【Linux网络（一）】Socket编程

文章目录

[1. 预备知识](#1. 预备知识)
- [1.1 认识端口号](#1.1 认识端口号)
- [1.2 初识TCP协议](#1.2 初识TCP协议)
- [1.3 初识UDP协议](#1.3 初识UDP协议)
- [1.4 网络字节序](#1.4 网络字节序)
- [1.5 socket编程接口](#1.5 socket编程接口)
- - [1.5.1 套接字编程的种类](#1.5.1 套接字编程的种类)
  - [1.5.2 sockaddr结构体](#1.5.2 sockaddr结构体)
  - [1.5.3 socket 常见API](#1.5.3 socket 常见API)
  - [1.5.4 地址转换函数](#1.5.4 地址转换函数)
[2. 编写UDP服务器与客户端](#2. 编写UDP服务器与客户端)
- [2.1 UDP服务器的创建](#2.1 UDP服务器的创建)
- [2.2 UDP服务器接收/发送数据](#2.2 UDP服务器接收/发送数据)
- [2.3 补充知识](#2.3 补充知识)
- - [2.3.1 查看网络状态](#2.3.1 查看网络状态)
  - [2.3.2 IP地址的绑定](#2.3.2 IP地址的绑定)
  - [2.3.3 关于端口号的绑定](#2.3.3 关于端口号的绑定)
- [2.4 UDP客户端的创建](#2.4 UDP客户端的创建)
- [2.5 UDP客户端接收/发送数据](#2.5 UDP客户端接收/发送数据)
[3. 编写TCP服务器与客户端](#3. 编写TCP服务器与客户端)
- [3.1 TCP socket API详解](#3.1 TCP socket API详解)
- [3.2 简单的TCP echo客户端](#3.2 简单的TCP echo客户端)
- [3.3 TCP服务器](#3.3 TCP服务器)
- - [3.3.1 单进程版的TCP echo服务器](#3.3.1 单进程版的TCP echo服务器)
  - [3.3.2 多进程版的TCP echo服务器](#3.3.2 多进程版的TCP echo服务器)
  - [3.3.3 多线程版的TCP echo服务器](#3.3.3 多线程版的TCP echo服务器)
  - [3.3.4 线程池版的TCP echo服务器](#3.3.4 线程池版的TCP echo服务器)
[4. 守护进程化](#4. 守护进程化)
- [4.1 前台进程和后台进程](#4.1 前台进程和后台进程)
- [4.2 使用方法](#4.2 使用方法)
- [4.3 进程组](#4.3 进程组)
- [4.4 守护进程](#4.4 守护进程)

1. 预备知识

1.1 认识端口号

1、在进行网络通信的时候，是不是两台机器的通信呢？

网络协议中(四层模型)的下三层，主要解决数据安全可靠的送到远端机器。

用户使用应用层软件，完成数据的发送和接受。首先用户要将这个软件启动(进程的启动)，实际上网络通信的本质就是进程间的通信。

2、我怎么知道底层的报文向上交付要交给哪个应用程序？---通过端口号(port)。

下面介绍端口号相关的内容：

端口号是一个2字节16位的整数;

端口号用来唯一标识一个网络应用层的进程, 告诉操作系统, 当前的这个数据要交给哪一个进程来处理;

IP地址 + 端口号能够标识网络上的某一台主机的某一个进程;
○ 在公网上，因为IP地址能标识唯一的一台主机，而端口号port能标识主机上唯一的一个进程，所以 IP : Port 用于标识全网唯一的一台主机的唯一的一个进程。
○ 客户端和服务器均采用这种标识方式来标识它们在全网中唯一的主机的唯一的进程。
○ 我们把这种基于 IP地址 + 端口号 的通信方式叫socket 。
○ 一个端口号只能被一个进程占用。

3、在系统当中，我们学过一个概念，叫进程pid ，表示唯一一个进程; 此处我们的端口号也是唯一表示一个进程. 那么这两者之间是怎样的关系?

