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Socket 实现

1. 什么是TCP/IP、UDP？
2. Socket在哪里呢？
3. Socket是什么呢？
4. 你会使用它们吗？

什么是TCP/IP、UDP？ 

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网（WANs）设计的。
UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是属于TCP/IP协议族中的一种。
这里有一张图，表明了这些协议的关系。

图1

TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。现在你知道TCP/IP与UDP的关系了吧。
Socket在哪里呢？
在图1中，我们没有看到Socket的影子，那么它到底在哪里呢？还是用图来说话，一目了然。

                                      图2

Socket是什么呢？

网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket()，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。Socket接口是TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数或例程，程序员可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。要学Internet上的TCP/IP网络编程，必须理解Socket接口。

基于 TCP (面向连接)和无连接UDP协议的 socket 套接字编程简化流程

基于 TCP (面向连接)的 socket 编程

服务器端程序:
1. 创建套接字(socket);
2. 将套接字绑定到一个本地地址和端口上(bind);
3. 将套接字设为监听模式,准备接收客户端请求(listen);
4. 等待客户端请求,当请求到达后,接受连接请求,返回一个新的对应于此次连接的套接字(accept);
5. 用返回的套接字和客户端进行通信(send/recv);
6. 返回,等待另一客户请求;
7. 关闭套接字;

客户端程序:
1. 创建套接字(socket);
2. 向服务器端发出连接请求(connect);
3. 和服务器端进行通信(send/recv);
4. 关闭套接字;

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基于 UDP (面向无连接)的 socket 编程

服务器端(接收端)程序:
1. 创建套接字(socket);
2. 将套接字绑定到一个本地地址和端口上(bind);
3. 等待接收数据(recvfrom);
4. 关闭套接字;

客户端(发送端)程序:
1. 创建套接字(socket);
2. 向服务器端发送数据(sendto);
3. 关闭套接字;

常用的Socket类型有两种：流式Socket （SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。

Socket建立:
为了建立Socket，程序可以调用Socket函数，该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。

socket函数原型为：
int socket(int domain, int type, int protocol); 

参数说明:
domain 指明所使用的协议族，通常为PF_INET，表示互联网协议族（TCP/IP协议族）；

type参数指定socket的类型： SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM，Socket接口还定义了原始Socket（SOCK_RAW），允许程序使用低层协议；

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。

Socket描述符是一个指向内部数据结构的指针，它指向描述符表入口。调用Socket函数时，socket执行体将建立一个Socket，实际上 "建立一个Socket"意味着为一个Socket数据结构分配存储空间。Socket执行体为你管理描述符表。
两个网络程序之间的一个网络连接包括五种信息：通信协议、本地协议地址、本地主机端口、远端主机地址和远端协议端口。Socket数据结构中包含这五种信息。
Socket配置
通过socket调用返回一个socket描述符后，在使用socket进行网络传输以前，必须配置该socket。

面向连接的socket客户端通过 调用Connect函数在socket数据结构中保存本地和远端信息。

bind函数

无连接socket的客户端和服务端以及面向连接socket的服务端通过调用 bind函数来配置本地信息。
Bind函数将socket与本机上的一个端口相关联，随后你就可以在该端口监听服务请求。Bind函数原型为：
int bind(int sockfd,struct sockaddr *my_addr, int addrlen); 

