Linux socket 编程入门

Linuxsocket编程入门（一）TCPserver端：1、建模作者：龙飞绝大部分关于socket编程的教程总是从socket的概念开始讲起的。要知道，socket的初衷是个庞大的体系，TCP/IP只是这个庞大体系下一个很小的子集，而我们真正能用上的更是这个子集中的一小部分：运输层（Host-to-HostTransportLayer）的TCP和UDP协议，以及使用这两个协议进行应用层（ApplicationLayer）的开发。即使是socket的核心部分，网络层（InternetLayer）的IP协议，在编程的时候我们也很少会感觉到它的存在——因为已经被封装好了，我们唯一需要做的事情就是传入一个宏。第一节我想介绍的概念就这么多，当然，既然我们已经说了3个层了，我想最好还是把最后一个层也说出来，即所谓链路层（NetworkAccessLayer），它包括了物理硬件和驱动程序。这四个层从底到高的顺序是：链路层－－网络层－－运输层－－应用层。好，说实话我们现在并不清楚所谓TCP到底是什么东东，不过我们知道这东东名气很大。或许你早就知道，另外一个声名狼藉建立在TCP协议基础上的应用程序，它曾经几乎是统治了一个时代，即使是今天，我们依然无法消除他的影响力的——恩，是的，就是telnet。在这个教程中，我使用的环境是DebianGNU/Linux4.0etch。传说中的stable-_-!!!，恩，我是很保守的人。如果你不是自己DIY出来的系统，相信默认安装里面就应该有telnet（/usr/bin/telnet，要是没装就自己aptitudeinstall吧）。telnet可以与所有遵循TCP协议的服务器端进行通讯。通常，socket编程总是Client/Server形式的，因为有了telnet，我们可以先不考虑client的程序，我们先写一个支持TCP协议的server端，然后用telnet作为client验证我们的程序就好了。server端的功能，我们也考虑一种最简单的反馈形式：echo。就如同你在终端输入echo'HelloWorld'，回车后shell就会给你返回HelloWorld一样，我们的第一个TCPserver就用以实现这个功能。什么样的模型适合描述这样的一种server呢？我相信，一个很2的例子会有助于我们记忆TCPserver端的基本流程。想象你自己是个小大佬，坐办公室（什么样的黑社会做办公室啊？可能是讨债公司吧^^）你很土，只有一个小弟帮你接电话（因为你自己的号码是不敢对外公开的）。一次通讯的流程大概应该是这样的：小弟那里的总机电话响了；小弟接起电话；对方说是你女朋友A妹；小弟转达说，“老大，你马子电话”；你说，接过来；小弟把电话接给你；你和你女朋友聊天半小时；挂电话。我们来分析一下整个过程中的元素。先分析成员数据（请注意，这里开始用C++术语了）：你小弟（listenSock），你需要他来监听（listen，这是socket编程中的术语）电话；你自己（communicationSock），实际上打电话进行交流的是你自己；你的电话号码（servAddr），否则你女朋友怎么能找到你？你女朋友的电话号码（clntAddr），这个比喻有点牵强，因为事实上你接起电话，不需要知道对方的号码也可以通话（虽然事实上你应该是知道的，你不会取消了来电显示功能吧^^），但是，难道你是只接女朋友电话从来不打过去的牛人吗？这个过程中的行为（成员函数）：你小弟接电话并转接给你（isAccept()）；你自己的通话（handleEcho()）（这个行为确实比较土，只会乌鸦学舌的echo，呵呵）。简单的说，就是这些了。根据这个模型，我们可以很容易写出实现我们需要的echo功能的TCPserver的类：classTcpServer{private:intlistenSock;intcommunicationSock;sockaddr_inservAddr;sockaddr_inclntAddr;public:TcpServer(intlisten_port);boolisAccept();voidhandleEcho();};这里面有些简写，比如，sock实际上就是socket，addr就是address。serv和clnt我想你一定能猜到是server和client吧。还有一个socket中的结构体sockaddr_in，实际上就是这个意思：socketaddressinternet（网络嵌套字地址），具体解说，请看下回分解。Linuxsocket编程入门（一）TCPserver端：2、socket与文件描述符作者：龙飞UNIX中的一切事物都是文件（everythinginUnixisafile!）当我在这篇教程中提到UNIX的时候，其意思专指符合UNIX标准的所谓“正统”UNIX的衍生系统（其实我就用来带指那些买了最初UNIX源代码的商业系统）操作系统和类似Linux，BSD这些类UNIX系统。如果某些要点是Linux特有的，或者因为本人孤陋寡闻暂时搞不清楚是Linux特有的还是UNIX通用的，我就会指明是Linux，甚至其发行版（我本人在写这篇教程的时候是以DebianGNU/Linux4.0etch为测试平台的）。我们学习UNIX的时候，恐怕听到的第一句话就是这句：UNIX中一切都是文件。这是UNIX的基本理念之一，也是一句很好的概括。比如，很多UNIX老鸟会举出个例子来，“你看，/dev/hdc是个文件，它实际上也是我的光盘……”UNIX中的文件可以是：网络连接（networkconnection），输入输出（FIFO），管道（apipe），终端（terminal），硬盘上的实际文件，或者其它任何东东。文件与文件描述符（file&filedescriptor）你可能对上一章中建模类中的int还记忆犹新。我们用int在描述socket，实际上，所有的文件描述符都是int，没错，用的是一个整数类型。