不是所有的进程都要网络通信，但是所有的进程都要pid

首先进程pid可以标识进程的唯一性，但我们并不这么做，其目的是让系统和网络功能的做解耦，给网络单独设计一套标识进程唯一性的属性。

4、一个进程可以绑定多个端口号吗？一个端口号可以被多个进程绑定吗？如何理解？

一个进程确实可以绑定多个端口号，这在网络编程中很常见，用于处理不同类型的网络请求。例如，Web服务器可以同时监听HTTP和HTTPS端口。

然而，一个端口号在同一时间内只能被一个进程绑定，这是为了确保网络通信的准确性和稳定性。如果允许多个进程绑定到同一端口号，操作系统将无法正确地将网络请求路由到相应的进程，导致通信混乱和错误。因此，端口号在网络通信中扮演着至关重要的角色，作为服务或进程的唯一标识符。

1.2 初识TCP协议

此处我们先对TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)有一个直观的认识; 后面我们再详细讨论TCP的一些细节问题。

TCP的特性如下：

传输层协议

面向连接

可靠传输

面向字节流

TCP的应用场景主要包括：

复制代码

网页浏览：HTTP协议使用TCP来传输网页内容，保证数据的可靠性和顺序性。‌
文件传输：FTP协议使用TCP来传输文件，确保文件的完整性和正确性。
电子邮件：SMTP和POP3等协议使用TCP来传输邮件。‌
远程登录：Telnet协议使用TCP进行远程登录。

1.3 初识UDP协议

UDP(User Datagram Protocol 用户数据报协议)。特性如下：

传输层协议

无连接

不可靠传输

面向数据报

UDP的应用场景主要包括：

复制代码

实时视频流和音频流传输：由于UDP的低延迟，它常用于视频流和音频流的实时传输，如在线直播、视频会议等。‌
网络游戏：UDP的快速传输和低延迟使其成为在线游戏中常用的协议，可以实现实时的游戏数据传输。
域名系统（DNS）：UDP广泛用于域名系统中，用于域名解析和查询。

1.4 网络字节序

我们已经知道，内存中 的多字节数据相对于内存地址有 大端 和 小端 之分，磁盘文件中 的多字节数据相对于文件中的偏移地址也有大端小端之分，网络数据流 同样有大端小端之分。如果两端主机的数据存储方式不一致，进行网络通信时如果不加以统一，接收方收到的数据将会是错误的信息。那么应该如何定义网络数据流的地址呢?

发送主机 通常将发送缓冲区中的数据按内存地址从低到高的顺序发出;

接收主机 把从网络上接到的字节依次保存在接收缓冲区中,也是按内存地址从低到高的顺序保存;

因此，网络数据流的地址应这样规定：先发出的数据是低地址，后发出的数据是高地址.

TCP/IP协议规定，网络数据流应采用大端字节序，即低地址高字节.

不管这台主机是大端机还是小端机, 都会按照这个TCP/IP规定的网络字节序来发送/接收数据;

如果当前发送主机是小端, 就需要先将数据转成大端; 否则就忽略, 直接发送即可;

如图高权值位放低地址是大端；低权值位放低地址是小端（简记"小小小"） 。

可以调用以下接口做网络字节序 和主机字节序的转换：

cpp 复制代码

#include <arpa/inet.h>

  uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

  uint16_t htons(uint16_t hostshort);

  uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

  uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

记忆方式：h表示host，n表示network，l表示32位长整数，s表示16位短整数。

例如htonl表示将32位的长整数从主机字节序转换为网络字节序；

如果主机是小端字节序，这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回；

如果主机是大端字节序，这些函数不做转换，将参数原封不动地返回。

1.5 socket编程接口

1.5.1 套接字编程的种类

种类	功能
域间套接字编程	用于本地通信，同一台机器内的多进程通信，域间套接字是网络套接字的子集
原始套接字编程	绕过网络层，直接访问底层，常用于编写网络工具，比如网络抓包，检测计算机是否连通
网络套接字编程	用于用户间的网络通信

由于网络通信有不同的场景，所以就有3种不同的套接字种类，所以理论上有3种套接字就需要3套接口。

但是网络设计者想将网络接口统一抽象化。网络接口统一抽象化就要求参数类型是统一的，socket网络编程当中参数统一使用struct sockaddr, 函数内部会对这个结构体的前两个字节做判断：如果前两个字节的地址类型是AF_INET(如address->type = AF_INET)就使用网络套接字；如果前两个字节的地址类型是AF_UNIX就使用域间套接字。

1.5.2 sockaddr结构体

socket API是一层抽象的网络编程接口，适用于各种底层网络协议，如IPv4、IPv6，以及后面要讲的UNIX Domain Socket。然而，各种网络协议的地址格式并不相同