Sockfd是调用socket函数返回的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类型的指针；

addrlen常被设置为sizeof(struct sockaddr)。 

struct sockaddr结构类型是用来保存socket信息的： 
struct sockaddr { 
unsigned short sa_family; /* 地址族， AF_xxx */ 
char sa_data[14]; /* 14 字节的协议地址 */
};
sa_family一般为AF_INET，代表Internet（TCP/IP）地址族；sa_data则包含该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 */ 
}; 
这个结构更方便使用。sin_zero用来将sockaddr_in结构填充到与struct sockaddr同样的长度，可以用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。 
使用bind函数时，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。
注意在使用bind函数时需要将sin_port和sin_addr转换成为网络字节优先顺序；而sin_addr则不需要转换。
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，否则就会出现数据不一致。 
下面是几个字节顺序转换函数： 
htonl()：把32位值从主机字节序转换成网络字节序
htons()：把16位值从主机字节序转换成网络字节序
ntohl()：把32位值从网络字节序转换成主机字节序
ntohs()：把16位值从网络字节序转换成主机字节序
Bind()函数在成功被调用时返回0；出现错误时返回 "-1"并将errno置为相应的错误号。需要注意的是，在调用bind函数时一般不要将端口号置为小于1024的值，因为1到1024是保留端口号，你可以选择大于1024中的任何一个没有被占用的端口号。

有连接的connect连接
面向连接的客户程序使用Connect函数来配置socket并与远端服务器建立一个TCP连接，其函数原型为：
int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen); 
Sockfd 是socket函数返回的socket描述符；serv_addr是包含远端主机IP地址和端口号的指针；addrlen是远端地质结构的长度。 Connect函数在出现错误时返回-1，并且设置errno为相应的错误码。
进行客户端程序设计无须调用bind()，因为这种情况下只需知道目的机器 的IP地址，而客户通过哪个端口与服务器建立连接并不需要关心，socket执行体为你的程序自动选择一个未被占用的端口，并通知你的程序数据什么时候到 打断口。
Connect函数启动和远端主机的直接连接。只有面向连接的客户程序使用socket时才需要将此socket与远端主机相连。无连接协议从不建立直接连接。面向连接的服务器也从不启动一个连接，它只是被动的在协议端口监听客户的请求。 
Listen函数使socket处于被动的监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程序处理它们。 
int listen(int sockfd， int backlog); 
Sockfd 是Socket系统调用返回的socket 描述符；backlog指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连接请求将在队列中等待accept()它们（参考下文）。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。如果一个服务请求到来时，输入队列已满，该socket将拒绝连接请求，客户将收到一个出错信息。
当出现错误时listen函数返回-1，并置相应的errno错误码。
accept()函数让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列后，服务器就调用accept函数，然后睡眠并等待客户的连接请求。 
int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen); 
sockfd 是被监听的socket描述符，addr通常是一个指向sockaddr_in变量的指针，该变量用来存放提出连接请求服务的主机的信息（某 台主机从某个端口发出该请求）；addrten通常为一个指向值为sizeof(struct sockaddr_in)的整型指针变量。出现错误时accept函数返回-1并置相应的errno值。 
首先，当accept函数监视的 socket收到连接请求时，socket执行体将建立一个新的socket，执行体将这个新socket和请求连接进程的地址联系起来，收到服务请求的 初始socket仍可以继续在以前的 socket上监听，同时可以在新的socket描述符上进行数据传输操作。
数据传输
Send()和recv()这两个函数用于面向连接的socket上进行数据传输。
Send()函数原型为： 
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。在程序中应该将send()的返回值与欲发送的字节数进行比较。当send()返回值与len不匹配时，应该对这种情况进行处理。 
char *msg = "Hello!";
int len, bytes_sent;
……
len = strlen(msg);
bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0);
……
recv()函数原型为： 
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，当出现错误时，返回-1并置相应的errno值。 

Sendto()和recvfrom()用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。

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。 
如果你对数据报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。
结束传输
socket关闭有2个close，shutdown
他们之间的区别:
close-----关闭本进程的socket id，但链接还是开着的，用这个socket id的其它进程还能用这个链接，能读或写这个socket id .

shutdown--则破坏了socket 链接，读的时候可能侦探到EOF结束符，写的时候可能会收到一个SIGPIPE信号，这个信号可能直到socket buffer被填充了才收到，shutdown还有一个关闭方式的参数，0 不能再读，1不能再写，2 读写都不能。
socket 多进程中的shutdown, close使用
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是需要关闭的socket的描述符。参数 how允许为shutdown操作选择以下几种方式：
SHUT_RD：关闭连接的读端。也就是该套接字不再接受数据，任何当前在套接字接受缓冲区的数据将被丢弃。进程将不能对该

