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Linux学习笔记（Socket）

Linux-Socket

1、基础知识

socket用于计算机之间的网络通信，无论是构建服务器还是客户端，我们仅需要三个信息，服务器的ip地址，对应进程的端口号，通信协议。
拿到ip地址，便自然知道其ip种类且同时知道该服务器的位置，拿到端口号便知道具体和哪个程序对接。一般而言我们使用ipv4的地址格式，端口号也一般设置得大一些，以防止和服务器原本的应用程序冲突。通信协议则分为流式和报式两个种，它们的代表协议分别是TCP和UDP。
总而言之，只要得到这些信息，服务器就能构建其服务程序，客户端也能准确的找到对应的服务程序。
而socket这个名字，也生动的表达的这样一层意思，把服务器看成一个插排，客户端看成各类用电器，一个插排可以给N个设备供电。
在这里插入图片描述

2、服务端

第一步，创建一个套接字，并拿到一个文件描述符，以便捷的表示这个套接字。
第二步，构建一个结构体，让这个结构体绑定各种信息（ip地址，端口号，通信协议）。
第三步，开始准备接受客户端的连接请求。
第四步，处理客户端的连接请求，并根据需求，决定是否要记录客户端的ip和端口后等信息。
最后，根据需要进行读写操作。
下面的例程，每一步具体代码怎么写我大致有标注一下。

//设置ip和端口号
std::string server_ip_address = "xxx.xxx.xxx.xxx";
int server_port = 8888;

//step 1
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

//step2
sockaddr_in addr;		//定义一个结构体
addr.sin_family = AF_INET;		//指定ip地址格式
addr.sin_port = htons(server_port);		//设置端口
inet_pton(AF_INET, server_ip_address.c_str(),  &addr.sin_addr.s_addr);	//设置ip地址
bind(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));	//绑定信息

//step3
listen(fd, 128);

//step4
sockaddr_in client_addr;		//定义一个结构体接受客户端信息
socklen_t clilen = sizeof(client_addr);
int cfd = accept(sfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &clilen);		//比对信息是否匹配
//如果不需要记录客户端的ip和端口，则直接按下面的方式即可
int cfd = accept(sfd, NULL, NULL);

如果想要具体了解各个函数的参数的意义，直接copy之后搜索即可。
有几个点可以注意一下
1、写代码的时候数据的存储方式是小端存储，即主机字节序。譬如这一句：

int server_port = 8888;

它在内存当中就是主机存储。但是用于网络通讯的时候，又是大端存储（又称网络字节序）。所以需要转化一下，一般用到的函数有：htons, htonl, ntohs, ntohl.
意思也很直白，以htons为例，htons即host to network short。host意为主机字节序，network意为网络字节序，short指的是要转化的字节数，short指的是2个字节，long指的是4个字节（和long int对应的字节数不太一样）。
2、listen(fd, 128);这里的128并不是指最多只能接受128个客户端，而是在listen那一瞬间最多只能处理128个，可以多执行几次listen的。
3、在字符串传输的时候不需要考虑字节序的问题。因为一个字符本身就占一个字节，不存在字节内部被打乱的可能。也就是说，所谓字节序的问题是存在局部的，而不存在于整体中。
举个例子，9这个整数，占四个字节，转化成字节流是长这样的。
小端存储（主机字节序）：9：0x00 0x00 0x00 0x09
大端存储（网络字节序）：9：0x09 0x00 0x00 0x00（其实比对一下，就可以get到为啥传输的时候变成大端的了）
如果是3和9两个数字分别发过去，则不会，也不可以影响3和9的发送顺序。所以对于字符串"abcd"，它的发送顺序就是"a" “b” “c” “d”。又因为它们本身就只占一个字节，自然不会被存储方式干扰。
但是如果一个汉字，它由于占多个字节，倒有可能受到字节序的影响。
总的来说，字节序的问题只出现在一个整体被拆分成N个字节，然后传输之后重组才可能出现。
4、如果cfd不为-1则表示正确和客户端建立连接，可以进行读写操作了。具体代码之后再说。

3、客户端

从客户端的角度来说，其主要任务就是拿到服务器的ip地址，端口号，然后主要去和客户端建立起连接。譬如插线要去匹配插座一样。核心步骤和构建服务器的步骤大同小异，大概如下：
第一步，创建一个套接字，并拿到一个文件描述符，以便捷的表示这个套接字。
第二步，构建一个结构体，让这个结构体绑定服务器的各种信息ip地址，端口号，通信协议）。
第三步，利用以上这些信息尝试去连接服务器，如果构建成功则返回的整形变量是正值。
第四步，根据任务需要进行读写操作。

//step 1:
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

//step 2:
sockaddr_in saddr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(server_port);
inet_pton(AF_INET, server_ip_address.c_str(),  &addr.sin_addr.s_addr);

//step 3:
do{		
    ret = connect(sfd, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr));	//connect是一个非阻塞函数，所以需要用while不断尝试去建立连接
    std::cout << "try to connect server...\n";
    sleep(1);
}while(ret == -1);