如果你觉得这样让你很难接受，那么恭喜你，你跟我一样，也许是深中C++面向对象思想的毒了^^。因为是int，所以文件描述符不可能是C++概念中的对象，因为int无法发出行为，但是，这并不代表也不能接受一个动作哈。PASCAL之父在批判面向对象思想教条的时候，曾经生动的举了个例子，“在OOP的概念中，绝对不应该接受a+b这种表达的，OOP对这个问题的表达应该是a.add(b)”。fd（filedescriptor）可以作为接受动作的对象，但是本身却无法发出动作，这就如同一个只能做宾语不能做主语的名词，是个不完整的对象。但是，请别忘了Linux和socket本身是C语言的产物，我们必须接受在面向过程时代下的产物，正视历史——当然，这与我们自己再进行OOP的封装并不矛盾。我们应该记住3个已经打开的fd，0：标准输入（STDIN_FILENO）；1：标准输出（STDOUT_FILENO）；2：标准错误（STDERR_FILENO）。（以上宏定义在unistd.h中）一个最简单的使用fd的例子，就是使用unistd.h中的函数：write(1,Hello,World!\n,20);，在标准输出上显示“Hello,World!”。另外一个需要注意的问题是，file和fd并非一定是一一对应的。当一个file被多个程序调用的时候，会生成相互独立的fd。这个概念可以类比于C++中的引用（eg:int&rTmp=tmp;）。socket与filedescriptor文件是应用程序与系统（包括特定硬件设备）之间的桥梁，而文件描述符就是应用程序使用这个“桥梁”的接口。在需要的时候，应用程序会向系统申请一个文件，然后将文件的描述符返回供程序使用。返回socket的文件通常被创建在/tmp或者/usr/tmp中。我们实际上不用关心这些文件，仅仅能够利用返回的socket描述符就可以了。好了，说了这么多，实际上就解释了一个问题，“为什么socket的类型是int？”-_-!!!Linuxsocket编程入门（一）TCPserver端：3、sockaddr与sockaddr_in作者：龙飞收件人地址一家化妆品公司将一批新产品的样品，准备发给某学校某个班的女生们免费试用。通常情况下，这件邮包的地址上可以这么写：收件人：全体女生。地址：A省B市C学校，X级Y班。但是，如果在描述地址的时候这样写呢：收件人：全体女生。地址：请打电话xxxxxxxx，找他们学校一个叫Lucy的女生，然后把东西送到她的班上。这种文字是相当的诡异啊-_-!!!，但是并不等于就没有表述清楚邮包的去向和地址。事实上邮局看到这样的地址一定会发飙的，然而对于电脑，如果你的地址描述形式是他可以接受和执行的，他就会老老实实的按你的要求去做……所以，如何描述地址不是问题的关键，关键在于这样的表述是不是能够表述清楚一个地址。一种更加通用的表达形式可能是这样的：收件人：全体女生。地址：一种地址描述方式事实上，在socket的通用address描述结构sockaddr中正是用这样的方式来进行地址描述的：structsockaddr{unsignedshortsa_family;charsa_data[14];};这是一个16字节大小的结构（2+14），sa_family可以认为是socketaddressfamily的缩写，也可能被简写成AF（AddressFamily），他就好像我们例子中那个“收件人：全体女生”一样，虽然事实上有很多AF的种类，但是我们这个教程中只用得上大名鼎鼎的internet家族AF_INET。另外的14字节是用来描述地址的。这是一种通用结构，事实上，当我们指定sa_family=AF_INET之后，sa_data的形式也就被固定了下来：最前端的2字节用于记录16位的端口，紧接着的4字节用于记录32位的IP地址，最后的8字节清空为零。这就是我们实际在构造sockaddr时候用到的结构sockaddr_in（意指socketaddressinternet）：structsockaddr_in{unsignedshortsin_family;unsignedshortsin_port;structin_addrsin_addr;charsin_zero[8];};我想，sin_的意思，就是socket(address)internet吧，只不过把address省略掉了。sin_addr被定义成了一个结构，这个结构实际上就是：structin_addr{unsignedlongs_addr;};in_addr显然是internetaddress了，s_addr是什么意思呢？说实话我没猜出值得肯定的答案，也许就是socketaddress的意思吧，尽管跟更广义的sockaddr结构意思有所重复了。哎，这些都是历史原因，也许我是没有精力去考究了。sockaddr和sockaddr_in在Linux中的实现你可能还记得我之前说过，UNIX和Linux上的socket实现都是从BSD的socket实现演变过来的。事实上，socket这个词本来的意思，就是BerkeleySocketinterface的简单说法。Linux上的socket与原本的socket的应该是完全兼容的，不过发展到今天，在代码实现上可能有些小的差别。我们就吹毛求疵的来看看这些区别在什么地方。#includebits/socket.h/*Structuredescribingagenericsocketaddress.*/structsockaddr{__SOCKADDR_COMMON(sa_);/*Commondata:addressfamilyandlength.*/charsa_data[14];/*Addressdata.*/};//==============/*POSIX.1gspecifiesthistypenameforthe`sa_family'member.*/typedefunsigneds