套接字发出任何读操作。对TCP套接字该调用之后接受到的任何数据将被确认然后无声的丢弃掉。
SHUT_WR:关闭连接的写端，进程不能在对此套接字发出写操作
SHUT_RDWR:相当于调用shutdown两次：首先是以SHUT_RD,然后以SHUT_WR
使用close中止一个连接，但它只是减少描述符的参考数，并不直接关闭连接，只有当描述符的参考数为0时才关闭连接。
shutdown可直接关闭描述符，不考虑描述符的参考数，可选择中止一个方向的连接。
注意:
1>. 如果有多个进程共享一个套接字，close每被调用一次，计数减1，直到计数为0时，也就是所用进程都调用了close，套接字将被释放。
2>. 在多进程中如果一个进程中shutdown(sfd, SHUT_RDWR)后其它的进程将无法进行通信. 如果一个进程close(sfd)将不会
影响到其它进程. 得自己理解引用计数的用法了. 有Kernel编程知识的更好理解了.

setsockopt设置socket状态 

1.closesocket（一般不会立即关闭而经历TIME_WAIT的过程）后想继续重用该socket：
BOOL bReuseaddr=TRUE;
setsockopt(s,SOL_SOCKET ,SO_REUSEADDR,(const char*)&bReuseaddr,sizeof(BOOL)); 

2. 如果要已经处于连接状态的soket在调用closesocket后强制关闭，不经历
TIME_WAIT的过程：
BOOL bDontLinger = FALSE;
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_DONTLINGER,(const char*)&bDontLinger,sizeof(BOOL)); 

3.在send(),recv()过程中有时由于网络状况等原因，发收不能预期进行,而设置收发时限：
int nNetTimeout=1000;//1秒
//发送时限
setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_SNDTIMEO，(char *)&nNetTimeout,sizeof(int));
//接收时限
setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_RCVTIMEO，(char *)&nNetTimeout,sizeof(int)); 

4.在send()的时候，返回的是实际发送出去的字节(同步)或发送到socket缓冲区的字节
(异步);系统默认的状态发送和接收一次为8688字节(约为8.5K)；在实际的过程中发送数据
和接收数据量比较大，可以设置socket缓冲区，而避免了send(),recv()不断的循环收发：
// 接收缓冲区
int nRecvBuf=32*1024;//设置为32K
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF,(const char*)&nRecvBuf,sizeof(int));
//发送缓冲区
int nSendBuf=32*1024;//设置为32K
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_SNDBUF,(const char*)&nSendBuf,sizeof(int)); 

5. 如果在发送数据的时，希望不经历由系统缓冲区到socket缓冲区的拷贝而影响
程序的性能：
int nZero=0;
setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_SNDBUF，(char *)&nZero,sizeof(nZero)); 

6.同上在recv()完成上述功能(默认情况是将socket缓冲区的内容拷贝到系统缓冲区)：
int nZero=0;
setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_RCVBUF，(char *)&nZero,sizeof(int)); 

7.一般在发送UDP数据报的时候，希望该socket发送的数据具有广播特性：
BOOL bBroadcast=TRUE;
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(const char*)&bBroadcast,sizeof(BOOL)); 

8.在client连接服务器过程中，如果处于非阻塞模式下的socket在connect()的过程中可
以设置connect()延时,直到accpet()被呼叫(本函数设置只有在非阻塞的过程中有显著的
作用，在阻塞的函数调用中作用不大)
BOOL bConditionalAccept=TRUE;
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_CONDITIONAL_ACCEPT,(const char*)&bConditionalAccept,sizeof(BOOL)); 

