Linux 进程间通信（二）（网络IPC：套接字）

socket描述符

套接字是通信端点的抽象,创建一个套接字使用如下函数:

#include <sys/socket.h> int socket(int domain, int type, int protocol); 返回值：若成功，返回套接字描述符；若出错，返回-1 说明： domain: 指定通信的特征，包括地址格式，以AF_开头的常数表示地址族（address family）： 域 说明 AF_INET IPv4因特网域 AF_INET6 IPv6因特网域 AF_UNIX UNIX域 AF_UPSPEC 未指定（可以代表任何域） type: 指定套接字的类型。如下为POSIX.1的套接字类型，也可以增加其他类型的支持： 类型 说明 SOCK_DGRAM 固定长度、无连接、不可靠 SOCK_RAM IP协议的数据报接口 SOCK_SEQPACKET 固定长度、面向连接、有序、可靠 SOCK_STREAM 有序、可靠、双向、面向连接 protocol: 根据指定的domain和type所提供的默认协议，通常设为0即可。在AF_INET通信域中，SOCK_STREAM默认的协议为TCP；SOCK_DGRAM默认的协议为UDP。

使用无连接的数据报通信类似于邮寄信件，你不能保证传递的次序，信件可能会丢失，每封信都包含收信人地址；相反地，使用面向连接的通信协议类似于打电话，首先需要建立连接，连接建立好以后，彼此可以双向地通信，对话中不需要包含地址信息，连接本身指定了通话的源和目的，就像是端与端之间有一条虚拟链路一样。

SOCK_STREAM套接字提供了字节流服务，应用程序不能分辨出报文的界限；SOCK_SEQPACKET套接字提供了基于报文的服务，这意味着接受的数据量和发送的数据量完全一致；SOCK_RAW套接字提供了一个数据报接口，用于直接访问下面的网络层，使用该套接字时，必须有root用户权限，并且需要应用程序自己负责构造协议头。

套接字通信是双向的，可以使用shutdown函数来禁止一个套接字I/O：

#include <sys/socket.h> int shutdown(int sockfd, int how); 返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1。 说明： how: SHUT_RD(关闭读)，SHUT_WR(关闭写)，SHUT_RDWR(关闭读写). 套接字是一个文件描述符，那么就可以使用close释放一个套接字。既然如此，为何还使用shutdown呢？首先，只有最后一个活动引用关闭时，close才释放网络端点。这意味着如果复制了一个套接字（dup），要直到关闭了最后一个引用它的文件描述符才会释放这个套接字。而shutdown允许使一个套接字处于不活动状态，和引用它的文件描述符数目无关。其次，有时可以很方便地关闭套接字双向传输中的一个方向。 补充：套接字本质上是一个文件描述符，如下为适用于文件描述符的函数在套接字中的表现行为： 函数 说明 close 释放套接字 dup / dup2 复制套接字 fchdir 失败，并且将errno设置为ENOTDIR fchomod 未指定 fchown 由实现定义 fcntl 支持某些命令 fdatasync / fsync 由实现定义 fstat 支持一些stat结构成员，如何支持由实现定义 ftruncate 未指定 ioctl 依赖于底层设备驱动 lseek 由实现定义，失败时将errno设置为ESPIPE mmap 未指定 poll 正常工作 pread / pwrite 失败时，将errno设置为ESPIPE read / readv 与没有任何标志位的recv等价 select 正常工作 write / writev 与没有任何标志位的send等价

寻址

不同的处理器架构有着不同的字节序，如果需要实现异构通信，必须统一字节序方式。网络协议指定了字节序（网络字节序），TCP/IP协议栈使用大端方式，对于使用TCP/IP的应用程序，有4个函数可以用来在处理器字节序和网络字节序之间进行转换：

