什么是Socket

　　Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，Socket接口定義了許多函數(shù)或例程，程序員可以用它們來開發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序。要學(xué)Internet上的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程，必須理解Socket接口。

　　Socket接口設(shè)計(jì)者最先是將接口放在Unix操作系統(tǒng)里面的。如果了解Unix系統(tǒng)的輸入和輸出的話，就很容易了解Socket了。網(wǎng)絡(luò)的Socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O，Socket也是一種文件描述符。Socket也具有一個類似于打開文件的函數(shù)調(diào)用Socket()，該函數(shù)返回一個整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^該Socket實(shí)現(xiàn)的。常用的Socket類型有兩種：流式Socket（SOCK_STREAM）和數(shù)據(jù)報式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一種面向連接的Socket，針對于面向連接的TCP服務(wù)應(yīng)用；數(shù)據(jù)報式Socket是一種無連接的Socket，對應(yīng)于無連接的UDP服務(wù)應(yīng)用。

　　Socket建立

　　為了建立Socket，程序可以調(diào)用socket函數(shù)，該函數(shù)返回一個類似于文件描述符的句柄。socket函數(shù)原型為：

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

　　domain指明所使用的協(xié)議族，通常為AF_INET，表示互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族（TCP/IP協(xié)議族）；type參數(shù)指定socket的類型：SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM，Socket接口還定義了原始Socket（SOCK_RAW），允許程序使用低層協(xié)議；protocol通常賦值"0"（表示根據(jù)type來自動選擇協(xié)議）。socket()調(diào)用返回一個整型socket描述符，你可以在后面的調(diào)用使用它。

　　Socket描述符是一個指向內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針，它指向描述符表入口。調(diào)用Socket函數(shù)時，socket執(zhí)行體將建立一個Socket，實(shí)際上"建立一個Socket"意味著為一個Socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配存儲空間。Socket執(zhí)行體為你管理描述符表。

　　兩個網(wǎng)絡(luò)程序之間的一個網(wǎng)絡(luò)連接包括五種信息：通信協(xié)議、本地協(xié)議地址、本地主機(jī)端口、遠(yuǎn)端主機(jī)地址和遠(yuǎn)端協(xié)議端口。Socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含這五種信息。

　　Socket配置

　　通過socket函數(shù)調(diào)用返回一個socket描述符后，在使用socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸以前，必須配置該socket。面向連接的socket客戶端通過調(diào)用connect函數(shù)在socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中保存本地和遠(yuǎn)端信息。無連接socket的客戶端和服務(wù)端以及面向連接socket的服務(wù)端通過調(diào)用bind函數(shù)來配置本地信息。
bind函數(shù)將socket與本機(jī)上的一個端口相關(guān)聯(lián)，隨后你就可以在該端口監(jiān)聽服務(wù)請求。bind函數(shù)原型為：

　　這個結(jié)構(gòu)更方便使用。sin_zero用來將sockaddr_in結(jié)構(gòu)填充到與struct sockaddr同樣的長度，可以用bzero()或memset()函數(shù)將其置為零。指向sockaddr_in 的指針和指向sockaddr的指針可以相互轉(zhuǎn)換，這意味著如果一個函數(shù)所需參數(shù)類型是sockaddr時，你可以在函數(shù)調(diào)用的時候?qū)⒁粋€指向sockaddr_in的指針轉(zhuǎn)換為指向sockaddr的指針；或者相反。

　　使用bind函數(shù)時，可以用下面的賦值實(shí)現(xiàn)自動獲得本機(jī)IP地址和隨機(jī)獲取一個沒有被占用的端口號：

　　my_addr.sin_port = 0; /* 系統(tǒng)隨機(jī)選擇一個未被使用的端口號 */
　　my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; /* 填入本機(jī)IP地址 */
通過將my_addr.sin_port置為0，函數(shù)會自動為你選擇一個未占用的端口來使用。同樣，通過將my_addr.sin_addr.s_addr置為INADDR_ANY，系統(tǒng)會自動填入本機(jī)IP地址。

　　注意在使用bind函數(shù)是需要將sin_port和sin_addr轉(zhuǎn)換成為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)優(yōu)先順序；而sin_family則不需要轉(zhuǎn)換。

　　計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲有兩種字節(jié)優(yōu)先順序：高位字節(jié)優(yōu)先和低位字節(jié)優(yōu)先。Internet上數(shù)據(jù)以高位字節(jié)優(yōu)先順序在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，所以對于在內(nèi)部是以低位字節(jié)優(yōu)先方式存儲數(shù)據(jù)的機(jī)器，在Internet上傳輸數(shù)據(jù)時就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，否則就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致。

