Linux C 网络编程
功能
前面我们学习了系统编程，通过管道等我们可以将一个系统中的资源和信息调用起来，但这是远远不够的，我们还可以通过网络编程和其他的的系统来交互信息。
为了相互通信，国际制定了TCP/IP协议，通过IP地址和端口好进行通信。每一部设备都有自己的IP地址。
其实网络编程就是将一个数据包发送出去的过程，如何理解这个过程我推荐下面这篇博客，用通俗的语言简单讲解了一下，让你先有一个概念。
一台计算机是如何把数据发送给另一台计算机的
套接字
套接字地址结构
#include <socket.h>
struct sockaddr{
//该结构体一般不用
unsigned short sa_family; //地址类型
char sa_data[14] //14字节的协议地址
};
其中，成员sa_ family 表示套接字的协议族类型，对应于TCP/IP协议该值为AF INET;成员sa _data存储具体的协议地址。sa data 之所以被定义成14个字节，因为有的协议族使用较长的地址格式。一般在编程中并不对该结构体进行操作，而是使用另一个 与它等价的数据结构:
struct sockaddr_in{
unsigned short sin_family; //地址类型
unsigned short sin_port; //端口号
struct in_addr sin_addr; //IP地址
unsigned char sin_zero[8]; //填充字节，一般为0
};
其中，成员sin_family表示地址类型，对于使用TCP/IP协议进行的网络编程,该值只能是AF_INET。sin_port是端口号，sin_addr 用来存储32位的IP地址，数组sin_zero为填充字段，一般赋值为 0。
sockaddr_in信息设置例子：
struct sockaddr_in sock;
sock.sin_family = AF_INET;
sock.sin_port = htons(80); //设置端口号80
sock.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1") //设置地址
memset（sock.sin_zero,0,sizeof(sock.sin_zero)); //将数组sin_zero清0
套接字的创建
socket函数用来创建一个套接字， 函数原型为：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
参数domain用于指定套接字所使用的协议族，定义在linux/socket.h中定义。常用的协议族如下：
- AF_UNIX：创建只在本机内进行通信的套接字。
- AF_INET：使用IPv4 TCP/IP协议。
- AF_INET6：使用IPv6 TCP/IP协议。
参数type指定套接字的类型，可以取如下值。 - SOCK_STREAM：创建TCP流套接字。
- SOCK_DGRAM：创建UDP数据报套接字。
- SOCK_RAW：创建原始套接字。
参数protocol通常设置为0,表示通过参数domain指定的协议族和参数type指定的套接字类型来确定使用的协议。
创建成功后返回一个新创建的套接字；若有错误返回-1,错误代码存入errno中。
建立联系
函数connect用来在一个指定的套接字上创建一个连接，函数原型为：
#include <sys.types.h>
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
参数sockfd是一个由函数socket创建的套接字。如果该套接字的类型SOCK_STREAM, 则connect函数用于向服务器发出连接请求，服务器的IP地址和端口号由参数serv_addr 指定。如果套接字的类型是SOCK_DGRAM,则conneet函数并不建立真正的连接，它只是告诉内核与该套接字进行通信的目的地址(由第二个参数指定)，只有该目的地址发来的数据才会被该socket接收。对于SOCK DGRAM类型的套接字，调用connect函数的好处是不必在每次发送和接收数据时都指定目的地址。
通常一个面向连接的套接字(如TCP套接字)只能调用- -次connect函数。而对于无连接的套接字(如UDP套接字)则可以多次调用connect函数以改变与目的地址的绑定。将参数serv_ addr中的sa_ family 设置为AF UNSPEC可以取消绑定。
addrlen为参数serv. addr的长度。
执行成功返回0,有错误发生则返回-1,错误代码存入errmo 中。
绑定套接字
函数bind用来将一个套接字和某个端口绑定在一起，函数原型为：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, socklen_t addrlen);
socket函数只是创建一个套接字，这个套接字将工作在那个端口上，程序并没有指定。前面提到，在客户机服务器模型中，服务器端的IP地址和端口号一般是固定的，因此在服务器端的程序中，使用bind函数将一个套接字和某个端口绑定在一起。该函数一般只有服务器端的程序调用。参数my_addr 指定了sockfd将绑定到的本地地址，可以将参数my_addr 的sin_addr设置为INADDR_ANY而不是某个确定的IP地址就可以绑定到任何网络接口。对于只有一个IP地址的计算机，INADDR_ANY对应的就是它的IP地址：对于多宿主主机(拥有多块网卡), INADDR ANY表示本服务器程序将处理来自所有网络接口上相应端口的连接请求。
函数执行成功返回0,当有错误发生时则返回-1,错误代码存入errmo中。
在套接字上监听
函数listen把套接字转换为被动监听， 函数原型为：
#include <sys/socket.h>
