c 网络与套接字socket

我们已经知道如何使用I/O与文件通信，还知道了如何让同一计算机上的两个进程进行通信，这篇文章将创建具有服务器和客户端功能的程序

互联网中大部分的底层网络代码都是用C语言写的。 网络程序通常有两部分组成：服务器和客户端。

工具介绍： telnet

为了测试功能，我们使用一个叫做telnet的客户端程序连接服务器，telnet 接受两个参数：一个是服务器地址，另一个是服务器运行的端口号，

如果在运行服务器的那台计算机上运行telnet，地址可填写127.0.0.1

这样使用：假设端口号是30000

telnet 127.0.0.1 30000

我们先说服务器这一端的：

服务器连接网络分为四部曲：①绑定(Bind) ②监听(Listen) ③接受(Accept) ④开始(Begin)

把每个首字母连起来就是BLAM

如果想写一个与网络通信的程序，就需要一种新的数据流---套接字

#include <sys/socket.h>

int listener_d = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listener_d == -1) {
error("不能打开套接字");
}

其中 listener_d 是套接字描述符 / 0 是协议号，一般填0就行

1.绑定(Bind)

计算机可能同时运行多个服务器程序，一个发送网页，一个发送邮件，另一个运行聊天服务器。为了防止不同对话发生混淆，每项服务必须使用不同的端口(port)。

端口就好比电视频道，我们在不同的端口使用不同的网络服务，就像我们在不同频道收看不同的电视节目。

#include <arpa/inet.h>

// 绑定端口
struct sockaddr_in name;
name.sin_family = PF_INET;
name.sin_port = (in_port_t)htons(30000);
name.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
int c = bind(listener_d, (struct sockaddr *)&name, sizeof(name));
if (c == -1) {
error("无法绑定端口");
}

2.监听(Listen)

通常会有很多客户端连接到服务器，如果我们想要客户端排队等待连接，就要使用listen()来告诉操作系统你希望队列有多长。

// 监听
if (listen(listener_d, 10) == -1) {
error("无法监听");
}

调用listen()把队列长度设为10，也就是说最多可以有10个客户端可以尝试连接服务器，他们并不会立刻得到相应，但是可以排队等待，而第11个客户端会被告知服务器太忙了。



3.接受连接(Accept)

对于服务器端来说，当我们已经绑定完了端口，设置了监听队列，唯一可做的就是等待了。服务器一生都在等待客户端来连接他们，accept()调用会一直等待，知道有客户端链接服务器时，他会返回第二个套接字描述符，然后就可以通信了。

// 接受链接
struct sockaddr_storage client_addr; // 保存链接客户端的相信信息
unsigned int address_size = sizeof(client_addr);
int connect_d = accept(listener_d, (struct sockaddr *)&client_addr, &address_size);
if (connect_d == -1) {
error("无法打开副套接字");
}

套接字并不是传统意义上的数据流

我们知道的数据流有：文件，标准输入，标准输出。都可以使用fprintf和fscanf函数和他们通信，这俩个函数都是单向的，但套接字不同，套接字是双向的，既可以用作输出，也可以用作输入，因此需要别的函数。

输出：send() 输入：recv()

我们先介绍send函数

char *msg = "Internet Knock-Knock Protocol Server\r\nVersion 1.0\r\nKnock! Knock!\r\n>";

if (send(connect_d, msg, strlen(msg), 0) == -1) {
error("send");
}

好了，让我们先用一个例子来演示一下上边的功能怎么用，先看代码:

 #include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

void error(char *msg) {
fprintf(stderr, "Error: %s  %s", msg, strerror(errno));
exit(1);
}

int main(int argc, const char * argv[]) {

char *advice[] = {
"你为什么这么帅!\r\n",
"有没有人夸过你帅？",
"傻逼牛头，笨鳖",
"牛，你是第六人吗？",
"拔插座了吧"};

// 打开
int listener_d = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listener_d == -1) {
error("不能打开套接字");
}

// int reuse = 1;
// if (setsockopt(listener_d, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&reuse, sizeof(int)) == -1) {
//    error("无法设置套接字的“重新使用端口”选项");
// }
// 绑定端口
struct sockaddr_in name;
name.sin_family = PF_INET;
name.sin_port = (in_port_t)htons(30000);
name.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
int c = bind(listener_d, (struct sockaddr *)&name, sizeof(name));
if (c == -1) {
error("无法绑定端口");
}

// 监听
if (listen(listener_d, 10) == -1) {
error("无法监听");
}

puts("等待链接...");

while (1) {
// 接受链接
struct sockaddr_storage client_addr; // 保存链接客户端的相信信息
unsigned int address_size = sizeof(client_addr);
int connect_d = accept(listener_d, (struct sockaddr *)&client_addr, &address_size);
if (connect_d == -1) {
error("无法打开副套接字");
}

