下面通過最簡單的客戶端/服務器程序的實例來學習socket API。
echoser.c 程序的功能是從客戶端讀取字符 然後直接回射回去。
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> File Name: echoser.c
> Author: Simba
> Mail: [email protected]
> Created Time: Fri 01 Mar 2013 06:15:27 PM CST
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#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>
#define ERR_EXIT(m) \
do { \
perror(m); \
exit(EXIT_FAILURE); \
} while (0)
int main(void)
{
int listenfd; //被動套接字(文件描述符），即只可以accept
if ((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
// listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)
ERR_EXIT("socket error");
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(5188);
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
/* servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); */
/* inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); */
int on = 1;
if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)
ERR_EXIT("setsockopt error");
if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
ERR_EXIT("bind error");
if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0) //listen應在socket和bind之後，而在accept之前
ERR_EXIT("listen error");
struct sockaddr_in peeraddr; //傳出參數
socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr); //傳入傳出參數，必須有初始值
int conn; // 已連接套接字(變為主動套接字，即可以主動connect)
if ((conn = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&peeraddr, &peerlen)) < 0)
ERR_EXIT("accept error");
printf("recv connect ip=%s port=%d\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr),
ntohs(peeraddr.sin_port));
char recvbuf[1024];
while (1)
{
memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
int ret = read(conn, recvbuf, sizeof(recvbuf));
fputs(recvbuf, stdout);
write(conn, recvbuf, ret);
}
close(conn);
close(listenfd);
return 0;
}
下面介紹程序中用到的socket API，這些函數都在sys/socket.h中。
int socket(int family, int type, int protocol);
socket()打開一個網絡通訊端口，如果成功的話，就像open()一樣返回一個文件描述符，應用程序可以像讀 寫文件一樣用read/write在網絡上收發數據，如果socket()調用出錯則返回-1。對於IPv4，family參數指定為AF_INET。對 於TCP協議，type參數指定為SOCK_STREAM，表示面向流的傳輸協議。如果是UDP協議，則type參數指定為SOCK_DGRAM，表示 面向數據報的傳輸協議。protocol參數的介紹從略，指定為0即可。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
服務器程序所監聽的網絡地址和端口號通常是固定不變的，客戶端程序得知服務器程序 的地址和端口號後就可以向服務器發起連接，因此服務器需要調用bind綁定一個固定的網絡地址和端口號。bind()成功返回 0，失敗返回-1。
bind()的作用是將參數sockfd和myaddr綁定在一起，使sockfd這個用於網絡通訊的文件描述符監聽 myaddr所描述的地址和端口號。struct sockaddr *是一個通用指針類型，myaddr參數實際上可以接受多種協議的sockaddr 結構體，而它們的長度各不相同，所以需要第三個參數addrlen指定結構體的長度。我們的程序中對myaddr參數是這樣初始 化的：
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(5188);
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
首先將整個結構體清零（也可以用bzero函數），然後設置地址類型為AF_INET，網絡地址為INADDR_ANY，這個宏表 示本地的任意IP地址，因為服務器可能有多個網卡，每個網卡也可能綁定多個IP地址，這樣設置可以在所有的IP地址上監聽 ，直到與某個客戶端建立了連接時才確定下來到底用哪個IP地址，端口號為5188。
int listen(int sockfd, int backlog);
典型的服務器程序可以同時服務於多個客戶端，當有客戶端發起連接時，服務器調用的accept()返回並接受這 個連接，如果有大量的客戶端發起連接而服務器來不及處理，尚未accept的客戶端就處於連接等待狀態，listen()聲明 sockfd處於監聽狀態，並且最多允許有backlog個客戶端處於連接等待狀態，如果接收到更多的連接請求就忽略。listen() 成功返回0，失敗返回-1。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);
三方握 手完成後，服務器調用accept()接受連接，如果服務器調用accept()時還沒有客戶端的連接請求，就阻塞等待直到有客戶端 連接上來。cliaddr是一個傳出參數，accept()返回時傳出客戶端的地址和端口號。addrlen參數是一個傳入傳出參數 （value-result argument），傳入的是調用者提供的緩沖區cliaddr的長度以避免緩沖區溢出問題，傳出的是客戶端地址結 構體的實際長度（有可能沒有占滿調用者提供的緩沖區）。如果給cliaddr參數傳NULL，表示不關心客戶端的地址。
在上面的程序中我們通過peeraddr打印連接上來的客戶端ip和端口號。
在while循環中從accept返回的文件描述符 conn讀取客戶端的請求，然後直接回射回去。
echocli.c 的作用是從標准輸入得到一行字符，然後發送給服務器後 從服務器接收，再打印在標准輸出。
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> File Name: echoser.c
> Author: Simba
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> Created Time: Fri 01 Mar 2013 06:15:27 PM CST
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#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>
#define ERR_EXIT(m) \
do { \
perror(m); \
exit(EXIT_FAILURE); \
} while (0)
int main(void)
{
int sock;
if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
// listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)
ERR_EXIT("socket error");
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(5188);
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
/* inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); */
if (connect(sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
ERR_EXIT("connect error");
char sendbuf[1024] = {0};
char recvbuf[1024] = {0};
while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)
{
write(sock, sendbuf, strlen(sendbuf));
read(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf));
fputs(recvbuf, stdout);
memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
}
close(sock);
return 0;
}
由於客戶端不需要固定的端口號，因此不必調用bind()，客戶端的端口號由內核自動分配。注意，客戶端不是不允許調 用bind()，只是沒有必要調用bind()固定一個端口號，服務器也不是必須調用bind()，但如果服務器不調用bind()，內核會 自動給服務器分配監聽端口，每次啟動服務器時端口號都不一樣，客戶端要連接服務器就會遇到麻煩。
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);
客戶端需要調用connect()連接服務器 ，connect和bind的參數形式一致，區別在於bind的參數是自己的地址，而connect的參數是對方的地址。connect()成功返 回0，出錯返回-1。
先編譯運行服務器:
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echoser
然後在另一個終端裡用netstat命令查看：
simba@ubuntu:~$ netstat -anp | grep 5188
(Not all processes could be identified, non-owned process info
will not be shown, you would have to be root to see it all.)