#include <arpa/inet.h> uint32_t htonl(uint32_t hostint32); // 32位主机-->32位网络 uint16_t htons(uint16_t hostint16); // 16位主机-->16位网络 uint32_t ntohl(uint32_t netint32); // 32位网络-->32位主机 uint16_t ntohs(uint16_t netint16); // 16位网络-->16位主机 说明： h: 主机字节序 n: 网络字节序 l: 4字节的长整型 s: 2字节的短整型

int initserver(int type, const struct sockaddr* addr, socklen_t alen, int qlen)
{
int fd;
int err = 0;

if((fd = socket(addr->sa_family, type, 0)) < 0)
return -1;
if(bind(fd, addr, alen) < 0)
goto errout;
if(type == SOCK_STREAM || type == SOCK_SEQPACKET)
if(listen(fd, qlen) < 0)
goto errout;
return fd;

errout:
err = errno;
close(fd);
errno = err;
return -1;
}

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数据传输

因为一个套接字表示为一个文件描述符，因此只要建立连接，就可以使用read和write来操作套接字了。这意味着可以将套接字传递给处理文件的函数，而该文件处理函数并不需要了解套接字即可工作。

除了read和write，还有6个专为套接字设计的函数：3个用于发送数据，3个用于接收数据。

3个用于发送数据的函数如下：

#include <sys/socket.h> ssize_t send(int sockfd, const void* buf, size_t nbytes, int flags); 返回值：成功，返回发送的字节数；失败，返回-1 说明： send类似于write，使用send时套接字必须已经连接。然而，send支持选项flags，如下： Linux标志 描述 MSG_CONFIRM 提供链路层反馈以保证地址映射有效 MSG_DONTROUTE 禁止将数据报路由出本地网络 MSG_DONTWAIT 允许非阻塞通信 MSG_EOR 标记结束 MSG_MORE 延迟发送数据报允许写更多数据 MSG_NOSIGNAL 在无连接的情况下不产生SIGPIPE信号 MSG_OOB 允许发送带外数据 send的成功返回表示数据被无差错地发送到网络驱动程序中，并不表示对方成功地接受了数据。对于支持报文边界的协议，如果发送的单个报文长度超过了协议所支持的最大长度，那么send发送失败，并将errno设置为EMSGSIZE；对于字节流协议，send会阻塞直到整个数据传输完成。 #include <sys/socket.h> ssize_t sento(int sockfd, const void* buf, size_t nbytes, int flags, const struct sockaddr* destaddr, socklen_t destlen); 返回值：成功，返回发送的字节数；失败，返回-1 说明： 与send相比，sendto可以指定目的地址，当然这是对于无连接的情况而言的，对于面向连接的情况，目的地址是被忽略的，因为连接中隐含了地址。在无连接的情况下，可以直接使用sendto，或者先使用connect设置目的地址，然后使用send发送数据。 通过套接字发送数据时，还可以调用带有msghdr结构的sendmsg来指定多重缓冲区传输数据，这与writev类似： #include <sys/socket.h> ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr* msg, int flags); 返回值：成功，返回发送的字节数；失败，返回-1 struct msghdr { void* msg_name; /* 目的地址名字，是一个指向结构体struct sockaddr的指针 */ socklen_t msg_namelen; /* 目的地址的长度 */ struct iovec* msg_iov; /* 消息内容，指向struct iovec的指针 */ int msg_iovlen; /* 长度 */ void* msg_control; /* 控制消息 */ socklen_t msg_controllen; int msg_falgs; /* 标记如何接受数据 */ } sendmsg函数可以通过msghdr指定多个缓冲区发送数据，同时可以发送辅助数据。