int listen(int s, int backlog);
由函数socket创建的套接字是主动套接字，这种套接字可以用来主动请求连接到某个服务器(通过函数conet)但是作为服务器端的程序，通常在某个端口上监听等待来自客户端的连接请求。在服务器端，般是先调用函数 socket创建一个主动套接字， 然后调用函数bind将该套接字绑定到某个端口上，接着再调用函数listen将该套接字转化为监听套接字，等待来自于客户端的连接请求。一般多 个客户端连接到一个服务器， 服务器向这些客户端提供某种服务。服务器端设置一个连接队列，记录已经建立的连接，参数backlog指定了该连接队列的最大长度。如果连接队列已经达到最大，之后的连接请求将被服务器拒绝。
执行成功返回0,当有错误发生时则返回-1,错误代码存入ermo中。
注意：函数listen只是将套接字设置为监听模式以等待连接请求，它并不能接收连接请求，真正接收客户端连接请求的是后面介绍的accept函数。
接受连接
函数accept用来接受一个连接，函数原型为：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int accept(int s, strcut sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
参数s是由函数socket创建，经函数bind绑定到本地某一端口上，然后通过函数listen转化而来的监听套接字。
- 参数 addr用来保存发起连接请求的主机的地址和端口。
- 参数addrlen是addr所指向的结构体的大小。
执行成功返回一个新的代表客户端的套接字，出错则返回-1,错误代码存入errno 中。只能对面向连接的套接字使用accept函数。accept 执行成功时，将创建-一个新的套接字， 并且为这个新的套接字分配-一个套接字描述符，并返回这个新的套接字描述符。这个新的套接字描述符与打开文件时返回的文件描述符类似，进程可以利用这个新的套接字描述符与客户端交换数据，参数s所指定的套接字继续等待客户端的连接请求。
如果参数s所指定的套接字被设置为阳塞方式(Linux下的默认方式)，且连接请求队列为空，则acept0将被阻塞直到有连接请求到达为止;如果参数s所指定的套接字被设置为非阳塞方式，则如果队列为空，accept 将立即返回-1, ernno 被设置为EAGAIN。
TCP套接字的数据传输
发送数据
发送数据可以使用send函数（write函数也可以发送数据），函数原型为：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int s, const void *msg, size_t len, int flags);
函数send只能对处于连接状态的套接字使用。参数s为已建好的套接字描述符，即accept函数的返回值。参msg指向存放待发送数据的缓冲区，参数len为待发送数据的长度。
参数flags为控制选项，一般设置为0或以下值：
- MSG_OOB：在指定的套接字上发送带外数据，该类型的套接字必须支持带外数据。
- MSG_DONTROUTE：通过最直接的路径发送数据，而忽略下层协议的路由设置。
如果要发送的数据太长而不能发送就会出现错误，errno设置为EMSGSIZE；如果要发送的数据长度大于该套接字的缓冲区剩余空间大小时，send()一般会被阻塞，如果设置的非阻塞方式，则此时立即返回-1,并将errno设为EAGAIN。
函数执行成功返回实际发送字节数，出错则返回-1,错误代码存入errno。
注意：执行成功只说明数据写入套接字的缓冲区中，并不代表数据已经成功的通过网络发送到目的地。
接受数据
函数recv用来在TCP套接字上接收数据（read函数也可以接收数据），函数原型为：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int s, void *buf, size_t len, int flags);
函数recv从参数s所指定的套接字描述符上接收数据并保存到参数buf所指定的缓冲区中，参数len为缓冲区长度。
参数flags为控制选项，一般设置为0或以下值：
- MSG_OOB ：请求接收带外数据；
- MSG_PEEK：只查看数据而不读出；
- MSG_WAITALL：只在接收缓冲区满时才返回；
如果一个数据包太长以至于缓冲不能完全放下时，剩余部分的数据将可能被丢弃。如果指定套接字上无数据到达时，recv()将被阻塞，如果该套接字被设置为非阻塞方式，则立即返回-并将errno设置为EAGAIN。函数recv接收到数据就返回了，并不会等待接收到参数len指定的长度数据才返回。
执行成功返回接收的字节数，出错返回-1,错误代码存入errno。
关闭套接字
函数close
函数close用来关闭一个套接字描述符，它与关闭文件描述符类似。函数原型为：
#include <unistd.h>
int close(int fd);
参数fd为一个套接字描述符。该函数关闭一个套接字
执行成功返回0，出错则返回-1,错误代码存入errno中。
函数shutdown
函数shutdown也用于关闭一个套接字描述符，函数原型为：
#include <sys/socket.h>
int shutdown(int s, int how);
函数shutdowm功能与函数close类似，但是shutdown()功能更加强大，可以对套接字的关闭进行一些更细致的控制，它允许对套接字进行单向关闭或全面禁止。参数s为待关闭套接字的描述符参数how指定了关闭的方式，具体取值如下。
- SHUT_RD：将连接上的读通道关闭，此后进程将不能再接收任何数据，接收缓冲区中还未被读取的数据也将被丢失，但仍然可以在套接字上发送数据。