9.如果在发送数据的过程中(send()没有完成，还有数据没发送)而调用了closesocket(),以前我们
一般采取的措施是"从容关闭"shutdown(s,SD_BOTH),但是数据是肯定丢失了，如何设置让程序满足具体
应用的要求(即让没发完的数据发送出去后在关闭socket)？
struct linger {
u_short l_onoff;
u_short l_linger;
};
linger m_sLinger;
m_sLinger.l_onoff=1;//(在closesocket()调用,但是还有数据没发送完毕的时候容许逗留)
// 如果m_sLinger.l_onoff=0;则功能和2.)作用相同;
m_sLinger.l_linger=5;//(容许逗留的时间为5秒)
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_LINGER,(const char*)&m_sLinger,sizeof(linger)); 

10.还一个用的比较少的是在SDI或者是Dialog的程序中，可以记录socket的调试信息：
(前不久做过这个函数的测试，调式信息可以保存，包括socket建立时候的参数，采用的
具体协议，以及出错的代码都可以记录下来）
BOOL bDebug=TRUE;
setsockopt(s，SOL_SOCKET，SO_DEBUG，(const char*)&bDebug，sizeof(BOOL));

11.附加：往往通过setsockopt()设置了缓冲区大小，但还不能满足数据的传输需求，
我的习惯是自己写个处理网络缓冲的类，动态分配内存; 一般的习惯是自己写个处理网络缓冲的类，动态分配内存;下面我将这个类写出，希望对大家有所帮助： 

