prerequisite

有语言基础；大概学过计网；下面的代码都是在Linux平台的，最好懂点Linux；

basic concept

1. socket提供了两种通信机制，stream流和datagram数据报
2. stream socket基于TCP，所以可靠
3. datagram socket基于UDP，所以不可靠但是高效
4. C语言的这一套东西写的非常早，那时候还没有void*，所以结构体什么的都定义的比较乱。
5. 下面的内容只讲流socket，数据报socket应用场景较少（比如实时音视频，允许丢包），而且可能会越来越少。

网络字节序

1. 大端序Big Endian，高位数据放在内存低地址，低位数据放在内存高地址
2. 小端序Little Endian，高位数据放在内存高地址，低位数据放在内存低地址
3. 网络字节序采用大端序
4. 字节序转换函数，htons(uint16), htonl(uint32), ntohs(uint16), ntohl(uint32)，n-network; h-host; s-short-16bit; l-long-32bit

socket()函数

#include<sys/socket.h>  // 头文件
int socket(int af, int type, int protocol);  //函数原型
int tcp_socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //创建stream socket，返回一个file descriptor
if(tcp_socket_fd == -1) {perror("create socket failed."); return -1;} //最好判断一下fd

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。INET是Internet的简写。AF_INET表示IPv4地址；AF_INET6表示IPv6地址。你也可以使用PF前缀，PF是Protocol Family的简写，它和AF是一样的。
2. type为数据传输方式/socket类型，常用的有SOCK_STREAM流和 SOCK_DGRAM数据报。
3. protocol表示传输协议，常用的有IPPROTO_TCP和IPPROTO_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这前两个参数，就能够确定协议了，所以此时这个参数可以写0。
4. 同一个文件中能打开的socket的数量是有限的，linux一切皆文件，使用命令ulimit -a查看open file的数量限制。
5. 服务端和客户端第一步都需要用这个函数建立socket

几个结构体

#include<sys/socket.h>
struct sockaddr  //存IP和端口，这个结构体用的不多，因为有下面的sockaddr_in替代它
{
    uint16_t sa_family;    //2 Bytes, 地址类型，比如AF_INET
    char     sa_data[14];  //14B, 存放地址和端口
};

#include<netinet/in.h>或#include<arpa/inet.h>
struct sockaddr_in   //存IP和端口
{
    uint16_t       sin_family;  //2B 地址类型
    uint16_t       sin_port;  //2B 端口号
    struct in_addr sin_addr;  //地址
    unsigned char  sin_zero[8];  //为了和sockaddr保持一致大小，实际并不使用，大小一致就可以强制转换
};
struct in_addr
{
    uint32_t s_addr;  //4B 地址
};

#include<netdb.h>
#include<sys/socket.h>
struct hostent  //short for host entry
{
    char *h_name;        //host name
    char **h_aliases;    //主机所有别名构成的字符串数组，同一IP可绑定多个域名
    int h_addrtype;      //host address type IPv4? IPv6?
    int h_length;        //host IP address length(bytes), ipv4-4B, ipv6-16B
    char **h_addr_list;  //host IP address 网络字节序
};
#define h_addr h_addr_list[0]

struct hostent *gethostbyname(const char *name);  //这个函数可由字符串格式的域名得到网络字节序的IP地址

地址转换函数

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp); 
/*将一个字符串IP(cp)转为32位的网络字节序IP存在结构体inp中。成功，返回值非0，IP地址不正确导致失败会返回0*/

char *inet_ntoa(struct in_addr in);
//将网络字节序IP转为字符串IP

int_addr_t inet_addr(const char *cp);
//inet_addr函数将点分十进制字符串的IP地址转为网络字节序的二进制值

sockaddr_in结构体使用

struct sockaddr_in serv_addr;  //以服务器端为例，后面bind函数用到了这个变量
memset(&serv_addr, 0, sizeof serv_addr);  //主要是为了把sin_zero置为0
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1");  //指定IP地址
//serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY)  //任意IP地址
serv_addr.sin_port = htons(5005);  //随便指定一个高端口5005

bind函数

int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); //函数原型
//使用的例子
if(bind(sock_fd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) != 0)
{
    perror("bind failed."); 
    close(sock_fd);   //sock_fd 是socket函数返回的socket file descriptor
    return -1;
}

1. 服务器端第二步的操作，要用bind函数将socket与特定的IP地址和端口绑定起来，这样，流经该IP地址和端口的数据才能交给socket处理
2. 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
3. serv_addr是前面sockaddr_in结构体变量，bind函数参数是sockaddr结构体，需要强制转换一下，否则会报错
4. 端口只能使用1024以上的非熟知的高端口，最大到65535，即short的最大值
5. 1024以下的端口，root权限可以使用
6. 一个端口占用后，不能重复占用
7. 端口释放之后会有两分钟时间不可用，处于TIME_WAIT状态，可以用SO_REUSEADDR取消等待时间，具体不讲了
8. bind成功返回0，否则返回-1，errno存错误编号

listen

#include<sys/socket.h>
int listen(int s, int backlog); //函数原型
// 使用实例
if(listen(sock_fd, 3) != 0)
{
    perror("listen failed");
    close(sock_fd);
    return -1;
}

