面试常见问题05 - Socket 编程

一. Socket

Socket 工作位置

• 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，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。

  
  Socket 通信过程
• 先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束

二. 结构体

1.1 struct in_addr：32位IP地址

struct in_addr {
　　unsigned long s_addr;  // 32位IP地址，4字节
};

1.2 struct sockaddr

struct sockaddr {
    unsigned short sa_family;    // 地址家族，通常为AF_INET，2字节
    char sa_data[14];            // 目标地址和端口，14字节
};

1.3 struct sockaddr_in：

struct sockaddr_in {
　　short int sin_family;         // 通信类型，通常为AF_INET，2字节
　　unsigned short int sin_port;  // 端口，2字节
　　struct in_addr sin_addr;      // Internet 地址，4字节
　　unsigned char sin_zero[8];    // 为保证与sockaddr结构的长度相同，8字节
};

三. 字节顺序转换

2.1 网络字节序与主机字节序

主机字节序就是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

• 大端序：整数高位字节在低地址内存，整数低位字节在高位地址

  
  int a = 0x11223344 的大端序

• 小端序：整数高位字节在高地址内存，整数低位字节在低位地址

  
  int a = 0x11223344 的小端序

2.2 h-host(本机)，n-network(网络)，s-short(短整型)，l-long(长整型)

1）htons() -- "Host to Network Short"
2）htonl() -- "Host to Network Long"
3）ntohs() -- "Network to Host Short"
4）ntohl() -- "Network to Host Long"
5）inet_addr() -- 将IP地址从点数格式转换成无符号长整型的网络字节格式
6）inet_ntoa() -- 将IP地址从长整型转换成点数格式的字符串

四. 常用函数

序号	函数名	功能
1	socket()	创建一个网络套接字，返回套接字描述符
2	bind()	为指定的套接字绑定IP地址和端口
3	listen()	让指定的套接字监听通过bind()绑定的端口
4	accept()	创建并返回一个文件描述符与listen()监听到的连接请求连接
5	recv()	用于流式套接字通讯中接收数据
6	send()	用于流式套接字通讯中发送数据
7	connect()	将指定的套接字连接到指定的IP地址和端口
8	sendto()	用于数据报套接字通讯中发送数据
9	recvfrom()	用于数据报套接字通讯中接收数据
10	close()	关闭已打开的套接字
11	shutdown()
12	getpeername()
13	gethostname()

4.1 socket() 函数

• 函数声明：int socket(int domain, int type, int protocol);

1）domain：协议族，决定了socket的地址类型，常用的协议族有：AF_INET、AF_INET6、
           AF_LOCAL、AF_ROUTE，AF_INET决定了要用ipv4地址与端口号的组合
2）type：套接字类型，通常为SOCK_STREAM(流式类型)和SOCK_DGRAM(数据报类型)
3）protocol：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

• 返回值：int类型的socket描述符，错误时返回-1，并且设置全局错误变量errno

4.2 bind() 函数

• 函数声明：int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen);

1）sockfd：socket 返回的文件描述符
2）my_addr：指向保存着 IP 地址和本地端口的数据结构 struct sockaddr 的指针
3）addrlen：设置为 sizeof(struct sockaddr)

PS：
my_addr结构体中的sin_port 和sin_addr.s_addr需要转换为网络字节顺序
my_addr.sin_port = htons(0);    // 随机选择一个没有使用的端口
my_addr.sin_addr.s_addr =  htonl(INADDR_ANY);  // 使用自己的IP地址

• 返回值：错误时返回-1，并且设置全局错误变量errno

4.3 listen() 函数

• 函数声明：int listen(int sockfd, int backlog);

1）sockfd：socket 返回的文件描述符
2）backlog：进入队列中允许的连接数目

PS：进入的连接是在队列中等待直到调用 accept() 接受连接

• 返回值：错误时返回-1，并且设置全局错误变量errno

4.4 accept() 函数

• 函数声明：int accept(int sockfd, void *addr, int *addrlen);

1）sockfd：socket 返回的文件描述符
2）addr：指向保存着请求连接的源 IP 地址和源端口的数据结构 struct sockaddr_in 的指针
3）addrlen：指向值为 sizeof(struct sockaddr) 的局部变量 的指针

PS：通过改变 addrlen 指向的局部变量的值来说明写入到addr的字节数

• 返回值：返回一个新的套接字文件描述符，错误时返回-1，并且设置全局错误变量errno

4.5 recv() 函数

• 函数声明：int recv(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flags);