来源： <http://zhuwenlong.blog.51cto.com/209020/47080>

设置套接口的选项。
#include <winsock.h>
int PASCAL FAR setsockopt( SOCKET s, int level, int optname,
const char FAR* optval, int optlen);
s：标识一个套接口的描述字。
level：选项定义的层次；目前仅支持SOL_SOCKET和IPPROTO_TCP层次。
optname：需设置的选项。
optval：指针，指向存放选项值的缓冲区。
optlen：optval缓冲区的长度。
注释：
setsockopt()函数用于任意类型、任意状态套接口的设置选项值。尽管在不同协议层上存在选项，但本函数仅定义了最高的“套接口”层次上的选项。选项影响套接口的操作，诸如加急数据是否在普通数据流中接收，广播数据是否可以从套接口发送等等。
有两种套接口的选项：一种是布尔型选项，允许或禁止一种特性；另一种是整形或结构选项。允许一个布尔型选项，则将optval指向非零整形数；禁止一个选项optval指向一个等于零的整形数。对于布尔型选项，optlen应等于sizeof(int)；对其他选项，optval指向包含所需选项的整形数或结构，而optlen则为整形数或结构的长度。SO_LINGER选项用于控制下述情况的行动：套接口上有排队的待发送数据，且 closesocket()调用已执行。参见closesocket()函数中关于SO_LINGER选项对closesocket()语义的影响。应用程序通过创建一个linger结构来设置相应的操作特性：
struct linger {
int l_onoff;
int l_linger;
};
为了允许SO_LINGER，应用程序应将l_onoff设为非零，将l_linger设为零或需要的超时值（以秒为单位），然后调用setsockopt()。为了允许SO_DONTLINGER（亦即禁止SO_LINGER），l_onoff应设为零，然后调用setsockopt()。
缺省条件下，一个套接口不能与一个已在使用中的本地地址捆绑（参见bind()）。但有时会需要“重用”地址。因为每一个连接都由本地地址和远端地址的组合唯一确定，所以只要远端地址不同，两个套接口与一个地址捆绑并无大碍。为了通知WINDOWS套接口实现不要因为一个地址已被一个套接口使用就不让它与另一个套接口捆绑，应用程序可在bind()调用前先设置SO_REUSEADDR选项。请注意仅在bind()调用时该选项才被解释；故此无需（但也无害）将一个不会共用地址的套接口设置该选项，或者在bind()对这个或其他套接口无影响情况下设置或清除这一选项。
一个应用程序可以通过打开SO_KEEPALIVE选项，使得WINDOWS套接口实现在TCP连接情况下允许使用“保持活动”包。一个WINDOWS套接口实现并不是必需支持“保持活动”，但是如果支持的话，具体的语义将与实现有关，应遵守RFC1122“Internet主机要求－通讯层”中第 4.2.3.6节的规范。如果有关连接由于“保持活动”而失效，则进行中的任何对该套接口的调用都将以WSAENETRESET错误返回，后续的任何调用将以WSAENOTCONN错误返回。
TCP_NODELAY选项禁止Nagle算法。Nagle算法通过将未确认的数据存入缓冲区直到蓄足一个包一起发送的方法，来减少主机发送的零碎小数据包的数目。但对于某些应用来说，这种算法将降低系统性能。所以TCP_NODELAY可用来将此算法关闭。应用程序编写者只有在确切了解它的效果并确实需要的情况下，才设置TCP_NODELAY选项，因为设置后对网络性能有明显的负面影响。TCP_NODELAY是唯一使用IPPROTO_TCP层的选项，其他所有选项都使用SOL_SOCKET层。
如果设置了SO_DEBUG选项，WINDOWS套接口供应商被鼓励（但不是必需）提供输出相应的调试信息。但产生调试信息的机制以及调试信息的形式已超出本规范的讨论范围。
setsockopt()支持下列选项。其中“类型”表明optval所指数据的类型。
选项 类型 意义
SO_BROADCAST BOOL 允许套接口传送广播信息。
SO_DEBUG BOOL 记录调试信息。
SO_DONTLINER BOOL 不要因为数据未发送就阻塞关闭操作。设置本选项相当于将SO_LINGER的l_onoff元素置为零。
SO_DONTROUTE BOOL 禁止选径；直接传送。
SO_KEEPALIVE BOOL 发送“保持活动”包。
SO_LINGER struct linger FAR* 如关闭时有未发送数据，则逗留。
SO_OOBINLINE BOOL 在常规数据流中接收带外数据。
SO_RCVBUF int 为接收确定缓冲区大小。
SO_REUSEADDR BOOL 允许套接口和一个已在使用中的地址捆绑（参见bind()）。
SO_SNDBUF int 指定发送缓冲区大小。
TCP_NODELAY BOOL 禁止发送合并的Nagle算法。
setsockopt()不支持的BSD选项有：
选项名 类型 意义
SO_ACCEPTCONN BOOL 套接口在监听。
SO_ERROR int 获取错误状态并清除。
SO_RCVLOWAT int 接收低级水印。
SO_RCVTIMEO int 接收超时。
SO_SNDLOWAT int 发送低级水印。
SO_SNDTIMEO int 发送超时。
SO_TYPE int 套接口类型。
IP_OPTIONS 在IP头中设置选项。
返回值：
若无错误发生，setsockopt()返回0。否则的话，返回SOCKET_ERROR错误，应用程序可通过WSAGetLastError()获取相应错误代码。
错误代码：
WSANOTINITIALISED：在使用此API之前应首先成功地调用WSAStartup()。
WSAENETDOWN：WINDOWS套接口实现检测到网络子系统失效。
WSAEFAULT：optval不是进程地址空间中的一个有效部分。
WSAEINPROGRESS：一个阻塞的WINDOWS套接口调用正在运行中。
WSAEINVAL：level值非法，或optval中的信息非法。
WSAENETRESET：当SO_KEEPALIVE设置后连接超时。
WSAENOPROTOOPT：未知或不支持选项。其中，SOCK_STREAM类型的套接口不支持SO_BROADCAST选项，SOCK_DGRAM 类型的套接口不支持SO_DONTLINGER 、SO_KEEPALIVE、SO_LINGER和SO_OOBINLINE选项。
WSAENOTCONN：当设置SO_KEEPALIVE后连接被复位。
WSAENOTSOCK：描述字不是一个套接口。

socket中的linger结构体的作用