1. 服务器端第三步的操作，把socket设置为监听模式。
2. 第一个参数是前面已经bind的socket fd
3. 第二个参数指定同时能处理的最大连接请求, 如果连接数目达此上限则客户端将收到连接拒绝的错误
4. 接收的连接会放到一个队列里
5. 成功返回0， 失败返回-1，错误原因存于errno

accept

int accept(int s, struct sockaddr * addr, int * addrlen); //函数原型
//使用实例
int sock_len = sizeof(struct sockaddr_in);
struct sockaddr_in client_addr;
int client_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, (socklen_t*)&sock_len);

1. 服务器第四步，用accept函数接收客户端的连接
2. 第一个参数是监听模式的socket fd
3. 第二个参数是用于存放客户端地址的结构体变量指针，同样需要强制转换一下
4. 第三个参数是结构体sockaddr的长度
5. 前面说，listen监听到的连接请求会放到一个队列里，accept会从队列里取出一个建立连接，若队列为空，则accept会阻塞
6. 成功返回一个新的socket fd，后续通信就使用这个fd，原来的sock_fd可以使用accept接收新的连接请求
7. accept4() 函数在最后增加了一个参数，可以设置 socket 的属性

connect

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);  //函数原型

1. 客户端第二步操作，用connect函数与服务器建立连接，服务器必须listen之后才能连接成功
2. 第一个参数是socket函数返回的socket fd
3. 第二个参数是存服务器端的地址的结构体指针，需要在connect之前写好这个结构体，同样使用sockaddr_in结构体然后强制转换类型。
4. 第三个参数是结构体的长度
5. 连接成功返回0，失败返回-1，错误原因存于errno
6. 因为使用的是stream socket，所以客户端的connect和服务器端的accept在底层会发生TCP三次握手。
7. 三次握手中，客户端发来SYN包后，这个连接就处于半连接状态SYN_RECV。服务器再发送SYN ACK，客户端接收，再发来ACK，连接状态改为ESTABLISHED连接建立。
8. 服务器listen函数第二个参数backlog设定的就是ESTABLISHED状态队列的长度。半连接队列和全连接队列可以看这篇文章

send

int send(int s, const void * msg, int len, unsigned int falgs); //函数原型

1. 连接建立之后，服务端和客户端都使用send函数发送数据
2. 第一个参数为建立连接的socket fd
3. 第二个参数为要发送的数据的内存起始地址，可以是基本数据类型也可以是结构体、数组等，内存里有什么就发送什么，大于1个字节需要转换字节序
4. 第三个参数是发送的数据长度
5. 第四个参数一般设为0，其他的意义不大。MSG_OOB, 传送的数据以out-of-band送出; MSG_DONTROUTE, 取消路由表查询; MSG_DONTWAIT, 设置为不可阻断运作; MSG_NOSIGNAL, 此动作不愿被SIGPIPE信号中断.
6. 函数成功返回实际发送的字节数，失败返回-1，错误信息存于errno
7. 发送数据实际是往缓冲区里写，若发的快，对端接收慢的话，缓冲区会被填满，此时send就会阻塞

recv

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

1. 连接建立之后，服务端和客户端都使用recv函数接收数据
2. 参数与send函数类似，接收的数据存到buf指向的地址，可接受最大长度为len，flag一般设0
3. 成功返回接收的字节数，失败返回-1，错误信息存于errno
4. 接收数据是从缓冲区里读，读不到就会阻塞

addrinfo struct

struct addrinfo
{
  int              ai_flags;
  int              ai_family;
  int              ai_socktype;
  int              ai_protocol;
  char            *ai_canonname;
  size_t           ai_addrlen;
  struct sockaddr *ai_addr;
  struct addrinfo *ai_next;
};

int getaddrinfo(const char *hostname,   /* hostname or address */
                const char *service,    /* port or service name */
                const struct addrinfo *hints,   /* input parameters */
                struct addrinfo **result );     /* output linked list */

• given host and service, getaddrinfo returns result that points to a linked list of addrinfo structs, each of which points to corresponding socket address struct, and which contains arguments for the sockets interface functions
• 前两个参数一般用一个，另一个为空

void freeaddrinfo(struct addrinfo *result); /* free linked list */

int getnameinfo(const struct sockaddr *sa, socklen_t salen,  /* in: socket addr*/
                char *host, size_t hostlen,      /*out: host*/
                char *serv, size_t servlen,      /*out: service*/
                int flags);           /*optional flags*/

封装

如果每个项目都从底层socket开始写的话，效率很低，工作量很大，解决这个问题需要封装（造轮子）。把常用的代码封装一下，以后直接调用就行了。要保证安全的话可以使用OpenSSL。关于OpenSSL编程的资料网上很少，只看man的话是很难学的。