5 Linux 网络编程基础 API

主机字节序和网络字节序

主机（小端）字节序：0x0201
网络（大端）字节序：0x0102，利于人看

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#include <netinet/in.h>
unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong);
unsigned short int htonl(unsigned long int hostshort);
unsigned long int ntohl(unsigned long int hostlong);
unsigned short int ntohl(unsigned long int hostshort);

通用 socket 地址

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#include <bits/socket.h>
// socket 地址结构体
struct sockaddr
{
    sa_family_t sa_family; // 地址族类型 ≈ 协议族类型
    char sa_data[14];
};

// 新的通用 socket 结构体
struct sockaddr_storage
{
    sa_family_t sa_family;
    unsigned long int __ss_align;
    char __ss_padding[128 - sizeof(__ss_align)];
};

专用 socket 地址

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#include <bits/socket.h>
// UNIX 本地协议族
struct sockaddr_un
{
    sa_family_t sin_family; // AF_UNIX == PF_UNIX
    char sun_path[108];     // 文件路径名
};

// IPv4
struct sockaddr_in
{
    sa_family_t sin_family;  // AF_INET == PF_INET
    u_int16_t sin_port;      // 网络字节序
    struct in_addr sin_addr; // Ipv4 结构体地址
};
struct in_addr
{
    u_int32_t s_addr; // 网络字节序
};

IP 地址转换函数

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// IPv4
#include <arpa/inet.h>
in_addr_t inet_addr(const char* strptr); // INADDR_NONE
int inet_aton(const char* cp, struct in_addr* inp);

// 函数内部有一个静态变量存储转化结果，返回值指向该静态内存
char* inet_ntoa(struct in_addr in);

创建 socket

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#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

domain：底层协议族，PF_UNIX、PF_INET、PF_INET6
type：服务类型，
- SOCK_STREAM ==> tcp
- SOCK_UGRAM ==> UDP
- SOCK_NONBLOCK 新创建的 socket 设为非阻塞的
- SOCK_CLOEXEC 用 fork 调用创建子进程时在子进程中关闭该 socket
protocol：0
return：
- 成功：socket 文件描述符
- 失败：-1，errno

命名 socket

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

return：
- 成功：0
- 失败：-1，errno
  - EACCES：被绑定的地址是受保护的地址，仅超级用户能够访问，比如普通用户将 socket 绑定到知名端口
  - EADDRINUSE：被绑定的地址正在使用

监听 socket

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#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

backlog：提示内核监听队列的最大长度，完全处理连接状态的 socket 上线
处于半连接状态的 socket 的上线由 /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 内核参数定义
return：
- 成功：0
- 失败：-1，errno

监听队列的长度如果超过 backlog，服务器将不受理新的客户端连接，客户端也将收到 ECONNEREFUSED 错误

接受连接

监听 socket：执行过 listen 调用、处于 LISTEN 状态的 socket
连接 socket：处于 ESTABLISHED 状态的 socket

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

accept 只是从监听队列中取出连接，而不论连接处于何种状态，更不关心网络状况的变化
return:
- 失败：-1，errno

发起连接

server 通过 listen 调用来被动接受连接
client 通过 connect 调用来主动与 server 建立连接

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#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr* serv_addr, socklen_t addrlen);

return：
- 失败：-1，errno
  - ECONNREUFUSED：目标端口不存在，拒绝被连接
  - ETIMEDOUT：连接超时

关闭连接

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#include <unistd.h>
int close(int fd);

close 只有将引用计数减为 0 时，才真正关闭连接

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#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int howto);

可立即终止连接（无需计数变为 0）
howto:
- SHUT_RD：关闭读，丢弃接收缓冲区数据
- SHUT_WR：关闭写，发送缓冲区的数据会在真正关闭写之前发送出去，半关闭状态
- SHUT_RDWR：

TCP 数据读写

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#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);

return：
- 0：通信对方关闭连接
- -1：errno

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ssize_t send(int sockfd, const void* buf, size_t len, int flags);

flags：通常 0，只对当前调用生效

flags	含义	send	recv
MSG_CONFIRM	指示数据链路层协议持续监听对方的回应，直到得到答复，只适用于 SOCK_DGRAM 和 SOCK_RAW 类型的 socket	Y	N
MSG_DONTROUTE	不查看路由表，直接将数据发送给本地局域网络内的主机，发送者知道目标主机就在本地网络上	Y	N
MSG_DONTWAIT	对 socket 的此次操作将是非阻塞的	Y	Y
MSG_MORE	告诉内核应用程序还有更多数据要发送，内核将超时等待新数据写入 TCP 发送缓冲区后一并发送，可防止 TCP 发送过多小报文段，提高传输效率	Y	N
MSG_WAITALL	读操作仅在读取到指定数量的字节后才返回	N	Y
MSG_PEEK	窥探读缓存中的数据，此次读操作不会导致这些数据被清除	N	Y
MSG_OOB	发送或接受紧急数据	Y	Y
MSG_NOSIGNAL	往读端关闭的管道或者 socket 连接中写数据时不引发 SIGPIPE 信号	Y	N