- SHUT_WR：将连接上的写通道关闭，此后进程将不能再发送任何数据，发送缓冲区中还为被发送的数据也将被丢弃，但仍然可以在该套接字上接收数据。
- SHUT_RFWR：将读写通道都将被关闭。
执行成功后返回0, 出错则返回-1,错误码存入errno中。
简单应用
文件 my_client.c my_recv.c my_server.c my_recv.h四个文件
文件my_client.c：
/******************************************************
* 先运行my_server.c服务器程序，等待client发送请求
* 再运行my_client.c客户端程序
* 本机地址127.0.0.1
* 本机IP地址192.168.**.***
* ***************************************************/
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "my_recv.h"
#define INVALID_USERINFO 'n' //用户信息无效
#define VALID_USERINFO 'y' //用户信息有效
//获取用户输入存入到buf，buf的长度为len，用户输入数据以'\n'为结束标志
int get_userinfo(char *buf, int len)
{
int i;
int c;
if(buf == NULL)
{
return -1;
}
i = 0;
while(((c = getchar()) != '\n') && (c != EOF) && (i < len-2))
{
buf[i++] = c;
}
buf[i++] = '\n';
buf[i++] = '\0';
return 0;
}
//输入用户名，然后通过fd发送出去
void input_userinfo(int conn_fd, const char *string)
{
char input_buf[32];
char recv_buf[BUFSIZE];
int flag_userinfo;
//输入用户信息直到正确为止
do{
printf("%s:",string);
if(get_userinfo(input_buf, 32) < 0)
{
printf("error return from get_userinfo\n");
exit(1);
}
if(send(conn_fd, input_buf, strlen(input_buf), 0) < 0) //向服务器端发送信息
{
my_err("send", __LINE__);
}
//从连接套接字上读取一次数据
if(my_recv(conn_fd, recv_buf, sizeof(recv_buf)) < 0) //读取服务器端发来的信息
{
printf("date is too long\n");
exit(1);
}
if(recv_buf[0] == VALID_USERINFO)
{
flag_userinfo = VALID_USERINFO;
}
else
{
printf("%s error, input again,",string);
flag_userinfo = INVALID_USERINFO;
}
}while(flag_userinfo == INVALID_USERINFO);
}
int main(int argc, char **argv)
{
int i;
int ret;
int conn_fd;
int serv_port;
struct sockaddr_in serv_addr;
char recv_buf[BUFSIZ];
//检查参数个数
if(argc != 5)
{
printf("Usage: [-p] [serv_port] [-a] [serv_address]\n");
exit(1);
}
//初始化服务器端地址结构
memset(&serv_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
//从命令行获取服务器端的端口与地址
for ( i = 0; i < argc; i++)
{
if(strcmp("-p", argv[i]) == 0)
{
serv_port = atoi(argv[i+1]);
if(serv_port < 0 || serv_port > 65535)
{
printf("invalid serv_addr.sin_port\n");
exit(1);
}
else
{
serv_addr.sin_port = htons(serv_port);
}
continue;
}
if(strcmp("-a", argv[i]) == 0)
{
if(inet_aton(argv[i+1], &serv_addr.sin_addr) == 0)
{
printf("invalid server ip address\n");
exit(1);
}
continue;
}
}
//检测是否少输入了某项参数
if(serv_addr.sin_port == 0 || serv_addr.sin_addr.s_addr == 0)
{
printf("Usage: [-p] [serv_addr.sin_port] [-a][serv_address]\n");
exit(1);
}
//创建一个TCP套接字
conn_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(conn_fd < 0)
{
my_err("socket", __LINE__);
}
//向服务器端发送连接请求
