C/S模型

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必备函数

socket()函数

Linux 中的一切都是文件，每个文件都有一个整数类型的文件描述符；socket 也是一个文件，也有文件描述符。使用 socket() 函数创建套接字以后，返回值就是一个 int 类型的文件描述符。

Windows 会区分 socket 和普通文件，它把 socket 当做一个网络连接来对待，调用 socket() 以后，返回值是 SOCKET 类型，用来表示一个套接字。

在 Linux 下使用 <sys/socket.h> 头文件中 socket() 函数来创建套接字，原型为：

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int socket(int af, int type, int protocol);
  1. af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet”的简写。AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。
    大家需要记住127.0.0.1，它是一个特殊IP地址，表示本机地址，后面的教程会经常用到。
    你也可以使用 PF 前缀，PF 是“Protocol Family”的简写，它和 AF 是一样的。例如，PF_INET 等价于 AF_INET，PF_INET6 等价于 AF_INET6。
  2. type 为数据传输方式/套接字类型，常用的有 SOCK_STREAM（流格式套接字/面向连接的套接字） 和 SOCK_DGRAM（数据报套接字/无连接的套接字），我们已经在《套接字有哪些类型》一节中进行了介绍。
  3. protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。

有了地址类型和数据传输方式，还不足以决定采用哪种协议吗？为什么还需要第三个参数呢？

正如大家所想，一般情况下有了 af 和 type 两个参数就可以创建套接字了，操作系统会自动推演出协议类型，除非遇到这样的情况：有两种不同的协议支持同一种地址类型和数据传输类型。如果我们不指明使用哪种协议，操作系统是没办法自动推演的。

本代码使用 IPv4 地址，参数 af 的值为 AF_INET。如果使用 SOCK_STREAM 传输数据，那么满足这两个条件的协议只有 TCP，因此可以这样来调用 socket() 函数：

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int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  //IPPROTO_TCP表示TCP协议

这种套接字称为 TCP 套接字。

如果使用 SOCK_DGRAM 传输方式，那么满足这两个条件的协议只有 UDP，因此可以这样来调用 socket() 函数：

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int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);  //IPPROTO_UDP表示UDP协议

这种套接字称为 UDP 套接字。

上面两种情况都只有一种协议满足条件，可以将 protocol 的值设为 0，系统会自动推演出应该使用什么协议，如下所示：

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int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //创建TCP套接字
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  //创建UDP套接字

bind()函数

bind() 函数的原型
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int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);  //Linux
int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen);  //Windows

下面以 Linux 为例进行讲解，Windows 与此类似。

sock 为 socket 文件描述符，addr 为 sockaddr 结构体变量的指针，addrlen 为 addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。

下面的代码，将创建的套接字与IP地址 127.0.0.1、端口 1234 绑定：

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//创建套接字
int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

//创建sockaddr_in结构体变量
struct sockaddr_in serv_addr;
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充
serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口

//将套接字和IP、端口绑定
bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

这里我们使用 sockaddr_in 结构体，然后再强制转换为 sockaddr 类型，后边会讲解为什么这样做。

sockaddr_in 结构体

接下来不妨先看一下 sockaddr_in 结构体，它的成员变量如下：

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struct sockaddr_in{
    sa_family_t     sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址类型
    uint16_t        sin_port;     //16位的端口号
    struct in_addr  sin_addr;     //32位IP地址
    char            sin_zero[8];  //不使用，一般用0填充
};

  1. sin_family 和 socket() 的第一个参数的含义相同，取值也要保持一致。

  2. sin_prot 为端口号。uint16_t 的长度为两个字节，理论上端口号的取值范围为 065536，但 01023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，例如 Web 服务的端口号为 80，FTP 服务的端口号为 21，所以我们的程序要尽量在 1024~65536 之间分配端口号。端口号需要用 htons() 函数转换，后面会讲解为什么。

  3. sin_addr 是 struct in_addr 结构体类型的变量，下面会详细讲解。

  4. sin_zero[8] 是多余的8个字节，没有用，一般使用 memset() 函数填充为 0。上面的代码中，先用 memset() 将结构体的全部字节填充为 0，再给前3个成员赋值，剩下的 sin_zero 自然就是 0 了。

in_addr 结构体

sockaddr_in 的第3个成员是 in_addr 类型的结构体，该结构体只包含一个成员，如下所示：

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struct in_addr{
    in_addr_t  s_addr;  //32位的IP地址
};

in_addr_t 在头文件 <netinet/in.h> 中定义，等价于 unsigned long，长度为4个字节。也就是说，s_addr 是一个整数，而IP地址是一个字符串，所以需要 inet_addr() 函数进行转换，例如：

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unsigned long ip = inet_addr("127.0.0.1");
printf("%ld\n", ip);

运行结果：
16777343

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图解 sockaddr_in 结构体

为什么要搞这么复杂，结构体中嵌套结构体，而不用 sockaddr_in 的一个成员变量来指明IP地址呢？socket() 函数的第一个参数已经指明了地址类型，为什么在 sockaddr_in 结构体中还要再说明一次呢，这不是啰嗦吗？