IPv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中，IPv4地址用sockaddr_in结构体表示，包括16位地址类型，16 位端口号和32位IP地址；
IPv4、IPv6地址类型分别定义为常数AF_INET、AF_INET6。这样，只要取得某种sockaddr结构体的首地址，不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体，就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容；
socket API可以都用struct sockaddr *类型表示，在使用的时候需要强制转化成sockaddr_in；这样的好处是程序的通用性，可以接收IPv4、IPv6，以及UNIX Domain Socket各种类型的sockaddr结构体指针做为参数（这种传入不同的数据类型能得到不同的网络地址格式的特性就是多态的特性）。

1.5.3 socket 常见API

cpp 复制代码

// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器) 
int socket(int domain, int type, int protocol); 

// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器) 
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len); 

// 开始监听socket (TCP, 服务器) 
int listen(int socket, int backlog); 

// 接收请求 (TCP, 服务器) 
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len); 

// 建立连接 (TCP, 客户端) 
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

1.5.4 地址转换函数

sockaddr_in中的成员struct in_addr sin_addr表示32位的 IP 地址，用户层通常用点分十进制的字符串表示 IP 地址，以下接口可以用于字符串和 in_addr 之间的相互转换。
字符串转in_addr的函数：

in_addr转字符串的函数：

2. 编写UDP服务器与客户端

2.1 UDP服务器的创建

Step1：创建UDP socket

cpp 复制代码

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
	
	// 创建套接字，创建用于通信的端点并返回描述符。
	int socket(int domain, int type, int protocol);
	// 参数：
	// domain：指定通信域，一般填写如下：
	// AF_UNIX, AF_LOCAL   Local communication       
	// AF_INET             IPv4 Internet protocols 
	// AF_INET6            IPv6 Internet protocols
	// type：socket数据类型->面向数据流SOCK_STREAM ->面向数据报 SOCK_DGRAM
	// protocol：该协议指定套接字使用的特定协议。通常protocol指定为0。
	// 返回值：On success, a file descriptor for the new socket is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

填写后：

cpp 复制代码

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(sockfd < 0) {
	perror("socket");
	return;
}

Step2：绑定bind socket

cpp 复制代码

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

绑定之前我们要创建 sockaddr_in 结构体

cpp 复制代码

#include <netinet/in.h>
#include <strings.h>
struct sockaddr_in local;
bzero(&local, sizeof(local)); // 将一块内存空间清0
local.sin_family = AF_INET; 					// 指定通信域
local.sin_port = htons(_port); 					// 设置端口号
local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str()); // 设置IP地址
// sin_family, sin_port, sin_addr这三项和结构体前三个字段是一一对应的

关于sockaddr_in结构体内部的成员构成：
主机字节序转网络字节序：

主机发送数据给客户端或者服务器都是要连同自己的IP地址 和端口号 一起发送过去的，因为是网络通信，发送的数据势必要经过网络，因此IP地址和端口号是需要在网络上来回发送的，一定要保证是网络字节序才能确保对方准确的收到数据。

端口号的主机字节序转网络字节序API：

cpp 复制代码

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

IP地址 的主机字节序转网络字节序API：

形如"198.168.0.1"这种字符串风格的IP地址（点分十进制IP地址）是给我们用户层看的。而数据发送到网络当中的是4字节IP地址。

综上：IP端口的赋值(sin_addr)，要考虑两点：1，从stirng转换为uint32_t；2，uint32_t必须为网络字节序

上面的两件事有一个接口替我们完成了：这个接口可以帮助我们将字符串风格的IP地址转化为4字节的网络字节序的IP地址

cpp 复制代码

// 字符串IP转网络IP
in_addr_t inet_addr(const char *cp);

至此我们的UDP服务器的初始化就完成了。

2.2 UDP服务器接收/发送数据

（一）服务器接受客户端的数据

服务器接受客户端的数据，会将数据保存在缓冲区buf 里面；还会将对端的套接字信息保存在输出型参数src_addr里面（包含对端的IP和端口号）。

cpp 复制代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
// sockfd：本地套接字
// buf：缓冲区
// flags：默认设置为0，阻塞等待
// src_addr是输出型参数：别人给我发了消息，我收到了消息之后，就会将对端的套接字信息保存在src_addr所指向的内存空间里。
// addrlen是输入型参数：获取套接字信息的结构体大小
// 接收成功返回接收到的字节数; 接受失败-1被返回, 并且可以通过errno查看错误信息; 当对等端执行有序关闭时，返回值将为0
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

