socket通讯原理及例程（⼀看就懂）
⾥⾯有疑问或者不正确的地⽅可以给我留⾔
对TCP/IP、、Socket编程这些词你不会很陌⽣吧？随着⽹络技术的发展，这些词充斥着我们的⽿朵。那么我想问：
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。
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。
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。
原来Socket在这⾥。
Socket是什么呢？
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。
你会使⽤它们吗？
前⼈已经给我们做了好多的事了，⽹络间的通信也就简单了许多，但毕竟还是有挺多⼯作要做的。以前听到Socket编程，觉得它是⽐较⾼深的编程知识，但是只要弄清Socket编程的⼯作原理，神秘的⾯纱也就揭开了。
⼀个⽣活中的场景。你要打电话给⼀个朋友，先拨号，朋友听到电话铃声后提起电话，这时你和你的朋友就建⽴起了连接，就可以讲话了。等交流结束，挂断电话结束此次交谈。 ⽣活中的场景就解释了这⼯作原理，也许TCP/IP协议族就是诞⽣于⽣活中，这也不⼀定。
先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端⼝绑定(bind)，对端⼝进⾏监听(listen)，调⽤accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化⼀个Socket，然后连接服务器(connect)，
如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建⽴了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，⼀次交互结束。
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我们深谙信息交流的价值，那⽹络中进程之间如何通信，如我们每天打开浏览器浏览⽹页 时，浏览器的进程怎么与web服务器通信的？当你⽤QQ聊天时，QQ进程怎么与服务器或你好友所在的QQ进程通信？这些都得靠socket？那什么是 socket？socket的类型有哪些？还有socket的基本函数，这些都是本⽂想介绍的。本⽂的主要内容如下：
1、⽹络中进程之间如何通信？
2、Socket是什么？
3、socket的基本操作
3.1、socket()函数
3.2、bind()函数
进程通信方式
3.3、listen()、connect()函数
3.4、accept()函数
3.5、read()、write()函数等
3.6、close()函数
4、socket中TCP的三次握⼿建⽴连接详解
5、socket中TCP的四次握⼿释放连接详解
6、⼀个例⼦
1、⽹络中进程之间如何通信？
本地的进程间通信（IPC）有很多种⽅式，但可以总结为下⾯4类：
消息传递（管道、FIFO、消息队列）
同步（互斥量、条件变量、读写锁、⽂件和写记录锁、信号量）
共享内存（匿名的和具名的）
远程过程调⽤（Solaris门和Sun RPC）
但这些都不是本⽂的主题！我们要讨论的是⽹络中进程之间如何通信？⾸要解决的问题是如何唯⼀标识⼀个进程，否则通信⽆从谈起！在本地可以通过进程PID来唯⼀标识⼀个进程，但是在⽹络中这是⾏不通的。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”。
2、什么是Socket？
上⾯我们已经知道⽹络中的进程是通过socket来通信的，那什么是socket呢？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。我的理解就是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），这些函数我们在后⾯进⾏介绍。
socket⼀词的起源
在组⽹领域的⾸次使⽤是在1970年2⽉12⽇发布的⽂献IETF RFC33中发现的，撰写者为Stephen Carr、Steve Crocker和Vint Cerf。根据美国计算机历史博物馆的记载，Croker写道：“命名空间的元素都可称为套接字接⼝。⼀个套接字接⼝构成⼀个连接的⼀端，⽽⼀个连接可完全由⼀对套接字接⼝规定。”计算机历史博物馆补充道：“这⽐BSD的套接字接⼝定义早了⼤约12年。”
3、socket的基本操作
既然socket是“open—write/read—close”模式的⼀种实现，那么socket就提供了这些操作对应的函数接⼝。下⾯以TCP为例，介绍⼏个基本的socket接⼝函数。
3.1、socket()函数
int socket(int domain, int type, int protocol);
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。
正如可以给fopen的传⼊不同参数值，以打开不同的⽂件。创建socket的时候，也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：
domain：即协议域，⼜称为协议族（family）。常⽤的协议族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。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。
type：指定socket类型。常⽤的socket类型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、
SOCK_SEQPACKET等等（socket的类型有哪些？）。
protocol：故名思意，就是指定协议。常⽤的协议有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它们分别对应TCP传输协议、UDP传输协议、STCP传输协议、TIPC传输协议（这个协议我将会单独开篇讨论！）。
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。
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。
3.2、bind()函数
正如上⾯所说bind()函数把⼀个地址族中的特定地址赋给socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把⼀个ipv4或ipv6地址和端⼝号组合赋给socket。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函数的三个参数分别为：
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。 addr：⼀个const struct sockaddr *指针，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，如ipv4对应的是：
struct sockaddr_in {
sa_family_t sin_family;
in_port_t sin_port;
struct in_addr sin_addr;
};
struct in_addr {
uint32_t s_addr;
};
ipv6对应的是：
struct sockaddr_in6 {
sa_family_t sin6_family;
in_port_t sin6_port;
uint32_t sin6_flowinfo;
struct in6_addr sin6_addr;
uint32_t sin6_scope_id;
};
struct in6_addr {
unsigned char s6_addr[16];
};
Unix域对应的是：
#define UNIX_PATH_MAX 108
struct sockaddr_un {
sa_family_t sun_family;
char sun_path[UNIX_PATH_MAX];
};
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众所周知的地址（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。
⽹络字节序与主机字节序
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：
  a) 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。
  b) 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。由于 这个问题曾引发过⾎案！公司项⽬代码中由于存在这个问题，导致了很多莫名其妙的问题，所以请谨记对主机字节序不要做任何假定，务必将其转化为⽹络字节序再 赋给socket。
3.3、listen()、connect()函数
如果作为⼀个服务器，在调⽤socket()、bind()之后就会调⽤listen()来监听这个socket，如果客户端这时调⽤connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。
int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
listen函数的第⼀个参数即为要监听的socket描述字，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。
connect函数的第⼀个参数即为客户端的socket描述字，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。
3.4、accept()函数
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()之后就想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。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
accept函数的第⼀个参数为服务器的socket描述字，第⼆个参数为指向struct sockaddr *的指针，⽤于返回客户端的协议地址，第三个参数为协议地址的长度。如果accpet成功，那么其返回值是由内核⾃动⽣成的⼀个全新的描述字，代表与返回客户的TCP连接。
注意：accept的第⼀个参数为服务器的socket描述字，是服务器开始调⽤socket()函数⽣成的，称为监听socket描述字；⽽accept函数返回的是已连接的socket描述字。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。
3.5、read()、write()等函数
万事具备只⽋东风，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！⽹络I/O操作有下⾯⼏组：
read()/write()
recv()/send()
readv()/writev()
recvmsg()/sendmsg()
recvfrom()/sendto()
我推荐使⽤recvmsg()/sendmsg()函数，这两个函数是最通⽤的I/O函数，实际上可以把上⾯的其它函数都替换成这两个函数。它们的声明如下：
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。  #include    ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);  ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);  #include    #include    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);
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