# socket 通信机制详解

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
- 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（实践一下）
7、留下一个问题，欢迎大家回帖回答！！！

# 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 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; /* address family: AF_INET */
    in_port_t      sin_port;   /* port in network byte order */
    struct in_addr sin_addr;   /* internet address */
};

/* Internet address. */
struct in_addr {
    uint32_t       s_addr;     /* address in network byte order */
};

ipv6 对应的是：

struct sockaddr_in6 { 
    sa_family_t     sin6_family;   /* AF_INET6 */ 
    in_port_t       sin6_port;     /* port number */ 
    uint32_t        sin6_flowinfo; /* IPv6 flow information */ 
    struct in6_addr sin6_addr;     /* IPv6 address */ 
    uint32_t        sin6_scope_id; /* Scope ID (new in 2.4) */ 
};

struct in6_addr { 
    unsigned char   s6_addr[16];   /* IPv6 address */ 
};

Unix 域对应的是：

#define UNIX_PATH_MAX    108

struct sockaddr_un { 
    sa_family_t sun_family;               /* AF_UNIX */ 
    char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];  /* pathname */ 
};

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：

       #include <unistd.h>

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

       #include <sys/types.h>
       #include <sys/socket.h>

       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);

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。

write 函数将 buf 中的 nbytes 字节内容写入文件描述符 fd . 成功时返回写的字节数。失败时返回 - 1，并设置 errno 变量。在网络程序中，当我们向套接字文件描述符写时有俩种可能。1) write 的返回值大于 0，表示写了部分或者是全部的数据。2) 返回的值小于 0，此时出现了错误。我们要根据错误类型来处理。如果错误为 EINTR 表示在写的时候出现了中断错误。如果为 EPIPE 表示网络连接出现了问题 (对方已经关闭了连接)。

其它的我就不一一介绍这几对 I/O 函数了，具体参见 man 文档或者 baidu、Google，下面的例子中将使用到 send/recv。

# 3.6、close () 函数

在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的 socket 描述字，好比操作完打开的文件要调用 fclose 关闭打开的文件。

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

close 一个 TCP socket 的缺省行为时把该 socket 标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为 read 或 write 的第一个参数。

注意：close 操作只是使相应 socket 描述字的引用计数 - 1，只有当引用计数为 0 的时候，才会触发 TCP 客户端向服务器发送终止连接请求。

# 4、socket 中 TCP 的三次握手建立连接详解

我们知道 tcp 建立连接要进行 “三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

客户端向服务器发送一个 SYN J
服务器向客户端响应一个 SYN K，并对 SYN J 进行确认 ACK J+1
客户端再想服务器发一个确认 ACK K+1

只有就完了三次握手，但是这个三次握手发生在 socket 的那几个函数中呢？请看下图：

图 1、socket 中发送的 TCP 三次握手

从图中可以看出，当客户端调用 connect 时，触发了连接请求，向服务器发送了 SYN J 包，这时 connect 进入阻塞状态；服务器监听到连接请求，即收到 SYN J 包，调用 accept 函数接收请求向客户端发送 SYN K ， ACK J+1 ，这时 accept 进入阻塞状态；客户端收到服务器的 SYN K ， ACK J+1 之后，这时 connect 返回，并对 SYN K 进行确认；服务器收到 ACK K+1 时，accept 返回，至此三次握手完毕，连接建立。

总结：客户端的 connect 在三次握手的第二个次返回，而服务器端的 accept 在三次握手的第三次返回。

# 5、socket 中 TCP 的四次握手释放连接详解

上面介绍了 socket 中 TCP 的三次握手建立过程，及其涉及的 socket 函数。现在我们介绍 socket 中的四次握手释放连接的过程，请看下图：

图 2、socket 中发送的 TCP 四次握手

图示过程如下：

某个应用进程首先调用 close 主动关闭连接，这时 TCP 发送一个 FIN M；
另一端接收到 FIN M 之后，执行被动关闭，对这个 FIN 进行确认。它的接收也作为文件结束符传递给应用进程，因为 FIN 的接收意味着应用进程在相应的连接上再也接收不到额外数据；
一段时间之后，接收到文件结束符的应用进程调用 close 关闭它的 socket。这导致它的 TCP 也发送一个 FIN N；
接收到这个 FIN 的源发送端 TCP 对它进行确认。

这样每个方向上都有一个 FIN 和 ACK 。

编程 socket