Unix网络编程之socket异步编程

ioctl

我们常用ioctlsocket的FIONBIO模式对socket进行设置是否启用异步。

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int ioctlsocket(int sockfd, long cmd, unsigned long* args);

ioctlsocket函数的作用是获取与套接字sockfd相关的操作参数，可用于任何状态的任一套接字，与具体的协议无关.

参数说明

• sockfd : 待操作的socket描述符
• cmd : 对sockfd的做操类型,包括以下几种
  • FIONBIO : 允许或者禁止套接字sockfd的费阻塞模式，若args为1，则是允许非阻塞模式；若args为0，禁止非阻塞模式。
  • FIONREAD : 确定套接字sockfd自动读入设为数量，arg存储ioctlsocket的返回值.若sockfd是SOCKET_STREAM类型，则FIONREAD返回一次recv所接受的所有的数据量，这通常与套接字中排队的数据总量相同。如果sockfd是SOC_DGRAM类型,则FIONREAD返回套接字上排队的第一个数据报的大小。
  • SIOCATMARK : 确定是否所有的带外数据都已经被读入，这个类型只适用于SOCK_STREAM套接字接口。
• args :　指示参数

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Unix网络编程之读写相关函数

socket编程中常用的输入输出函数(读写函数)总共有五对,它们都是默认阻塞的，这就意味着当发出一个不能立即完成的套接字调用的时候，其进程将被投入睡眠，等待相应的进程操作完成，函数才返回继续往下执行。常用的函数如下：

• read, write
• readv, writev
• recv, send
• recvfrom, sendto
• recvmsg, sendmsg

read/write函数

read和write函数的详细用法已经在Unix文件IO中已经讲解，在socket编程中的使用方法与文件IO使用方法相同。

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Unix网络编程之基础函数(一)

TCP客户端与服务器之间交互过程在程序实现上的体现如下图所示,注意思考这个过程中TCP状态的变化(参考TCP状态转换图)：

服务器首先调用socket函数创建socket，通过bind函数将socket与主机地址及端口绑定，然后调用listen函数对主机端口进行监听，然后调用accept函数接收客户端发来的请求，若没有客户端请求，服务端将阻塞在此。客户端建立socket，然后调用connect函数与服务器三次握手建立连接，发送请求给服务器，服务器接收到请求之后对其进行处理并将处理结果返回给客户端，这个过程一直持续下去，一直到客户端与服务器断开连接，服务器接下来将关闭连接或继续等待下一个客户端的连接。

socket函数

为了执行网络IO,无论是客户端还是服务器，一个进程首先要做的事情就是调用socket函数创建一个socket，并指定socket的协议族，类型以及协议。

函数原型

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#include <sys/socket.h>
int socket(int family, int type, int protocol);

参数说明

• family : 协议族，对应于sockaddr_in中的sin_family，IPv4协议时值为AF_INET.
• type : 套接字类型，套接字类型有多种，TCP一般使用SOCK_STREAM,UDP使用SOCK_DGRAM
  • SOCK_STREAM : 字节流套接字，是一种有序可靠双向的面向连接字节流的套接字
  • SOCK_DGRAM : 数据报套接字,是一种长度固定,无连接的不可靠的套接字。
  • SOCK_SEQPACKET : 有序分组套接字，是一种长度固定，有序，可靠的面向连接的有序分组套接字。
  • SOCK_RAW : 原始套接字
• protocal : 链接层传输协议，包括TCP,UDP,SCTP传输协议
  • IPPROTO_TCP : TCP传输协议
  • IPPROTO_UDP : UDP传输协议
  • IPPROTO_SCTP : SCTP传输协议

一般情况下，我们在使用socket函数的时候，可以只指定前两个参数，将第三个参数设为0，这个时候socket会将protocol设置为默认值，如当family=AF_INET,type=SOCK_STREAM时，这个时候默认的协议为IPv4 TCP协议。但是，注意有些组合是不可用的，组合如下：

返回值说明

socket函数与open函数类似，若成功，返回一个较小的非负整数,称为套接字描述符，若失败返回-1;

connect函数

TCP客户端通过connect函数来与服务器建立连接,注意客户在调用connect函数之前不必调用bind函数将sockfd与本机的IP端口绑定，因为如果需要的话，内核会确定源IP地址，并选择一个可用的临时端口作为端口号。

