Socket的学习（一）什么是Socket?

本文参考的是《Socket通信原理》https://www.cnblogs.com/wangcq/p/3520400.html

一、TCP/IP UDP是什么？

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。下面是他们三者的关系：

可以看出TCP/IP协议族包括运输层、网络层、链路层。socket是一个接口，在用户进程与TCP/IP协议之间充当中间人，完成TCP/IP协议的书写，用户只需理解接口即可。

二、socket与TCP/IP的对应关系

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。

原作者将socket通信类比为打电话这一生活场景。这里我把TCP服务器比作政府某一服务部门能，TCP客户端比作企业中某一部门电话，描述这一过程，恰好就像是socket通信，服务部门提供服务，企业部门申请服务。
要实现通信，首先政府部门都必须申请一个电话（socket_fd），并向有关部门注册（我们的系统），提供地址（sockadrr）以及属于哪个部门的（port），录入系统后，就算是合约生效了（bind），于是乎，政府广而告之，这个服务热线就算开通了，在部门里面的人员所需要做的事情，就是等待企业家拨打热线（listen）。
企业家拨打电话对地点和部门没有这么多的要求了，他并不需要绑定地址和部门，在任何一个可以拨打电话的地方(可能是同个部门，也可以同公司不同部门，甚至可能是竞争对手)，他只需要拿起一个已经注册的电话（socket_fd），拨打电话（connect）
政府部门接通电话（accept）后，桥梁就打通了（服务者client_fd、顾客server_fd），可以进行听说了（read write）。企业家咨询完成（close）,政府到点下班关闭服务（close）

三、socket API 简单介绍

3.1 socket() 创建socket描述符

int socket(int domain, int type, int protocol);
//成功返回非负描述符，失败返回-1

domain：即协议域，又称为协议族（family）。
常用的地址族有：

AF_INET
AF_INET6
AF_LOCAL（AF_UNIX，本地通信用）
AF_ROUTE

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：信息传送方式。

SOCK_STREAM
SOCK_DGRAM
SOCK_RAW
SOCK_PACKET
SOCK_SEQPACKET

protocol：对应协议。

IPPROTO_TCP TCP传输协议
IPPROTO_UDP UDP传输协议
IPPROTO_SCTP STCP传输协议
IPPROTO_TIPCTIPC传输协议
通常设置为0,让其自动匹配。

我的理解就是：
domain 网络层相关协议 type 信息传送方式 protocol 运输层相关协议，如果前两个都确定了，系统就可以自动选择协议了。

3.2 bind()绑定实际地址

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t
addrlen);
//返回值：成功则为0，失败为-1

sockfd 一般服务端才需要绑定，客户端由系统内核解决
addr 所有协议都有一个公共的结构叫做const struct sockaddr,不同协议对应不同的具体结构，结构如下：

struct sockaddr {  sa_family_t sin_family;//地址族char sa_data[14]; //14字节，包含套接字中的目标地址和端口信息               };

可以看出，我们端口和目标地址放在同一数组中，不太容易使用。对于不同的协议，我们会通过另一种特定的结构体的来完成初始化，再通过强制类型转换，来使用bind函数。

强制转换第二个地址参数为const sockaddr *

(const sockaddr *)sockaddr_in;
(const sockaddr *)sockaddr_in6;
(const sockaddr *)sockaddr_un;

ipv4结构体

struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family; in_port_t      sin_port;   //typedef  __uint16_t      in_port_t;struct in_addr sin_addr;
};struct in_addr {uint32_t       s_addr;
};

ipv6结构体

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域结构体

#define UNIX_PATH_MAX    108struct sockaddr_un { sa_family_t sun_family;                char        sun_path[UNIX_PATH_MAX];
};

addrlen：协议结构体大小
通常使用sizeof运算符计算

sizeof(sockaddr_in);//IPv4 in:internet
sizeof(sockaddr_in6);//IPv6
sizeof(sockaddr_un);//本地 un:unix

3.3 listen()、connect() 主机监听、从机链接

int listen(int sockfd, int backlog);
//返回值：成功则为0，失败为-1

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
//返回值：成功则为0，失败为-1

listen决定需要开启的部门热线，connect拨打电话。

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 建立链接

只要服务端建立链接，我们就可以进行操作了

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t  *addrlen);
//返回值：成功则为0，失败为-1

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。后面的读写操作都是根据这个返回值来完成的。

3.5 read和write函数，读写

这不是属于socket的API，但是socket总是伴随着以下函数：

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

3.6 close关闭服务

int close(int fd);
//返回值：成功则为0，失败为-1

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。