　　下面是幾個字節(jié)順序轉(zhuǎn)換函數(shù)：

　　bind()函數(shù)在成功被調(diào)用時返回0；出現(xiàn)錯誤時返回"-1"并將errno置為相應(yīng)的錯誤號。需要注意的是，在調(diào)用bind函數(shù)時一般不要將端口號置為小于1024的值，因?yàn)?span>1到1024是保留端口號，你可以選擇大于1024中的任何一個沒有被占用的端口號。

連接建立

面向連接的客戶程序使用connect函數(shù)來配置socket并與遠(yuǎn)端服務(wù)器建立一個TCP連接，其函數(shù)原型為：

int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);
sockfd是socket函數(shù)返回的socket描述符；serv_addr是包含遠(yuǎn)端主機(jī)IP地址和端口的指針；addrlen是遠(yuǎn)端地址結(jié)構(gòu)的長度(sizeof(struct sockaddr))。connect函數(shù)在出現(xiàn)錯誤時返回-1，并且設(shè)置errno為相應(yīng)的錯誤碼。進(jìn)行客戶端程序設(shè)計(jì)無須調(diào)用bind()，因?yàn)檫@種情況下只需知道目的機(jī)器的IP地址，而客戶通過哪個端口與服務(wù)器建立連接并不需要關(guān)心，socket執(zhí)行體為你的程序自動選擇一個未被占用的端口，并通知你的程序數(shù)據(jù)什么時候到打斷口。

　　connect函數(shù)啟動和遠(yuǎn)端主機(jī)的直接連接。只有面向連接的客戶程序使用socket時才需要將此socket與遠(yuǎn)端主機(jī)相連。無連接協(xié)議從不建立直接連接。面向連接的服務(wù)器也從不啟動一個連接，它只是被動的在協(xié)議端口監(jiān)聽客戶的請求。

　　listen函數(shù)使socket處于被動的監(jiān)聽模式，并為該socket建立一個輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列，將到達(dá)的服務(wù)請求保存在此隊(duì)列中，直到程序處理它們。

　　int listen(int sockfd， int backlog);

　　sockfd是Socket系統(tǒng)調(diào)用返回的socket 描述符；backlog指定在請求隊(duì)列中允許的最大請求數(shù)，進(jìn)入的連接請求將在隊(duì)列中等待accept()它們（參考下文）。backlog對隊(duì)列中等待服務(wù)的請求的數(shù)目進(jìn)行了限制，大多數(shù)系統(tǒng)缺省值為20。如果一個服務(wù)請求到來時，輸入隊(duì)列已滿，該socket將拒絕連接請求，客戶將收到一個出錯信息。

　　當(dāng)出現(xiàn)錯誤時listen函數(shù)返回-1，并置相應(yīng)的errno錯誤碼。

　　accept()函數(shù)讓服務(wù)器接收客戶的連接請求。在建立好輸入隊(duì)列后，服務(wù)器就調(diào)用accept函數(shù)，然后睡眠并等待客戶的連接請求。

　　int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);

　　sockfd是被監(jiān)聽的socket描述符，addr通常是一個指向sockaddr_in變量的指針，該變量用來存放提出連接請求服務(wù)的主機(jī)的信息（某臺主機(jī)從某個端口發(fā)出該請求）；addrlen通常為一個指向值為sizeof(struct sockaddr_in)的整型指針變量。出現(xiàn)錯誤時accept函數(shù)返回-1并置相應(yīng)的errno值。

　　首先，當(dāng)accept函數(shù)監(jiān)視的socket收到連接請求時，socket執(zhí)行體將建立一個新的socket，執(zhí)行體將這個新socket和請求連接進(jìn)程的地址聯(lián)系起來，收到服務(wù)請求的初始socket仍可以繼續(xù)在以前的 socket上監(jiān)聽，同時可以在新的socket描述符上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作。

　　數(shù)據(jù)傳輸

　　send()和recv()這兩個函數(shù)用于面向連接的socket上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　send()函數(shù)原型為：

　　int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);
sockfd是你想用來傳輸數(shù)據(jù)的socket描述符；msg是一個指向要發(fā)送數(shù)據(jù)的指針；len是以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)的長度；flags一般情況下置為0（關(guān)于該參數(shù)的用法可參照man手冊）。

　　send()函數(shù)返回實(shí)際上發(fā)送出的字節(jié)數(shù)，可能會少于你希望發(fā)送的數(shù)據(jù)。在程序中應(yīng)該將send()的返回值與欲發(fā)送的字節(jié)數(shù)進(jìn)行比較。當(dāng)send()返回值與len不匹配時，應(yīng)該對這種情況進(jìn)行處理。
char *msg = "Hello!";
int len, bytes_sent;
……
len = strlen(msg);
bytes_sent = send(sockfd, msg,len,0);
……
　　recv()函數(shù)原型為：

　　int recv(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags);

　　sockfd是接受數(shù)據(jù)的socket描述符；buf 是存放接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；len是緩沖的長度。Flags也被置為0。recv()返回實(shí)際上接收的字節(jié)數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)錯誤時，返回-1并置相應(yīng)的errno值。

　　sendto()和recvfrom()用于在無連接的數(shù)據(jù)報socket方式下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于本地socket并沒有與遠(yuǎn)端機(jī)器建立連接，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)時應(yīng)指明目的地址。
　　sendto()函數(shù)原型為：
　　int sendto(int sockfd, const void *msg,int len,unsigned int flags,const struct sockaddr *to, int tolen);