if(connect(conn_fd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0)
{
my_err("connect", __LINE__);
}
//输入用户名和密码
input_userinfo(conn_fd,"username");
input_userinfo(conn_fd, "password");
//读取欢迎信息并打印出来
if((ret = my_recv(conn_fd, recv_buf, sizeof(recv_buf))) < 0)
{
printf("date is too long\n");
exit(1);
}
for(i = 0; i< ret; i++)
{
printf("%c",recv_buf[i]);
}
printf("\n");
close(conn_fd);
return 0;
}
文件my_recv.c
/*********************************
* 该程序中的函数在库my_recv.h中
* ******************************/
#define MY_RECV_C
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include "my_recv.h"
#define BUFSIZE 1024
//自定义的错误处理函数
void my_err(const char *err_string, int line)
{
fprintf(stderr, "line:%d", line);
perror(err_string);
exit(1);
}
/*********************************
* 从套接字上读取一次数据（以\n结束）
* 从conn_fd连接套接字上接收数据
* 读取到的数据保存到date_buf缓冲中
* len为date_buf所指的空间长度
* 错误返回-1,服务器已关闭连接返回0,成功返回读取的字节数
* *****************************/
int my_recv(int conn_fd, char *date_buf, int len)
{
static char recv_buf[BUFSIZE]; //自定义缓冲区，//BUFSIZE定义在my_recv.h中
static char *pread; //指向下一次读取数据位置
static int len_remain = 0; //自定义缓冲区中剩余字节数
int i;
//如果缓冲区没有数据，则从套接字读取数据
if(len_remain <= 0)
{
if((len_remain = recv(conn_fd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0)) < 0)
{
my_err("recv", __LINE__);
}
else if(len_remain == 0) //目的计算机端的socket关闭
{
return 0;
}
pread = recv_buf; //重新初始化pread指针
}
//从自定义缓冲区读取一次数据
for(i = 0; *pread != '\n'; i++)
{
if(i > len) //防止指针越界
{
return -1;
}
date_buf[i] = *pread++;
len_remain--;
}
//去除结束标志
len_remain--;
pread++;
return i; //读取成功
}
文件my_recv.h
#ifndef __MY_RECV_H
#define __MY_RECV_H
#define BUFSIZE 1024
void my_err(const char *err_string,int line);
int my_recv(int conn_fd, char *date_buf, int line);
#endif
文件my_server.c
/******************************************************
* 先运行my_server.c服务器程序，等待client发送请求
* 再运行my_client.c客户端程序
* 本机地址127.0.0.1
* 本机IP地址192.168.**.***
* ***************************************************/
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include "my_recv.h"
#define SERV_PORT 4507 //服务器端口
#define LISTENQ 12 //连接请求队列的最大长度
#define INVALID_USERINFO 'n' //用户信息无效
#define VALID_USERINFO 'y' //用户信息有效
#define USERNAME 0 //接收到的是用户名
#define PASSWORD 1 //接收到的是密码
struct userinfo{
//保存用户名和密码的结构体
char username[32];
char password[32];
};
struct userinfo users[] = {
{
"linux","unix"},
{
"4507","4508"},
{
"clh","clh"},
{
"xl","xl"},
{
" "," "} //以只含一个空格的字符串作为数组的结束标志
};
//查找用户名是否存在
int find_name(const char *name)
{
int i;
