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Linux Socket

Linux_socket_编程入门.pdf 259KB

Linux_socket_编程入门.doc 89KB

Linux

Linux socket

socket

socket 编程入门（一） TCP

TCP

TCP server

server

server 端： 1

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， socke t

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-Host Transport Layer ）的 TCP 和 UDP 协议

，

以及使用这两个协议进行应用层（ Application Layer ）的开发。即使是 socket 的核心部分，

网络层（ Internet Layer ）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（ Network

Access Layer ），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 Debian GNU/Linux 4.0 etch 。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 tel

net （ /usr/bin/telnet ，要是没装就自己 aptitude install 吧）。 telnet 可以与所有遵循 TC P

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 ech

o 'Hello World' ，回车后 shell 就会给你返回 Hello World 一样，我们的第一个 TCP serve r

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 TCP server 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 TCP server 的类：

class TcpServer

{

private :

int listenSock;

int communicationSock;

sockaddr_in servAddr;

sockaddr_in clntAddr;

public :

TcpServer( int listen_port);

bool isAccept();

void handleEcho();

};

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： socket address internet （网络嵌套字地址），具体解说，请看下回分解。

Linux

Linux socket

socket

socket 编程入门（一） TCP

TCP

TCP server

server

server 端： 2

2 、 socket

socket

socket 与文件描述符

作者：龙飞

UNIX 中的一切事物都是文件（

everything

in Unix is a file! ）

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 Debian GNU/Linux 4.0 etch 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（ network

connection ），输入输出（ FIFO ），管道（ a pipe ），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 & file descriptor ）

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 （ file

descriptor ）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 f d 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 file descriptor

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 ？ ” -_-!!!

Linux

Linux socket

socket

socket 编程入门（一） TCP

TCP

TCP server

server

server 端： 3

3 、 sockaddr

sockaddr

sockaddr 与 sockaddr_i

sockaddr_i

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：

struct sockaddr

{

unsigned short sa_family;

char sa_data[14];

};

这是一个 16 字节大小的结构（ 2+14 ）， sa_family 可以认为是 socket address family 的

缩写，也可能被简写成 AF （ Address Family ），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 A

F_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_fa

mily=AF_INET

之后，

sa_data

的形式也就被固定了下来：最前端的

字节用于记录

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 socket address internet ）：

struct sockaddr_in

{

unsigned short sin_family;

unsigned short sin_port;

struct in_addr sin_addr;

char sin_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：

struct in_addr

{

unsigned long s_addr;

};

in_addr 显然是 internet address 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 socket address 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

Berkeley Socket interface

的简

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