// 通信
//    char *msg = "Internet Knock-Knock Protocol Server\r\nVersion 1.0\r\nKnock! Knock!\r\n>";
char *msg = advice[rand() % 5];
if (send(connect_d, msg, strlen(msg), 0) == -1) {
error("send");
}

if (close(connect_d) == -1) {
error("无法关闭链接");
}

}

return 0;
}

// Mac 下编译运行
gcc socket.c -o socket

./socket

终端显示成这样



我们打开另一个终端来模拟客户端



太棒了，服务器和客户端能够连接且服务器能够给客户端发送数据了，但是这样的程序还是有问题的，当我们快速使用Ctrl-C结束服务器的程序，在用./socket打开机会出现这样的错误



为什么会出现这个错误呢？因为绑定端口是有延时的。

当你在某个端口绑定了一个程序，系统不允许在30秒内再绑定其他的程序，也包括上一次绑定这个端口的程序。只要在绑定前设置套接字的某个选项就能解决这个问题

把上边的代码注释的地方打开

int reuse = 1;
if (setsockopt(listener_d, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&reuse, sizeof(int)) == -1) {
error("无法设置套接字的“重新使用端口”选项");
}

重复之前的的操作，Ctrl-C ./socket 就没这问题了。

然而，在现实世界中，我们不仅需要给客户端发消息，我们还要能在客户端读消息。

答案就是recv()函数。





需要注意下边几点:

1.接受到的字符串并不是以'\0'结尾的

2.当用户在telnet输入文本并按了回车后，接受到的字符串是以'\r\n'结尾的

3.recv() 返回字符串的个数，如果发生错误就返回-1，如果客户端关闭了链接就返回0

4.recv()调用不一定能一次性收到所有的字符串，可能分几次返回也就是多次调用recv()

由于上边4所造成的需要调用多次的情况，因此recv()使用起来还是很繁琐的，最好能封装到一个方法中；

// 从客户端读取数据
int read_in(int socket, char *buf, int len) {
char *s = buf;
int slen = len;
int c = (int)recv(socket, s, slen, 0);
while ((c > 0) && (s[c-1] != '\n')) {
s += c;
slen -= c;
c = (int)recv(socket, s, slen, 0);
}

if (c < 0) {
return c;
}else if (c == 0) {
buf[0] = '\0';
}else {
s[c - 1] = '\0';
}

return len - slen;
}

下边我们就写一个服务器和客户端能够交互的程序，这个程序其实跟HTTP协议的原理很像，都是在双方必须遵守某项定好的协议前提下进行通信的。我们把上面讲的通信前的准备都封装成了单独的函数，比如

// 错误处理函数
void error(char *msg)
// 开启socket
int open_listener_socket()
// 绑定端口
void bind_to_port(int socket, int port)
// 向客户端发消息
int say(int socket, char *s)
// 处理服务中断
void handle_shutdown(int sig)
// 监听信号
int catch_signal(int sig, void (*handler)(int))
// 从客户端读取数据
int read_in(int socket, char *buf, int len)

代码如下

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

int listener_d;

// 错误处理函数
void error(char *msg) {
fprintf(stderr, "Error: %s  %s", msg, strerror(errno));
exit(1);
}

// 开启socket
int open_listener_socket() {
int s = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (s == -1) {
error("Can't open socket");
}
return s;
}

// 绑定端口
void bind_to_port(int socket, int port) {
struct sockaddr_in name;
name.sin_family = PF_INET;
name.sin_port = (in_port_t)htons(port);
name.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
int reuse = 1;
if (setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&reuse, sizeof(int)) == -1) {
error("Can't set the reuse option on the socket");
}
int c = bind(socket, (struct sockaddr*)&name, sizeof(name));
if (c == -1) {
error("Can't bind to socket");
}
}

// 向客户端发消息
int say(int socket, char *s) {
int result = (int)send(socket, s, strlen(s), 0);
if (result == -1) {
fprintf(stderr, "%s: %s \n","和客户端通信发生错误",strerror(errno));
}
return result;
}

// 处理服务中断
void handle_shutdown(int sig) {
if (listener_d) {
close(listener_d);
}
fprintf(stderr, "Bye! \n");
exit(0);
}

// 监听信号
int catch_signal(int sig, void (*handler)(int)) {
// 创建一个新动作
struct sigaction action;
// 想让计算机调用哪个函数，这个被包装的my_custom_fun函数就叫做处理器
action.sa_handler = handler;
// 使用掩码过滤信号，通常会用一个空的掩码
sigemptyset(&action.sa_mask);
// 一些附加的标志位，置为0就行了
action.sa_flags = 0;

return sigaction(sig, &action, NULL);
}

// 从客户端读取数据
int read_in(int socket, char *buf, int len) {
char *s = buf;
int slen = len;
int c = (int)recv(socket, s, slen, 0);
while ((c > 0) && (s[c-1] != '\n')) {
s += c;
slen -= c;
c = (int)recv(socket, s, slen, 0);
}

if (c < 0) {
return c;
}else if (c == 0) {
buf[0] = '\0';
}else {
s[c - 1] = '\0';
}

return len - slen;
}
int main(int argc, const char * argv[]) {

// 监听中断
if (catch_signal(SIGINT, handle_shutdown) == -1) {
error("Can not set the interrupt handler");
}

// 打开socket
listener_d = open_listener_socket();

