【网络编程基础笔记】struct sockaddr和struct sockaddr_in的区别和用法

编写网络应用程序时，经常会用到sockaddr和sockaddr_in这两个结构体，对于新手来说，比较容易搞混它们的区别和使用方法。本文的笔记试图讲清楚它们之间的关系和正确的用法。

1. struct sockaddr_in（针对IPv4使用）

struct sockaddr_in是linux kernel针对IPv4用到的socket address structure（针对IPv6则定义了struct sockaddr_in6来实现类似的结构），写网络应用程序时，我们需要引用其头文件<netinet/in.h>文件。

以sockaddr_in为例，其定义代码如下（严格地说，应该是redhat linux 2.6.9中的定义，vendor或kernel version不同，相关结构的定义形式可能会有差别，但底层的数据表示其实是一致的）：

/* Type to represent a port.  */
typedef uint16_t in_port_t;

/* Internet address.  */
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
{
in_addr_t s_addr; /* 由于TCP/IP发展的历史原因，这里只有1个字段还用struct包装起来 */
/*《UNIX Network Programming Volume 1》3.1节对此有一段解释，这里不再赘述 */
};

/* Structure describing an Internet socket address.  */
struct sockaddr_in
{
__SOCKADDR_COMMON (sin_);      /* 本行等价为: sa_family_t sin_family */
/* gcc -E查看preprocess阶段宏展开后的源码可以确认这一点 */
in_port_t sin_port;            /* Port number.  */
struct in_addr sin_addr;       /* Internet address.  */

/* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) - __SOCKADDR_COMMON_SIZE - sizeof (in_port_t) - sizeof (struct in_addr)];
};

由struct sockaddr_in定义的最后1行可知，sockaddr_in的size其实是依赖struct sockaddr的size的，通过sin_zero字段的padding，可以使这两个structs的size始终保持相等，以方便在调用socket api时两种类型的指针互转。

如果感兴趣，可以在下面的源文件中查看sockaddr_in在linux kernel source tree中的定义：

a. 若是linux 2.6.x版本，可在include/linux/in.h中查看

b. 若是linux 3.x版本，可在include/uapi/linux/in.h中查看

另外需要说明的是，在某些版本提供的linux kernel（如4.3 BSD-Reno）中，struct sockaddr_in的定义会多一个uint8_t sin_len字段（这种情况下，与此对应的struct sockaddr也会有uint8_t
sin_len字段）。根据《UNIX Network Programming Volume 1》3.1节中的说法，我们可以不关注这个细节（即可以认为这个sin_len字段存在与否对我们的应用程序是透明的）。这个字段不是每种Linux版本都提供，且POSIX标准中对struct sockaddr_in的定义是否需包含该字段不做要求。
2. struct sockaddr

与struct sockaddr_in的定义相比，struct sockaddr的定义相对简单些。其被称为"Generic Socket Address Structure"，在<sys/socket.h>中的定义如下：

struct sockaddr {
sa_family_t	sa_family;	/* address family, AF_xxx	*/
char    	sa_data[14];	/* 14 bytes of protocol address	*/
};

常用的库函数如bind，accept，connect，sendto，recvfrom，getpeername及getsockname等，其函数原型中均以Generic Socket Address Structrues的指针（struct sockaddr *）作为地址参数。

如果感兴趣，可以在下面的源文件中查看sockaddr在linux kernel source tree中的定义：

a. 若是linux 2.6.x版本，可在include/linux/socket.h中查看

b. 若是linux 3.x版本，可在include/linux/socket.h中查看
3. 两种structs的使用方法

关于如何正确使用这两个结构体，UNP一书中有所说明：

From an application programmer's point of view, the only use of these generic socket address structures is to cast pointers to protocol-specific structures.

总之，对于编写网络应用程序的程序员来说，通常的做法是定义struct sockaddr_in类型的变量，对其family、port、addr等字段赋值后，在调用socket相关api时，将其指针强制转换为struct sockaddr *类型即可（由它们的定义代码可知，二者的size始终保持相等，均为16 bytes，因此，对其指针做强制类型转换后不会引起问题），内核会根据sockaddr.sin_family字段指定的协议类型做进一步的底层操作。

此外，UNP中还提到的API不用void *作为通用参数（这是屏蔽细节的惯用做法，如memset/memcpy系列函数的参数类型），而选择struct sockaddr *作为参数的原因:

From the kernel's perspective, another reason for using pointers to generic socket address structures as arguments is that the kernel must take the caller's pointer,
cast it to a struct sockaddr *, and then look at the value of sa_family to determine the type of the structure. But from an application programmer's perspective, it would be simpler if the pointer type was void *, omitting the need for the explicit cast.
【参考资料】

UNIX Network Programming Volume 1. 第3章

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