客户端调用connect函数的时候会激发三次握手连接建立。而且只在连接建立成功或失败时返回，否则会一直阻塞在connect函数处。

connect函数出错的情况包括以下几种：

• 若TCP在调用connect之后没有接收到syn分节，则返回ETIMEOUT错误。这种情况通常发生在目的主机不存在情况下。这时客户端会隔一段时间发送一次请求，若等待时间超过一定时间(这个过程客户端被阻塞)，返回ETIMEOUT错误。
• 若T客户端收到RST分节(复位)，则返回ECONNREFUSED错误，这种情况发生在目的主机存在，但是主机上没有进程监听指定端口。
• 若客户端发送的分节在某个路由器上返回destination unreachable，此时返回EHOSTUNREACH，这种情况发生在目的主机和端口存在，但是中间路由出现问题。

从TCP状态图可以看出，connect函数可以使得socket状态从closed转移到SYN_SENT状态,若成功，转换到ESTABLISHED状态。若套接字失败不可用，必须关闭。然后重新调用socket函数。

函数原型

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int connect(int sockfd, const struct sockaddr* servaddr, socklen_t addrlen);

参数说明

• sockfd : 此参数为调用sock函数的返回值，即套接字描述符
• servaddr : 指向服务器套接字地址结构的指针,套接字地址结构中必须含有Ip地址以及端口。
• addrlen : 上述套接字的长度。

返回值说明

连接失败，返回-1，并将错误码写入errno中;
若连接成功，则返回0.

bind函数

在建立socket之后，我们通常会将socket与一个套接字绑定，即将一个协议地址赋予给socket，bind函数的作用就是将socket与socket地址绑定。socket协议地址是32位的IPv4地址或128位的IPv6和16位的TCP或UDP端口的组合。

一般情况下，客户端一般不调用bind函数进行绑定socket地址(可调用),当其调用connect函数的时候，内核会获取主机的IP作为源IP，并选择一个可用的端口作为源端口，当然，客户端可以调用bind为socket指定源端口和IP；服务端一般要调用bind端口，为socket指定监听的端口和IP，因为一般情况下服务器是对外提供服务的，如http的80端口,https的443端口等等。

注意：socket绑定的端口必须是进程所在主机上的网络接口之一，不能是其他主机的IP，否则会出现“Cannot assign requested address”,也不能绑定已经在使用的端口。

函数原型

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#include <sys/socket.h>
//函数参数与connect函数中的参数及意义相同。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* servaddr, socklen_t addrlen);

bind函数可以只绑定IP，只绑定端口，也可以两者都绑定，也可以两者都不绑定，具体的制定规则如下：

一般情况下，INADDR_ANY的值为0,将其转化为s_addr的时候使用htonl函数(将主机字节序转化为网络字节序)，若是IPv6则不能使用htonl，因为IPv6的地址是一个128位的地址。需要使用另一种方式，具体参考《Unix网络编程卷一第三版》83页。

若设置为内核选定端口，则必须调用getsockname函数获取系统选定的端口。
从bind函数返回的一个常见的错误是:EADDRINUSE : address already in use;

listen函数

函数原型

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#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

listen函数仅由TCP服务器调用,一般在调用socket和bind函数之后调用 .当进程调用socket函数创建套接字之后，这个套接字被默认假设为主动套接字，(主动套接字的意思是将会调用connect去和TCP服务器建立连接)。listen函数主要有以下两个作用：

• 将一个未连接的套接字转化为主动套接字，指示内核应该接收指向该套接字的连接请求。调用listen成功之后TCP从CLOSED状态转变为LISTEN状态。
• 指定内核应该为相应套接字排队的最大连接数。即backlog指定，下面两个队列的和不能超过backlog.若查过backlog还有连接请求，服务器将直接发送RST复位拒绝连接。一般不要吧backlog值设为0，因为不同系统实现对0的解释不同;一般讲backlog的值设为5,因为这是4.2BSD支持的最大值。

内核为任何一个给定的监听套接字维护两个队列:

• 未完成连接队列 ：当服务器收到客户端发来的请求之后，数据还没有处理完，此时会进入SYN_RECV状态，这个时候将进入未完成连接队列，也叫SYN队列
• 已完成连接队列:服务器与客户端之间建立连接之后，进入ESTABLISHED状态，此时进入已完成连接队列，也叫accept队列。

accept函数

accept函数的作用是从已经完成连接的队列头返回下一个已经完成的连接，如果已完成的连接为空，则进程进入睡眠状态(阻塞)。

函数原型

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#include <sys/socket.h>
int accept(int servsockfd, struct sockaddr* cliaddr, socklen_t* addr_len);

参数说明

• servsockfd : 监听的套接字描述符
• cliaddr : 客户端的sockaddr，如果对客户端的来源不感兴趣，可以将其设置为NULL;
• addr_len : aliaddr的字节数。即客户端sockaddr的地址长度。

返回值说明

若出错返回-1;如果accept成功，返回一个新的socket描述符。其代表与所返回的客户端之间的TCP连接，它是一个连接套接字,之后服务端接收和发送数据都将使用这个描述符进行操作.