1）sockfd：要读的套接字描述符(socket() 或 accept() 返回的)
2）buf：指向要读的信息的缓冲的指针
3）len：缓冲的最大长度
4）flags：通常设置为0

• 返回值：返回实际读入缓冲的数据的字节数，错误时返回-1，并且设置全局错误变量errno

4.6 send() 函数

• 函数声明：int send(int sockfd, const void *msg, int len, int flags);

1）sockfd：发送数据的套接字描述符(socket() 或 accept() 返回的)
2）msg：指向发送的数据的指针
3）len：发送的数据的长度
4）flags：通常设置为0

• 返回值：返回实际发送的数据的字节数，可能小于要求发送的数目，错误时返回-1，并且设置全局错误变量errno

4.7 connect() 函数

• 函数声明：int connect(int sockfd, struct sockaddr *serv_addr, int addrlen);

1）sockfd：socket 返回的文件描述符
2）serv_addr：保存着目的端口和 IP 地址的数据结构 struct sockaddr
3）addrlen：设置为 sizeof(struct sockaddr)

PS：无需使用bind()绑定本地端口，内核将自动选择一个合适的端口号

• 返回值：错误时返回-1，并且设置全局错误变量errno

4.8 sento() 函数

• 函数声明：
  int sendto(int sockfd, const void *msg, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *to, int tolen);

1）sockfd：socket() 返回的发送数据的套接字描述符
2）msg：指向发送的数据的指针
3）len：发送的数据的长度
4）flags：通常设置为0
5）to：指向包含了目的 IP 和端口信息的 struct sockaddr 的指针
6）tolen：通常设置为 sizeof(struct sockaddr)

PS：无需使用bind()绑定本地端口，内核将自动选择一个合适的端口号

• 返回值：返回实际发送的数据的字节数，可能小于要求发送的数目，错误时返回-1，并且设置全局错误变量errno

4.9 recvfrom() 函数

• 函数声明：
  *int recvfrom(int sockfd, void *buf, int len, unsigned int flags, struct sockaddr *from, int fromlen);

1）sockfd：socket() 返回的要读的套接字描述符
2）buf：指向要读的信息的缓冲的指针
3）len：缓冲的最大长度
4）flags：通常设置为0
5）from：指向包含源 IP 地址和端口信息的 struct sockaddr 的指针
6）fromlen：指向值为 sizeof(struct sockaddr) 的局部变量的指针

PS：通过改变 fromlen 指向的局部变量的值来说明写入到 from 的字节数

• 返回值：返回实际读入缓冲的数据的字节数，错误时返回-1，并且设置全局错误变量errno

4.10 close() | shutwodn() 函数

• 函数声明：close(sockfd); | int shutdown(int sockfd, int how);

1）sockfd：要关闭的套接字描述符
2）how 的值是下面的其中之一：
   0 – 不允许接受
   1 – 不允许发送
   2 – 不允许发送和接受(和 close() 一样)

PS：
1）close() 防止套接字上更多的数据的读写。任何在另一端读写套接字的企图都将返回错误信息
2）如果在无连接的数据报套接字中使用 shutdown()，只是让 send() 和 recv() 不能使用(数据报
   套接字中使用了 connect 后 是可以使用它们的)

• 返回值：返回实际读入缓冲的数据的字节数，错误时返回-1，并且设置全局错误变量errno

4.11 getpeername() 函数

• 函数声明：int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *addr, int *addrlen);

1）sockfd：连接的流式套接字的描述符
2）addr：指向 struct sockaddr (或 struct sockaddr_in) 的指针，保存连接的另一边的信息
3）addrlen：指向值为 sizeof(struct sockaddr) 的局部变量的指针

PS：通过设置 addr，获得在连接的流式套接字上谁在另外一边

• 返回值：错误时返回 -1，设置相应的 errno

4.12 gethostname() 函数

• 函数声明：int gethostname(char *hostname, size_t size);

1）hostname：字符数组指针，在函数返回时保存主机名
2）size：hostname 数组的字节长度

PS：通过设置 hostname，获得程序所运行的机器的主机名字，然后可以使用 gethostbyname() 
    获得机器的 IP 地址

• 返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1，并设置 errno

五. socket 中 TCP 连接的建立和断开

5.1 三次握手建立连接详解

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

TCP三次握手

• 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。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

5.2 四次握手释放连接详解

• 进程调用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
• 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，发送一个FIN n
• 接收到这个FIN的源发送端TCP对它进行确认

TCP四次挥手