if(name == NULL)
{
printf("in find_name, NULL pointer");
return -2;
}
for(i = 0; users[i].username[0] != ' '; i++)
{
if(strcmp(users[i].username, name) == 0)
{
return i;
}
}
return -1;
}
//发送数据
void send_date(int con_fd, const char *string)
{
if(send(con_fd, string, strlen(string), 0) < 0)
{
my_err("send", __LINE__);
}
}
int main()
{
int sock_fd, conn_fd;
int optval;
int flag_recv = USERNAME;
int ret;
int name_num;
pid_t pid;
socklen_t cli_len;
struct sockaddr_in cli_addr,serv_addr;
char recv_buf[128];
//创建一个TCP套接字
sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sock_fd < 0)
{
my_err("socket", __LINE__);
}
//设置该套接字使之可以重新绑定端口
optval = 1;
if(setsockopt(sock_fd,SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,(void *)&optval,sizeof(int)) < 0)
{
my_err("setsockopt", __LINE__);
}
//初始化服务器端地址结构
memset(&serv_addr,0,sizeof(struct sockaddr_in));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
serv_addr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
//将套接字绑定到本地端口
if(bind(sock_fd,(struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(struct sockaddr_in)) < 0)
{
my_err("bind", __LINE__);
}
//把套接字转化为监听套接字
if(listen(sock_fd, LISTENQ) < 0)
{
my_err("listen", __LINE__);
}
cli_len = sizeof(struct sockaddr_in);
while(1)
{
//通过accept接收客户端的连接请求，并返回连接套接字用于收发数据
conn_fd = accept(sock_fd,(struct sockaddr *)&cli_addr,&cli_len);
if(conn_fd < 0)
{
my_err("accept", __LINE__);
}
printf("accept a new client, ip: %d\n",inet_ntoa(cli_addr.sin_addr));
//创建一个子进程处理刚刚接收的连接请求
if((pid = fork()) == 0)
{
while(1)
{
//接收数据到buf
if((ret = recv(conn_fd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0)) < 0)
{
perror("recv");
exit(1);
}
recv_buf[ret-1] = '\0'; //将数据结束标志'\n'替换成字符串结束符
if(flag_recv == USERNAME)
{
name_num = find_name(recv_buf);
switch(name_num)
{
case -1:
send_date(conn_fd, "n\n"); //无效
break;
case -2:
exit(1);
break;
default:
send_date(conn_fd, "y\n"); //有效
flag_recv = PASSWORD;
break;
}
}
else if(flag_recv == PASSWORD)
{
if(strcmp(users[name_num].password, recv_buf) == 0)
{
send_date(conn_fd, "y\n");
send_date(conn_fd, "Welcome login my tcp server\n");
printf("%s login\n", users[name_num].username);
break;
}
else
{
send_date(conn_fd, "n\n"); //无效
}
}
}
close(sock_fd);
close(conn_fd);
exit(0); //结束子进程
}
else
{
//父进程关闭刚刚接收到的请求，执行accept等待其他连接请求
close(conn_fd);
}
}
return 0;
}
运行结果：
服务器：
gcc my_server.c my_recv.c
./a.out
客户端：
gcc my_client.c my_recv.c
./a.out -p 4507 -a 127.0.0.1
数据：
| username | password |
|---|---|
| linux | unix |
| 4507 | 4508 |
| clh | clh |