socket套接字及相关函数介绍

套接字简介

套接字是通信端点的一个抽象，套接字描述符和文件描述符一样是一个索引下标，普通文件在操作时通过open打开文件初始化文件结构体，返回文件描述符，当需要读写操作时操作系统通过文件描述符找到，描述文件的结构体，然后通过结构体中提供的信息进行操作，套接字描述符，通过socket函数调用进行初始化创建struct file 结构体和 struct socket结构体，当需要进行操作时，通过文件描述符，找到struct file结构体中的private_data 指针找到struct socke结构体然后找到const struct proto_ops*ops这个指针指向结构体对应的操作。

套接字类型

常见的TCP/IP协议的套接字有三种

1. 流式套接字(SOCK_STREAM)：提供面向连接的可靠数据传输，其传输方式为面向字节流传输，通过TCP即传输控制协议进行传输控制
2. 数据报套接字(SOCK_DGRAM):提供了一种无连接的服务，其传输方式为面向数据报传输，使用UDP协议进行数据的传输，该服务并不能保证数据传输的可靠性，数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地接收到数据
3. 原始套接字(SOCK_RAW)：可以操作访问底层协议数据，如IP数据报，ARP，以太网桢，ICMP报文等，可以通过原始套接字进行收发下层协议报文。

套接字控制函数

1. 创建套接字socket
   函数原形:int socket(int domain, int type, int protocol);
   函数功能：
   创建套接字，建立相应的描述结构体（struct file 和 struct socket)，对其数据进行初始化，返回文件描述符。
   参数：
   domain协议族，决定socket使用的协议地址类型，有AF_INET(ipv4的地址32位和端口号16位的组合)， AF_INET6(ipv6)， AF_UNIX(使用一个绝对地址)等
   type：创建的socket类型，即SOCK_STREAM，SOCK_DGRAM，SOCK_RAW等
   protocol：协议类型IPPROTO_TCP，IPPROTO_UDP等如果取0会自动根据socket类型进行判断
   返回值：失败返回 -1 ，成功返回描述符值
2. 绑定函数bind
   函数原形：int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
   函数功能，把一个本地协议地址赋予一个套接字
   参数： sockfd socket返回的描述符
   对于sockaddr结构，因为系统需要支持多种地址结构，因此在这里如果需要使用AF_INET地址类型，需要使用struct sockaddr_in结构体进行操作，然后进行绑定时进行强转为struct sockaddr类型
   addrlen：第二个参数的长度
   返回值：成功返回0,失败返回-1
   另外：TCP客户端如果不绑定，在调用connect时系统会为其分配一个临时端口和IP用于连接(TCP客户端推荐使用这种，可以减少冲突的可能性）TCP服务端和UDP服务端在绑定时，可以选择将监听套接字IP地址INADDR_ANY这个宏，可以监听多个IP

   struct sockaddr_in{
   	unsigned short  sin_family;
   	unsigned short int  sin_port;
   	struct_addr   sin_addr;
   	unsigned char  sin_zero[8];
   };
   

3. 建立连接connect
   函数原形：int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
   函数功能：发起TCP连接请求，socket 客户端通过调用 connect 函数在 socket 数据结构中保存本地和远端信息
   函数参数：参数同bind函数， 区别在于bind参数是自己的接口地址，connect参数是服务端的接口地址。
   返回值：成功返回0,出错返回-1
4. 监听函数listen
   函数原型：int listen(int sockfd, int backlog);
   函数功能：socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求，调用listen导致套接字从CLOSED状态转换到LISTEN状态
   函数参数：
   内核为任何一个给定的监听套接字维护两个队列：
   未完成连接队列，每个这样的SYN分节对应其中一项：已由某个客户发出并到达服务器，而服务器正在等待完成相应的TCP三路握手过程。这些套接字处于SYN_RECV状态
   已完成连接队列，每个已完成TCP三路握手过程的客户对应其中一项。这些套接字处于ESTABLISHED状态。
   backlog参数：是这两个队列之和的最大长度
   返回值：成功返回0，出错返回-1
5. 接受连接accept
   当进程调用accept时，已完成连接队列中的队头项将返回给进程，或者该队列为空，那么进程就被投入睡眠，直到TCP在该队列中放入一项才唤醒它
   函数原型：int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)；
   函数参数：sockfd是监听后的套接字, addr用于存放客户端的接口地址信息，addrlen为第二个参数长度，
   返回值：成功是一个新的套接字，它代表的是和客户端的新的连接，失败 -1
6. close函数
   关闭套接字，如果是已连接的套接字会首先终止连接，然后关闭套接字。

套接字IO函数

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)；

在这些函数中其中UDP服务只能使用sendto/recefrom 和 sendmsg/recvmsg进行收发，因为其是无连接面向数据报的，需要接收方接口地址或者接受发送方接口地址信息，另外TCP数据是有连接面向字节流的，在TCP调用send/recv write/read sendmsg/recvmsg 时并没有将数据直接发送而是先将数据放入其缓冲区，如果数据长度较长会进行分组，较短会进行等待当数据足够进行合并，之后构建成报文段到下层；另外UDP调用ＩＯ函数也是将数据放入缓存区不过其直接构成UDP数据报到IP层，不对数据进行合并和拆分。

字节序转换函数

网络字节续为大端字节序，即低地址存放高位，主机大端和小端字节序均有取决于主机CPU，小端是低地址存放低位，因此在发数据时需要进行统一字节序，转换为网络字节序
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
其中ｈ表示host主机，n为network网络，l为32位长整型，s为16位短整型，
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。

地址转换函数

通常IP地址通过点分十进制的字符串进行表示,在socket中struct in_addr为32位IP地址，因此需要进行转换
点分十进制字符串转in_addr：
int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst)；
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
in_addr转点分十进制字符串：
char *inet_ntoa(struct in_addr in);
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
其中inet_pton/inet_ntop即可用于ipv4，也可以用于ipv6只要改变第一个参数AF_INET或AF_INET6
另外，inet_ntoa不是线程安全函数，并且因为函数直接返回，char * 即函数在内部开辟了空间，而且这个是一个静态变量，多次调用会修改其值，建议使用inet_ntop，这个函数由调用者提供一个缓冲区保存结果, 可以规避线程安全问题;