// 绑定端口
bind_to_port(listener_d, 30000);

// 监听
if (listen(listener_d, 1) == -1) {
error("Can't listen");
}

puts("Waiting for connection");

// 客户端
struct sockaddr_storage client_addr;
unsigned int addr_size = sizeof(client_addr);

char buf[255];

while (1) {

// 链接
int connect_d = accept(listener_d, (struct sockaddr*) &client_addr, &addr_size);
if (connect_d == -1) {
error("Can't open secondary socket");
}

// 子进程
//if (!fork()) {

// close(listener_d);

if (say(connect_d, "Internet Knock-Knock Protocol Servet\r\nVersion 1.0\r\nKnock! Knock!\r\n>") != -1) {

read_in(connect_d, buf, sizeof(buf));
if (strncasecmp("Who's there?", buf, (2))) {
say(connect_d, "You should say 'Who's there?' !");
}else {
if (say(connect_d, "Oscar\r\n>") != -1) {
read_in(connect_d, buf, sizeof(buf));

if (strncasecmp("Oscar who?", buf, (0))) {
say(connect_d, "You should say 'Oscar who?' !");
}else {
say(connect_d, "Oscar silly question, you set a silly answer!\r\n");
}
}
}

}

// close(connect_d);
// exit(0);
// }

close(connect_d);
}

return 0;
}

编译并运行后



我们打开另一个终端



我们现在已经能够接受客户端的数据，并且能够按照我们自定义的协议进行通信了。

但是我们还需要想的更多，现在是和一个客户端通信，如果跟多个客户端呢？

打开我们上边代码中注释的部分，恢复后的代码是这样的

// 子进程
if (!fork()) {

close(listener_d);

if (say(connect_d, "Internet Knock-Knock Protocol Servet\r\nVersion 1.0\r\nKnock! Knock!\r\n>") != -1) {

read_in(connect_d, buf, sizeof(buf));
if (strncasecmp("Who's there?", buf, (2))) {
say(connect_d, "You should say 'Who's there?' !");
}else {
if (say(connect_d, "Oscar\r\n>") != -1) {
read_in(connect_d, buf, sizeof(buf));

if (strncasecmp("Oscar who?", buf, (0))) {
say(connect_d, "You should say 'Oscar who?' !");
}else {
say(connect_d, "Oscar silly question, you set a silly answer!\r\n");
}
}
}

}

close(connect_d);
exit(0);
}

通过对比可以看出，当我们接受到客户端的数据的时候,我们创建一个子进程，这样我们就只使用父进程监听连接，子进程处理各自的任务了

多打开几个终端试试。





。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

到这里我们已经能够写服务器端的代码了，能够发消息和接受消息。

但这远远不够，我现在就想手写一个客户端，通过我的请求能够获取服务器端的某些数据。这其实也很简单

这时候主动权就在我们手里了。

客户端和服务器段都是用套接字来进行通信，但是两者获取套接字的方式不同。

服务器端使用的是BLAM ：服务器连接网络分为四部曲：①绑定(Bind) ②监听(Listen) ③接受(Accept) ④开始(Begin)

客户端只需要两步就可以了 ①连接远程端口 ②开始通信

服务器在网络连接时必须决定使用哪个端口，而客户端除了要端口号还需要知道远程服务器的IP地址



但是这样太不容易记忆了，人们更喜欢使用域名：www.baidu.com









接下来就让我们编写一段代码。实现网络请求的任务，下边的代码需要能够连接外网才行，也就是需要FQ

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <netdb.h>

// 错误处理函数
void error(char *msg) {
fprintf(stderr, "Error: %s  %s", msg, strerror(errno));
exit(1);
}

// 向客户端发消息
int say(int socket, char *s) {
int result = (int)send(socket, s, strlen(s), 0);
if (result == -1) {
fprintf(stderr, "%s: %s \n","和客户端通信发生错误",strerror(errno));
}
return result;
}

// 根据域名和端口开启socket
int open_socket(char *host, char *port) {

struct addrinfo *res;
struct addrinfo hints;
memset(&hints, 0, sizeof(hints));
hints.ai_family = PF_UNSPEC;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
if (getaddrinfo(host, port, &hints, &res) == -1) {
error("Can't resolve the address");
}

int d_sock = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol);
if (d_sock == -1) {
error("Can't open socket");
}

int c = connect(d_sock, res->ai_addr, res->ai_addrlen);
if (c == -1) {
error("Can't connect to socket");
}

return d_sock;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {

int d_sock;
d_sock = open_socket("en.wikipedia.org", "80");

char buf[255];
sprintf(buf, "GET /wiki/%s http/1.1\r\n",argv[1]);

say(d_sock, buf);
say(d_sock, "Host: en.wikipedia.org\r\n\r\n");

char rec[256];
int bytesRcvd = recv(d_sock, rec, 255, 0);
while (bytesRcvd) {
if (bytesRcvd == -1) {
error("Can't read from server");
}

rec[bytesRcvd] = '\0';
printf("%s",rec);
bytesRcvd = recv(d_sock, rec, 255, 0);
}

close(d_sock);

return 0;
}