区中，读服务端发来的内容
        if (read(cfd, revBuf, sizeof(revBuf)) < 0)
            sys_err("read error");
        else
            printf("Sever[%s:%d]:%s\n", inet_ntoa(serv_addr.sin_addr), ntohs(serv_addr.sin_port),revBuf); //打印

        bzero(revBuf, sizeof(revBuf)); //清空缓冲区
    }
    close(cfd);
    return 0;
}

测试：

首先编译源文件，为了方便管理我这里编写一个Makefile

SOURCE = $(wildcard *.c)
TARGETS = $(patsubst %.c, %, $(SOURCE))
 
CC = gcc
CFLAGS = -pthread -Wall -g
 
all:$(TARGETS)
	$(TARGETS):%:%.c
	$(CC) $< $(CFLAGS) -o $@ 
.PHONY:clean all
clean:
	-rm -rf $(TARGETS)

执行Makefile编译生成可执行性文件之后首先启动server：

之后在另一个窗口启动客户端并向服务器发送消息，服务器也把消息返送回来：

转载来自：https://www.cnblogs.com/jiangzhaowei/p/8261174.html