使用示例如下：

cpp 复制代码

char buffer[1024];
while(true)
{
		// 读取客户端发来的数据
		struct sockaddr_in client; // 用于保存客户端的socket信息
		bzero(&client, sizeof(client));
		socklen_t len = sizeof(client);
		
		// client是输出型参数和len是输入型参数 - 输入：client缓冲区的大小 - 输出：实际读到的client
		ssize_t s = recvfrom(_sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&client, &len);
		if (s < 0)
		{
		    perror("recvfrom");
		    continue;
		}
		// ...
}

（二）服务器发送给客户端的数据

服务端接收到客户端的数据后，将数据进行处理，最后将数据发回给客户端

发送数据的API接口是：

cpp 复制代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
// sockfd：本地套接字
// buf：要发送的数据的缓冲区  len：要发送的数据大小
// dest_addr是输入性参数：	传入的是客户端socket信息
// addrlen是输入性参数：		客户端socket信息的大小
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

在上述接口中：发送的数据buf，发送的对端在哪呢？在上面定义的struct sockaddr_in client结构体里，它里面包含了对端主机IP和端口号。还有，我们不需要再进行网络字节序的转化，因为client就是刚才从网络中收到的。

使用示例如下：

cpp 复制代码

char buffer[1024];
while(true)
{
		// 读取客户端发来的数据
		// ...

		// 将数据发回给客户端 
		buffer[s] = 0; // buffer是之前接收到客户端的数据, buffer[s] = 0是因为这里我将数据作为字符串处理, 末尾'\0'          
	    //  查看是哪个客户端
	    uint16_t client_port = ntohs(client.sin_port);      // 注意：这个端口号是从网络中来的
	    std::string client_ip = inet_ntoa(client.sin_addr); // 此IP是4字节的网络序列IP，我们需要转化为本主机字符串风格的IP，方便显示
	    printf("[%s:%d]# %s\n", client_ip.c_str(), client_port, buffer);
	
	    // 数据的处理过程（可替换）
	    std::string info = buffer;
	    std::string echo_string = "Server echo# " + info;
	    
	    // 将数据写回给client(第一个参数是网络文件描述符, 第2-3个参数是发送的内容及大小, 最后两个参数是发送给谁)
	    sendto(_sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size(), 0, (struct sockaddr *)&client, len); 
}

2.3 补充知识

2.3.1 查看网络状态

bash 复制代码

# 查看udp的网络状态
netstat -naup
netstat -nlup
netstat -aup
# 查看tcp的网络状态
netstat -natp
netstat -nltp
netstat -atp

带"n"表示能显示数字的就显示数字，不带表示能显示字符串就显示字符串。

"a"表示all；"u"表示udp；"t"表示tcp；"p"表示进程信息。

Proto表示协议；Recv-Q和Send-Q表示收发报文的个数；Local Adress表示本地地址(Ip+端口号)；

Foreign Adress表示远端，里面的"0.0.0.0"和"*"表示我认为我能接受任何客户端发送的消息。

2.3.2 IP地址的绑定

我尝试绑定自己主机的IP，但是发生了绑定失败，造成这种情况的解释：

1.虚拟机下绑定是可以成功的；

2.云服务器上的IP并不是真正主机上的IP而是虚拟IP；

3.云服务器主机可能有多张网卡，那么就对应着多个IP，如果我们只bind一个固定的IP，就收不到其他网卡的消息了；

4.规定：云服务器禁止直接绑定公网IP，应该使用IP为0进行绑定，其含义是任意地址bind，凡是发送给我这台主机的数据，都要根据端口号向上交付，根据端口号分配）。

从今往后云服务器不再使用IP地址，而是直接用0来表示，如下图，当然也可以不用将主机字节序转网络字节序，因为0无所谓

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1. 预备知识

1.1 认识端口号

1.2 初识TCP协议

1.3 初识UDP协议

1.4 网络字节序

1.5 socket编程接口

1.5.1 套接字编程的种类

1.5.2 sockaddr结构体

1.5.3 socket 常见API

1.5.4 地址转换函数

2. 编写UDP服务器与客户端

2.1 UDP服务器的创建

2.2 UDP服务器接收/发送数据

2.3 补充知识

2.3.1 查看网络状态

2.3.2 IP地址的绑定

2.3.3 关于端口号的绑定