这些繁琐的细节确实给初学者带来了一定的障碍，我想，这或许是历史原因吧，后面的接口总要兼容前面的代码。各位读者一定要有耐心，暂时不理解没有关系，根据教程中的代码“照猫画虎”即可，时间久了自然会接受。

为什么使用 sockaddr_in 而不使用 sockaddr

bind() 第二个参数的类型为 sockaddr，而代码中却使用 sockaddr_in，然后再强制转换为 sockaddr，这是为什么呢？

sockaddr 结构体的定义如下：

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struct sockaddr{
    sa_family_t  sin_family;   //地址族（Address Family），也就是地址类型
    char         sa_data[14];  //IP地址和端口号
};

下图是 sockaddr 与 sockaddr_in 的对比（括号中的数字表示所占用的字节数）：
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sockaddr 和 sockaddr_in 的长度相同，都是16字节，只是将IP地址和端口号合并到一起，用一个成员 sa_data 表示。要想给 sa_data 赋值，必须同时指明IP地址和端口号，例如”127.0.0.1:80“，遗憾的是，没有相关函数将这个字符串转换成需要的形式，也就很难给 sockaddr 类型的变量赋值，所以使用 sockaddr_in 来代替。这两个结构体的长度相同，强制转换类型时不会丢失字节，也没有多余的字节。

可以认为，sockaddr 是一种通用的结构体，可以用来保存多种类型的IP地址和端口号，而 sockaddr_in 是专门用来保存 IPv4 地址的结构体。另外还有 sockaddr_in6，用来保存 IPv6 地址，它的定义如下：

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struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t sin6_family;  //(2)地址类型，取值为AF_INET6
    in_port_t sin6_port;  //(2)16位端口号
    uint32_t sin6_flowinfo;  //(4)IPv6流信息
    struct in6_addr sin6_addr;  //(4)具体的IPv6地址
    uint32_t sin6_scope_id;  //(4)接口范围ID
};

正是由于通用结构体 sockaddr 使用不便，才针对不同的地址类型定义了不同的结构体。

connect()函数

connect() 函数用来建立连接，它的原型为：

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int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);  //Linux
int connect(SOCKET sock, const struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);  //Windows

各个参数的说明和 bind() 相同，不再赘述。

listen() 函数

通过 listen() 函数可以让套接字进入被动监听状态，它的原型为：

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int listen(int sock, int backlog);  //Linux
int listen(SOCKET sock, int backlog);  //Windows

sock 为需要进入监听状态的套接字，backlog 为请求队列的最大长度。

所谓被动监听，是指当没有客户端请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到客户端请求时，套接字才会被“唤醒”来响应请求。

请求队列

当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直到缓冲区满。这个缓冲区，就称为请求队列（Request Queue）。

缓冲区的长度（能存放多少个客户端请求）可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定，但究竟为多少并没有什么标准，可以根据你的需求来定，并发量小的话可以是10或者20。

如果将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN，就由系统来决定请求队列长度，这个值一般比较大，可能是几百，或者更多。

当请求队列满时，就不再接收新的请求，对于 Linux，客户端会收到 ECONNREFUSED 错误，对于 Windows，客户端会收到 WSAECONNREFUSED 错误。

注意：listen() 只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。

accept() 函数

当套接字处于监听状态时，可以通过 accept() 函数来接收客户端请求。它的原型为：

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int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);  //Linux
SOCKET accept(SOCKET sock, struct sockaddr *addr, int *addrlen);  //Windows

它的参数与 listen() 和 connect() 是相同的：sock 为服务器端套接字，addr 为 sockaddr_in 结构体变量，addrlen 为参数 addr 的长度，可由 sizeof() 求得。

accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信，addr 保存了客户端的IP地址和端口号，而 sock 是服务器端的套接字，大家注意区分。后面和客户端通信时，要使用这个新生成的套接字，而不是原来服务器端的套接字。

最后需要说明的是：listen() 只是让套接字进入监听状态，并没有真正接收客户端请求，listen() 后面的代码会继续执行，直到遇到 accept()。accept() 会阻塞程序执行（后面代码不能被执行），直到有新的请求到来。

write()和read()【linux端】

Linux 不区分套接字文件和普通文件，使用 write() 可以向套接字中写入数据，使用 read() 可以从套接字中读取数据。

前面我们说过，两台计算机之间的通信相当于两个套接字之间的通信，在服务器端用 write() 向套接字写入数据，客户端就能收到，然后再使用 read() 从套接字中读取出来，就完成了一次通信。

write() 的原型为：

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ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);

fd 为要写入的文件的描述符，buf 为要写入的数据的缓冲区地址，nbytes 为要写入的数据的字节数。

size_t 是通过 typedef 声明的 unsigned int 类型；ssize_t 在 “size_t” 前面加了一个”s”，代表 signed，即 ssize_t 是通过 typedef 声明的 signed int 类型。