4、读写操作

4.1、读写函数

读用的是write

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
  • fd是文件描述符。
  • buf被写内容的地址。
  • count自然是被写内容的字节数。
  • 返回值：如果写入成功，则返回写入的字节数目。如果失败，返回-1；如果正常写入，但没写入任何东西，则返回0。

读操作用的是read函数

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
  • fd：文件描述符。
  • buf：指向读取的内容的指针 。
  • count：要读取的字节数 。
  • 返回值：如果读取成功，则返回读取的字节数目。如果失败，返回-1；如果正常读取，但没读取到东西，返回0。

其实这里write和read和Linux文件IO操作中的read和write函数是一样的，包括close操作也是。可以看我之前写的文章。
链接: Linux学习笔记之四（文件IO、目录IO）

4.2、阻塞IO和非阻塞IO

其实无论是调用write函数还是read函数，都是在内核空间中的缓存区进行操作。流程大概是，通过write函数把数据写到内核空间的写缓存区，然后内核自动通过一些协议把数据传输到读缓存区，然后read函数才能从读缓存区把数据给读出来。
在这里插入图片描述
但是这个读写操作分为阻塞式读写和非阻塞式读写，专业术语叫阻塞IO和非阻塞IO。默认情况下是采用阻塞式IO，在阻值式模式下，write操作如果发现写缓存区已经满了，则会一直在那里等待，直到有多余空间可以写入；对于read操作来说，则是如果发现读缓存区没有数据，则一直阻塞等待，直到有数据出现。
而非阻塞式刚好相反，以read为例，如果发现读缓存区中没有数据，则返回-1，然后继续执行其它任务。
非阻塞可以通过相关函数来设置，自行上网查即可。下面讲讲它们的优缺点。

  • 阻塞式IO
    • 优点：操作和逻辑都比较简单，确保write和read能正确执行才继续执行其它任务。
    • 缺点：浪费线程时间，有可以阻塞的时间过长而影响其它任务的执行。
  • 非阻塞式IO
    • 优点：可以及时的去执行其它任务，提高线程的利用率。
    • 缺点：可以导致读写数据不及时。

总的两说，两者各有优劣。但也有一些方法可以取长补短，比如select，epoll，poll等。暂且不谈了。

5、例程

服务器例程，我将读写分为两个线程来写。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>


std::string server_ip_address = "192.168.52.130";
int server_port = 8888;
int exit_flag = 0;
std::mutex mu;

int ServerInit()
{
    //create a socket description
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
    sockaddr_in addr;
    //get ip type
    addr.sin_family = AF_INET;
    //get host port
    addr.sin_port = htons(server_port);
    //get ip iddress
    inet_pton(AF_INET, server_ip_address.c_str(),  &addr.sin_addr.s_addr);

    //link above information to socket
    bind(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    
    return fd;
}

void SendThread(int cfd)
{
    std::string meg;
    while(true)
    {
        std::getline(std::cin, meg);
        if(meg == "exit"){
            write(cfd, meg.c_str(), meg.length());
            mu.lock();
            exit_flag = 1;
            mu.unlock();
            break;
        } 
        write(cfd, meg.c_str(), meg.length());
    }
}


void ReceThread(int cfd)
{
    char buf[1024];
    while(exit_flag == 0)
    {
        //set buff to zero
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        int len = read(cfd, buf, sizeof(buf));
        if(len > 0)     std::cout << " receive from client is: " << buf << std::endl;
    }
}

int main()
{
    //sfd: server file description
    int sfd = ServerInit();
    //beign to wait for client, block.
    listen(sfd, 128);

    sockaddr_in client_addr;
    socklen_t clilen = sizeof(client_addr);
    //receive the information from client, cfd: client file desription
    int cfd = accept(sfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &clilen);

    if(cfd != -1)
    {
        std::thread send_thread(SendThread, cfd);
        std::thread rece_thread(ReceThread, cfd);
        send_thread.join();
        rece_thread.join();
    }

    close(cfd);
    close(sfd);

    return 0;
}

客户端例程

#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>


std::string server_ip_address = "192.168.52.130";
int server_port = 8888;

int ClientInit(sockaddr_in& addr)
{
    //create a socket description
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    //get ip type
    addr.sin_family = AF_INET;
    //get host port
    addr.sin_port = htons(server_port);
    //get ip iddress
    inet_pton(AF_INET, server_ip_address.c_str(),  &addr.sin_addr.s_addr);

    return fd;
}

int main()
{
    //sfd: server file description, saddr: server address
    sockaddr_in saddr;
    int sfd = ClientInit(saddr);
    int ret;
    do{
        ret = connect(sfd, (struct sockaddr*)&saddr, sizeof(saddr));
        std::cout << "try to connect server...\n";
        sleep(1);
    }while(ret == -1);

    std::cout << "connect server successfully!\n";

    while(1)
    {
        static char buf[1024] = {0};
        static std::string str = "hello, i am client.";
        write(sfd, str.c_str(), str.size());
        int len  = read(sfd, buf, sizeof(buf));
        if(len > 0){
            std::cout << "client receive is: " << buf << std::endl;
            memset(buf, 0 , sizeof(buf));
        } 
        else if(len == 0)
        {
            std::cerr << "lose connection with server.\n";
            break;
        }

    }

    close(sfd);

    return 0;
}

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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