　　該函數(shù)比send()函數(shù)多了兩個參數(shù)，to表示目地機(jī)的IP地址和端口號信息，而tolen常常被賦值為sizeof (struct sockaddr)。sendto 函數(shù)也返回實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)長度或在出現(xiàn)發(fā)送錯誤時返回-1。

　　recvfrom()函數(shù)原型為：

　　int recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);

　　from是一個struct sockaddr類型的變量，該變量保存源機(jī)的IP地址及端口號。fromlen常置為sizeof (struct sockaddr)。當(dāng)recvfrom()返回時，fromlen包含實(shí)際存入from中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。recvfrom()函數(shù)返回接收到的字節(jié)數(shù)或當(dāng)出現(xiàn)錯誤時返回-1，并置相應(yīng)的errno。

　　如果你對數(shù)據(jù)報socket調(diào)用了connect()函數(shù)時，你也可以利用send()和recv()進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但該socket仍然是數(shù)據(jù)報socket，并且利用傳輸層的UDP服務(wù)。但在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)報時，內(nèi)核會自動為之加上目地和源地址信息。

　　結(jié)束傳輸

　　當(dāng)所有的數(shù)據(jù)操作結(jié)束以后，你可以調(diào)用close()函數(shù)來釋放該socket，從而停止在該socket上的任何數(shù)據(jù)操作：

　　close(sockfd);

　　你也可以調(diào)用shutdown()函數(shù)來關(guān)閉該socket。該函數(shù)允許你只停止在某個方向上的數(shù)據(jù)傳輸，而一個方向上的數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進(jìn)行。如你可以關(guān)閉某socket的寫操作而允許繼續(xù)在該socket上接受數(shù)據(jù)，直至讀入所有數(shù)據(jù)。

　　int shutdown(int sockfd,int how);

　　sockfd是需要關(guān)閉的socket的描述符。參數(shù) how允許為shutdown操作選擇以下幾種方式：
·0-------不允許繼續(xù)接收數(shù)據(jù)
·1-------不允許繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)
·2-------不允許繼續(xù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，
·均為不允許則調(diào)用close()

　　shutdown在操作成功時返回0，在出現(xiàn)錯誤時返回-1并置相應(yīng)errno。

面向連接的Socket實(shí)例

　　代碼實(shí)例中的服務(wù)器通過socket連接向客戶端發(fā)送字符串"Hello, you are connected!"。只要在服務(wù)器上運(yùn)行該服務(wù)器軟件，在客戶端運(yùn)行客戶軟件，客戶端就會收到該字符串。

　　該服務(wù)器軟件代碼如下：

　　服務(wù)器的工作流程是這樣的：首先調(diào)用socket函數(shù)創(chuàng)建一個Socket，然后調(diào)用bind函數(shù)將其與本機(jī)地址以及一個本地端口號綁定，然后調(diào)用listen在相應(yīng)的socket上監(jiān)聽，當(dāng)accpet接收到一個連接服務(wù)請求時，將生成一個新的socket。服務(wù)器顯示該客戶機(jī)的IP地址，并通過新的socket向客戶端發(fā)送字符串"Hello，you are connected!"。最后關(guān)閉該socket。

　　代碼實(shí)例中的fork()函數(shù)生成一個子進(jìn)程來處理數(shù)據(jù)傳輸部分，fork()語句對于子進(jìn)程返回的值為0。所以包含fork函數(shù)的if語句是子進(jìn)程代碼部分，它與if語句后面的父進(jìn)程代碼部分是并發(fā)執(zhí)行的。

　　客戶端程序代碼如下：

客戶端程序首先通過服務(wù)器域名獲得服務(wù)器的IP地址，然后創(chuàng)建一個socket，調(diào)用connect函數(shù)與服務(wù)器建立連接，連接成功之后接收從服務(wù)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉socket。

　　函數(shù)gethostbyname()是完成域名轉(zhuǎn)換的。由于IP地址難以記憶和讀寫，所以為了方便，人們常常用域名來表示主機(jī)，這就需要進(jìn)行域名和IP地址的轉(zhuǎn)換。函數(shù)原型為：