write() 函数会将缓冲区 buf 中的 nbytes 个字节写入文件 fd，成功则返回写入的字节数，失败则返回 -1。

read() 的原型为：

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ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

fd 为要读取的文件的描述符，buf 为要接收数据的缓冲区地址，nbytes 为要读取的数据的字节数。

read() 函数会从 fd 文件中读取 nbytes 个字节并保存到缓冲区 buf，成功则返回读取到的字节数（但遇到文件结尾则返回0），失败则返回 -1。

send()和revc()【windows端】

Windows 和 Linux 不同，Windows 区分普通文件和套接字，并定义了专门的接收和发送的函数。

从服务器端发送数据使用 send() 函数，它的原型为：

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int send(SOCKET sock, const char *buf, int len, int flags);

sock 为要发送数据的套接字，buf 为要发送的数据的缓冲区地址，len 为要发送的数据的字节数，flags 为发送数据时的选项。

返回值和前三个参数不再赘述，最后的 flags 参数一般设置为 0 或 NULL，初学者不必深究。

在客户端接收数据使用 recv() 函数，它的原型为：

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int recv(SOCKET sock, char *buf, int len, int flags);

server.c

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#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define SERV_PORT 9000  //本服务器要监听的端口号，一般1024以下的端口很多都是属于周知端口，所以我们一般采用1024之后的数字做端口号

int main(int argc, char *const *argv)
{    
    //这些演示代码的写法都是固定套路，一般都这么写

    //服务器的socket套接字【文件描述符】
    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);    //创建服务器的socket，大家可以暂时不用管这里的参数是什么，知道这个函数大概做什么就行

    struct sockaddr_in serv_addr;                  //服务器的地址结构体
    memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));
    
    //设置本服务器要监听的地址和端口，这样客户端才能连接到该地址和端口并发送数据
    serv_addr.sin_family = AF_INET;                //选择协议族为IPV4
    serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);         //绑定我们自定义的端口号，客户端程序和我们服务器程序通讯时，就要往这个端口连接和传送数据
    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); //监听本地所有的IP地址；INADDR_ANY表示的是一个服务器上所有的网卡（服务器可能不止一个网卡）多个本地ip地址都进行绑定端口号，进行侦听。

    bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));//绑定服务器地址结构体
    listen(listenfd, 32);     //参数2表示服务器可以积压的未处理完的连入请求总个数，客户端来一个未连入的请求，请求数+1，连入请求完成，c/s之间进入正常通讯后，请求数-1

    int connfd;
    const char *pcontent = "I sent sth to client!"; //指向常量字符串区的指针
    for(;;)
    {
        //卡在这里，等客户单连接，客户端连入后，该函数走下去【注意这里返回的是一个新的socket——connfd，后续本服务器就用connfd和客户端之间收发数据，而原有的lisenfd依旧用于继续监听其他连接】        
        connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)NULL, NULL);

        //发送数据包给客户端
        write(connfd,pcontent,strlen(pcontent)); //注意第一个参数是accept返回的connfd套接字
        
        //只给客户端发送一个信息，然后直接关闭套接字连接；
        close(connfd); 
    } //end for
    close(listenfd);     //实际本简单范例走不到这里，这句暂时看起来没啥用
    return 0;
}

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#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>


#define SERV_PORT 9000    //要连接到的服务器端口，服务器必须在这个端口上listen着

int main(int argc, char *const *argv)
{    
    //这些演示代码的写法都是固定套路，一般都这么写
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //创建客户端的socket，大家可以暂时不用管这里的参数是什么，知道这个函数大概做什么就行

    struct sockaddr_in serv_addr; 
    memset(&serv_addr,0,sizeof(serv_addr));

    //设置要连接到的服务器的信息
    serv_addr.sin_family = AF_INET;                //选择协议族为IPV4
    serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);         //连接到的服务器端口，服务器监听这个地址
    //这里为了方便演示，要连接的服务器地址固定写
    if(inet_pton(AF_INET,"192.168.1.126",&serv_addr.sin_addr) <= 0)  //IP地址转换函数,把第二个参数对应的ip地址转换第三个参数里边去，固定写法
    {
        printf("调用inet_pton()失败，退出！\n");
        exit(1);
    }

    //连接到服务器
    if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr)) < 0)
    {
        printf("调用connect()失败，退出！\n");
        exit(1);
    }

    int n;
    char recvline[1000 + 1]; 
    while(( n = read(sockfd,recvline,1000)) > 0) //仅供演示，非商用，所以不检查收到的宽度，实际商业代码，不可以这么写
    {
        recvline[n] = 0; //实际商业代码要判断是否收取完毕等等，所以这个代码只有学习价值，并无商业价值
        printf("收到的内容为：%s\n",recvline);
    }
    close(sockfd); //关闭套接字
    printf("程序执行完毕，退出!\n");
    return 0;
}