只有最后一个字符被当成正真的带外数据接收，服务器对正常数据的接收将被带外数据截断

UDP 数据读写

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#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
sszie_t recvfrom(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags, struct sockaddr* src_addr, socklen_t* addrlen);
ssize_t sendto(int sockfd, const void* buf, size_t len, int flags, struct sockaddr* dest_addr, socklen_t addrlen);

这两个函数也可用于面向连接的 socket 的数据读写，只需要把最后两个参数设置为 NULL 以忽略发送端、接收端的 socket 地址，已经建立了连接，双方知道对方地址

通用数据读写函数

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#include <sys/socket.h>
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr* msg, int flags);
ssize_t sendmsg(int sockfd, struct msghdr* msg, int flags);

struct msghdr
{
    void* msg_name; // socket 地址
    socklen_t msg_namelen;
    struct iovec* msg_iov; // 分散的内存块
    int msg_iovlen; // 分散内存块数量
    void* msg_control; // 指向辅助数据的起始位置
    socklen_t msg_controllen;
    int msg_flags; // 赋值函数中的 flags 参数，并在调用过程中更新
};

struct iovec
{
    void* iov_base; // 内存起始地址
    size_t iov_len; // 这块内存长度 
};

msg_name：指定通信对方的 socket 地址，TCP 中为 NULL
分散读：对于 recvmsg，数据将被读取并存放在 msg_iovlen 块分散的内存中，这些内存的位置和长度由 msg_iov 指向的数组决定
集中写：对于 sendmsg，msg_iovlen 块分散内存中的数据将被一并发送
msg_flags：无需设定，会复制 recvmsg、sendmsg 的 flags 参数的内容以影响数据读写过程。recvmsg 还会在调用结束前，将某些更新后的标志设置到 msg_flags 中

带外标记

内核通知应用程序带外数据到达方式：

I/O 复用产生的异常事件
SIGURG 信号

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#include <sys/socket.h>
int sockatmark(int sockfd);

判断 sockfd 是否处于带外标记，即下一个被读取到的数据是否是带外数据
- SO_LINGER：控制 close 系统调用关闭 TCP 连接时的行为
建议 sock 在 listen 和 accept 之前设置选项信息

网络信息 API

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#include <netdb.h>
// 获取主机的完整信息
/* 先在本地 /etc/hosts 配置文件中查找主机，再去 DNS 服务器 */
struct hostent* gethostbyname(const char* name);

/*
 * @param len 指定 addr 所指 IP 地址长度
 * @param type 指定 addr 所指 IP 地址类型
 */
struct hostent* gethostbyaddr(const void* addr, size_t len, int type);

struct hostent
{
    char* h_name; // 主机名
    char** h_aliases; // 主机别名
    int h_addrtype; // 地址类型
    int h_length; // 地址长度
    char** h_addr_list; // 网络字节序列出主机 IP 地址列表
};

// 获取服务的完整信息，通过读取 /etc/services 文件获取服务信息
/*
 * @param proto 服务类型
 *              tcp 获取流服务
 *              udp 获取数据报服务
 *              NULL 获取所有类型服务
 */
struct servent* getservbyname(const char* name, const char* proto);
struct servent* getservbyport(int port, const char* proto);

struct servent
{
    char* s_name; // 服务名称
    char** s_aliases; // 服务别名列表
    int s_port; // 端口号
    char* s_proto; // 服务类型 tcp or udp
};

/*
 * 根据主机名获得 IP 地址（`gethostbyname`）
 * 根据服务名获得 port（`getservbyname`）
 * 是否可冲入取决于内部调用的方法
 * 
 */
int getaddrinfo(const char* hostname, const char* service, const struct addrinfo* hints, struct addrinfo** result);

struct addrinfo
{
    int ai_flags;
    int ai_family;
    int ai_socktype;
    int ai_protocol;
    socklen_t ai_addrlen;
    char* ai_canonname;
    struct sockaddr* ai_addr;
    struct addrinfo* ai_next;
};

void freeaddrinfo(struct addrinfo* res);

int getnameinfo(const struct sockaddr* sockaddr, socklen_t addrlen, char* host, socklen_t hostlen, char* serv, socklen_t servlen, int flags);

/* 将 getaddrinfo 和 getnameinfo 返回的错误码转换为字符串形式 */
const char* gai_strerror(int error);