　　當(dāng) gethostname()調(diào)用成功時，返回指向struct hosten的指針，當(dāng)調(diào)用失敗時返回-1。當(dāng)調(diào)用gethostbyname時，你不能使用perror()函數(shù)來輸出錯誤信息，而應(yīng)該使用herror()函數(shù)來輸出。

　　無連接的客戶/服務(wù)器程序的在原理上和連接的客戶/服務(wù)器是一樣的，兩者的區(qū)別在于無連接的客戶/服務(wù)器中的客戶一般不需要建立連接，而且在發(fā)送接收數(shù)據(jù)時，需要指定遠(yuǎn)端機(jī)的地址。

　　阻塞和非阻塞

　　阻塞函數(shù)在完成其指定的任務(wù)以前不允許程序調(diào)用另一個函數(shù)。例如，程序執(zhí)行一個讀數(shù)據(jù)的函數(shù)調(diào)用時，在此函數(shù)完成讀操作以前將不會執(zhí)行下一程序語句。當(dāng)服務(wù)器運(yùn)行到accept語句時，而沒有客戶連接服務(wù)請求到來，服務(wù)器就會停止在accept語句上等待連接服務(wù)請求的到來。這種情況稱為阻塞（blocking）。而非阻塞操作則可以立即完成。比如，如果你希望服務(wù)器僅僅注意檢查是否有客戶在等待連接，有就接受連接，否則就繼續(xù)做其他事情，則可以通過將Socket設(shè)置為非阻塞方式來實(shí)現(xiàn)。非阻塞socket在沒有客戶在等待時就使accept調(diào)用立即返回。
　　#include
　　#include
　　……
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
fcntl(sockfd,F_SETFL,O_NONBLOCK)；
……

　　通過設(shè)置socket為非阻塞方式，可以實(shí)現(xiàn)"輪詢"若干Socket。當(dāng)企圖從一個沒有數(shù)據(jù)等待處理的非阻塞Socket讀入數(shù)據(jù)時，函數(shù)將立即返回，返回值為-1，并置errno值為EWOULDBLOCK。但是這種"輪詢"會使CPU處于忙等待方式，從而降低性能，浪費(fèi)系統(tǒng)資源。而調(diào)用select()會有效地解決這個問題，它允許你把進(jìn)程本身掛起來，而同時使系統(tǒng)內(nèi)核監(jiān)聽所要求的一組文件描述符的任何活動，只要確認(rèn)在任何被監(jiān)控的文件描述符上出現(xiàn)活動，select()調(diào)用將返回指示該文件描述符已準(zhǔn)備好的信息，從而實(shí)現(xiàn)了為進(jìn)程選出隨機(jī)的變化，而不必由進(jìn)程本身對輸入進(jìn)行測試而浪費(fèi)CPU開銷。select函數(shù)原型為:
int select(int numfds,fd_set *readfds,fd_set *writefds，
fd_set *exceptfds,struct timeval *timeout);

　　其中readfds、writefds、exceptfds分別是被select()監(jiān)視的讀、寫和異常處理的文件描述符集合。如果你希望確定是否可以從標(biāo)準(zhǔn)輸入和某個socket描述符讀取數(shù)據(jù)，你只需要將標(biāo)準(zhǔn)輸入的文件描述符0和相應(yīng)的sockdtfd加入到readfds集合中；numfds的值是需要檢查的號碼最高的文件描述符加1，這個例子中numfds的值應(yīng)為sockfd+1；當(dāng)select返回時，readfds將被修改，指示某個文件描述符已經(jīng)準(zhǔn)備被讀取，你可以通過FD_ISSSET()來測試。為了實(shí)現(xiàn)fd_set中對應(yīng)的文件描述符的設(shè)置、復(fù)位和測試，它提供了一組宏：
　　FD_ZERO(fd_set *set)----清除一個文件描述符集；
　　FD_SET(int fd,fd_set *set)----將一個文件描述符加入文件描述符集中；
　　FD_CLR(int fd,fd_set *set)----將一個文件描述符從文件描述符集中清除；
　　FD_ISSET(int fd,fd_set *set)----試判斷是否文件描述符被置位。
　　Timeout參數(shù)是一個指向struct timeval類型的指針，它可以使select()在等待timeout長時間后沒有文件描述符準(zhǔn)備好即返回。struct timeval數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：
　　struct timeval {
　　 int tv_sec; /* seconds */
　　 int tv_usec; /* microseconds */ };

　　POP3客戶端實(shí)例

　　下面的代碼實(shí)例基于POP3的客戶協(xié)議，與郵件服務(wù)器連接并取回指定用戶帳號的郵件。與郵件服務(wù)器交互的命令存儲在字符串?dāng)?shù)組POPMessage中，程序通過一個do-while循環(huán)依次發(fā)送這些命令。