tcp 0 0 0.0.0.0:5188 0.0.0.0:* LISTEN 4425/echoser
可以看到server程序監聽5188端口，IP地址還沒確定下來。現在編譯運行客戶端：
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echocli
回到server所在的終端，看 看server的輸出：
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echoser
recv connect ip=127.0.0.1 port=59431
可見客戶端的端口號是自動分配的。
再次netstat 一下
simba@ubuntu:~$ netstat -anp | grep 5188
(Not all processes could be identified, non-owned process info
will not be shown, you would have to be root to see it all.)
tcp 0 0 0.0.0.0:5188 0.0.0.0:* LISTEN 4425/echoser
tcp 0 0 127.0.0.1:59431 127.0.0.1:5188 ESTABLISHED 4852/echocli
tcp 0 0 127.0.0.1:5188 127.0.0.1:59431 ESTABLISHED 4425/echoser
應用程序中的一個socket文件描述符對應一個socket pair，也就是源地址:源端口號和目的地 址:目的端口號，也對應一個TCP連接。
上面第一行即echoser.c 中的listenfd；第二行即echocli 中的conn; 第三 行即echoser.c 中的sock。4425和4852分別是進程id。
現在來做個測試，先把40～42行的代碼注釋起來。
首 先啟動server，然後啟動client，然後用Ctrl-C使server終止，這時馬上再運行server，結果是：
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echoser
bind error: Address already in use
這是因為，雖然server的應用程序終止了，但TCP協議層的連接並沒有完全斷開，因此不能再次監聽同樣的 server端口。我們用netstat命令查看一下：
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ netstat -anp | grep 5188
(Not all processes could be identified, non-owned process info
will not be shown, you would have to be root to see it all.)
tcp 0 0 127.0.0.1:5188 127.0.0.1:37381 FIN_WAIT2 -
tcp 1 0 127.0.0.1:37381 127.0.0.1:5188 CLOSE_WAIT 2302/echocli
server終止時，socket描述符會自動關閉並發FIN段給client，client收到 FIN後處於CLOSE_WAIT狀態，但是client並沒有終止，也沒有關閉socket描述符，因此不會發FIN給server，因此server的 TCP連接處於FIN_WAIT2狀態。
現在用Ctrl-C把client也終止掉，再觀察現象：
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ netstat -anp | grep 5188
(No info could be read for "-p": geteuid()=1000 but you should be root.)
tcp 0 0 127.0.0.1:5188 127.0.0.1:37382 TIME_WAIT -
simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./echoser
bind error: Address already in use
client終止時自動關閉socket描述符，server的TCP連接收到client發的FIN段後處於TIME_WAIT狀態。TCP協議規 定，主動關閉連接的一方要處於TIME_WAIT狀態，等待兩個MSL（maximumsegment lifetime）的時間後才能回到CLOSED狀態 ，需要有MSL 時間的主要原因是在這段時間內如果最後一個ack段沒有發送給對方，則可以重新發送。因為我們先Ctrl-C終 止了server，所以server是主動關閉連接的一方，在TIME_WAIT期間仍然不能再次監聽同樣的server端口。MSL在RFC1122中 規定為兩分鐘，但是各操作系統的實現不同，在Linux上一般經過半分鐘後就可以再次啟動server了。至於為什麼要規定 TIME_WAIT的時間請大家參考UNP 2.7節。
在server的TCP連接沒有完全斷開之前不允許重新監聽是不合理的，因為， TCP連接沒有完全斷開指的是connfd（127.0.0.1:8000）沒有完全斷開，而我們重新監聽的是listenfd（0.0.0.0:8000）， 雖然是占用同一個端口，但IP地址不同，connfd對應的是與某個客戶端通訊的一個具體的IP地址，而listenfd對應的是 wildcard address。解決這個問題的方法是使用setsockopt()設置socket描述符的選項SO_REUSEADDR為1，表示允許創建端 口號相同但IP地址不同的多個socket描述符。將原來注釋的40～42行代碼打開，問題解決。