Invalid argument常见原因

在accept的时候,我们常会遇到Invalid argument的错误，出现这个错误的原因有很多，主要是在accept之前的准备工作出了问题。

• socket创建不成功，在socket函数后检查一下errno值
• 绑定socket地址不成功，检查一下返回值，同时检查一下errno
• 没有listen，或者listen出问题。

以上三步有一步出问题或者漏掉一步都有可能出现Invalid　argument错误。

close函数

我们知道，关闭文件描述符我可使用close函数，同样的close函数也能用来关闭socket文件描述符。

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#include <unistd.h>
int close(int sockfd);

通常情况下,close一个TCP套接字只是将该socket描述符标记为不可用，这个时候其将不能作为read和write的第一个参数进行数据的发送和接收,然而TCP尝试发送已经排队等待的所有需要发送到对端的数据，发送完毕之后将执行正常的TCP连接终止流程关闭TCP连接.

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Unix网络编程基础之套接字结构

大多数的套接字函数都使用到了套接字地址，它们以套接字地址的指针作为参数。每个协议族都定义了自己的套接字地址结构，这些套接字地址结构均以sockaddr_开头，以协议族唯一的后缀结尾。

IPv4套接字地址结构

IPv4的套接字以sockaddr_in命名，其具体定义如下：

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#include <netinet/in.h>
struct in_addr {
  in_addr_t s_addr;
};
struct sockaddr_in {
  uint8 sin_len;            //套接字的长度,sizeof(struct　sockaddr_in)
  sa_family_t sin_family;   //协议族
  in_port_t sin_port;       //套接字端口
  struct in_addr sin_addr;  //套接字地址
  char sin_zero[8];         //保留位
}

• sin_len : 套接字的长度字段，类型为uint8_t,sizeof(struct sockaddr_in),不是所有的系统都支持。长度字段简化了可变长度的套接字的处理。在使用过程中无需设置和检查它，除非涉及路由套接字。
• sin_family : 协议族，IPv4的协议族为AF_INET.类型为无符号整形，其长度受系统的影响。若sockaddr_in中含有sin_len字段，其大小为16位，若含有长度字段，其大小为8位。
• sin_port : 套接字端口, 一般为uint16_t类型。
• sin_addr : 套接字Ip，其类型为in_addr，in_addr中的s_addr类型为uint32_t.
• sin_zero : 不常用，若需要在套接字中加入额外字段，使用到此字段，若不使用将其置为0，一般使用sockaddr_in首先将整个结构置0。

注意：套接字地址结构仅在本机上使用，虽然结构中的某些字段用在不同主机之间的通信，但是结构体本身不在主机之间传递。

协议族参数说明

网络通信过程中有不同的协议族，通常我们在socket地址的sin_family中指出当前通信使用的协议族，不同协议族对应不同的参数，其对应参数如下所示：

通用套接字地址结构

套接字函数以套接字地址结构指针作为参数的过程中，由于在C中没有继承的机制，这个时候向套接字函数传递参数的时候，由于不同协议的套接字地址不同，会出现问题。这个时候有一种解决办法就是传递void*指针给socket函数，但是void空指针的出现在socket函数之后，所以这个方案不可行。这个时候的解决方案是　定义一个通用的套接字函数，socket函数的参数为通用套接字地址的指针，传递参数的时候我们将特定的套接字指针强制转换为通用套接字地址指针。　如bind函数的函数原型为:

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int bind(int, struct sockaddr*, socklen_t);

通用套接字地址的定义如下：

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struct sockaddr {
  uint8_t sa_len;
  sa_family_t sa_family;
  char sa_data[14];
};

Ubuntu16.04中sockaddr_in的定义

Ubuntu16.04中sockaddr_in的定义在/usr/include/netinet/in.h，注意其不支持sin_len字段，为了保持与通用套接字字符串兼容，其保留字符串的长度直接用通用套接字的大小减去其他字段。

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struct sockaddr_in
  {
    __SOCKADDR_COMMON (sin_);
    in_port_t sin_port;                 // Port number.  
    struct in_addr sin_addr;            // Internet address.  
    //Pad to size of struct sockaddr
    unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
                          __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
                           sizeof (in_port_t) -
                           sizeof (struct in_addr)];
  };

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