相应地，3个用于接收数据的函数如下：

#include <sys/socket.h> ssize_t recv(int sockfd, void* buf, size_t nbytes, int flags); 返回值：成功，返回接收数据的字节长度；若未接收到数据或发送方已结束发送，返回0； 失败，返回-1 说明： flags如下： Linux标志 描述 MSG_CMSG_CLOEXEC 为UNIX域套接字上接受的文件描述符设置执行时关闭标志 MSG_DONTWAIT 启用非阻塞接受 MSG_WAITALL 等待直到所有可用数据到达(SOCK_STREAM) MSG_ERRQUEUE 接受错误信息作为辅助数据 MSG_PEEK 仅查看数据包内容而不真正接收数据包 MSG_TRUNC 即使数据包被截断，也返回数据包的实际长度 MSG_OOB 接受带外数据 如果发送者已经调用了shutdown结束传输，或者网络协议支持按默认的顺序关闭并且发送端已经关闭，那么当所有的数据接收完毕后，recv返回0。 可以使用recvfrom来得到数据发送者的地址： #include <sys/socket.h> ssize_t recvfrom(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags,struct sockaddr* addr, socklen_t* addrlen); 返回值：成功，返回接收的实际字节数；若无可用数据或对方已经结束传输，返回0；失败，返回-1 说明： recvfrom函数可以用于追踪发送者的地址，将其存储在addr指向的结构体中，addrlen表示其长度。该函数一般用于无连接的套接字通信中，在面向连接的情况下，等同于recv。 为了将接收到的数据送入多个缓冲区，可以使用recvmsg，类似于readv: #include <sys/socket.h> ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr* msg, int flags); 返回值：成功，返回接收的实际字节数；若无可用数据或对方已经结束传输，返回0；失败，返回-1 说明： recvmsg可以通过msghdr指定多个缓冲区接收数据，同时也可以接收辅助数据，其flags标志如下： Linux标志 描述 MSG_CTRUNC 控制数据被截断 MSG_EOR 接受记录结束符 MSG_ERRQUEUE 接受错误信息作为辅助数据 MSG_TRUNC 一般数据被截断 MSG_OOB 接受带外数据

套接字选项

套接字选项提供了两个接口来控制套接字行为：一个接口用来设置选项，另一个接口用于查询选项的状态。可以获取或设置以下3种选项：

（1） 通用选项，工作在所有套接字类型上。

（2） 在套接字层次管理的选项，但是依赖于下层协议的支持。

（3） 特定于某协议的选项，每个协议独有。

可以使用setsockopt函数来设置套接字选项：

#include <sys/socket.h> int setsockopt(int sockfd, int level, int option, const void* val, socklen_t len); 返回值：成功，返回0；失败，返回-1 说明： level标识了选项应用的协议。如果选项是通用的套接字层次选项，择level设置成SOL_SOCKET。否则，level设置成控制这个选项的协议编号。对于TCP选项，level为IPPROTO_TCP，对于IP，level为IPPROTO_IP。如下为通用套接字层次选项： val根据选项的不同指向一个数据结构或一个整数，一些选项是on/off开关。如果整数非0，则启动该选项，如果为0，则禁止该选项。 len指定了val指向的对象的大小。

可以使用getsockopt函数查看选项的当前值：

#include <sys/socket.h> int getsockopt(int sockfd, int level, int option, void* val, socklen_t* restrict lenp); 返回值：成功，返回0；失败，返回-1 说明： lenp是一个指向整数的指针。在调用getsockopt之前，设置该整数为复制选项缓冲区的长度。如果选项的实际长度大于此值，则选项会被截断；如果实际长度小于此值，那么返回时将此值更新为实际长度。

带外数据

与普通数据相比,带外数据拥有更高的传输优先级，即使传输队列中已经有数据了，带外数据也可先行传输。TCP支持带外数据，UDP不支持。TCP将带外数据称为紧急数据（urgent data），TCP仅支持一个字节的紧急数据。可以在send函数中指定MSG_OOB标志来产生紧急数据（指定MSG_OOB标志的send发送的字节数如果超过一个时，则最后一个字节将被视为紧急数据）。

如果通过套接字安排了信号的产生，那么紧急数据被接收时，会发送SIGURG信号。

TCP还支持紧急标记（urgent mark）的概念，即在普通数据流中标记紧急数据所在的位置。如果采用套接字选项SO_OOBINLINE，那么可以在普通数据中接受紧急数据，可以使用函数sockatmark判断是否到达了紧急标记处。

#include <sys/socket.h> int sockatmark(int sockfd); 返回值：到达标记处，返回1；没到达，返回0；出错，返回-1 说明： 可以在普通数据流中接收紧急数据，也可以在recv函数中采用MSG_OOB标志在其他队列数据之前接收紧急数据。 TCP队列仅用一个字节接收紧急数据，如果在接收当前紧急数据前又有新的紧急数据到来，那么已有的字节会被丢弃。