C语言与套接字

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:

1 #include <stdio.h>
2 #include <sys/socket.h>
3 #include <arpa/inet.h>
4 #include <string.h>
5 #include <errno.h>
6 #include <stdlib.h>
7 #include <unistd.h>
8
9 void error(char *msg) {
10     fprintf(stderr, "Error: %s  %s", msg, strerror(errno));
11     exit(1);
12 }
13
14
15 int main(int argc, const char * argv[]) {
16
17
18     char *advice[] = {
19                         "你为什么这么帅!\r\n",
20                         "有没有人夸过你帅？",
21                         "傻逼牛头，笨鳖",
22                         "牛，你是第六人吗？",
23                         "拔插座了吧"};
24
25
26     // 打开
27     int listener_d = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
28     if (listener_d == -1) {
29         error("不能打开套接字");
30     }
31
32     // int reuse = 1;
33    // if (setsockopt(listener_d, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&reuse, sizeof(int)) == -1) {
34     //    error("无法设置套接字的“重新使用端口”选项");
35    // }
36     // 绑定端口
37     struct sockaddr_in name;
38     name.sin_family = PF_INET;
39     name.sin_port = (in_port_t)htons(30000);
40     name.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
41     int c = bind(listener_d, (struct sockaddr *)&name, sizeof(name));
42     if (c == -1) {
43         error("无法绑定端口");
44     }
45
46     // 监听
47     if (listen(listener_d, 10) == -1) {
48         error("无法监听");
49     }
50
51     puts("等待链接...");
52
53     while (1) {
54         // 接受链接
55         struct sockaddr_storage client_addr; // 保存链接客户端的相信信息
56         unsigned int address_size = sizeof(client_addr);
57         int connect_d = accept(listener_d, (struct sockaddr *)&client_addr, &address_size);
58         if (connect_d == -1) {
59             error("无法打开副套接字");
60         }
61
62         // 通信
63         //    char *msg = "Internet Knock-Knock Protocol Server\r\nVersion 1.0\r\nKnock! Knock!\r\n>";
64         char *msg = advice[rand() % 5];
65         if (send(connect_d, msg, strlen(msg), 0) == -1) {
66             error("send");
67         }
68
69         if (close(connect_d) == -1) {
70             error("无法关闭链接");
71         }
72
73     }
74
75
76     return 0;
77 }

// 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；

1 // 从客户端读取数据
2 int read_in(int socket, char *buf, int len) {
3     char *s = buf;
4     int slen = len;
5     int c = (int)recv(socket, s, slen, 0);
6     while ((c > 0) && (s[c-1] != '\n')) {
7         s += c;
8         slen -= c;
9         c = (int)recv(socket, s, slen, 0);
10     }
11
12     if (c < 0) {
13         return c;
14     }else if (c == 0) {
15         buf[0] = '\0';
16     }else {
17         s[c - 1] = '\0';
18     }
19
20     return len - slen;
21 }

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

1 #include <stdio.h>
2 #include <sys/socket.h>
3 #include <arpa/inet.h>
4 #include <string.h>
5 #include <errno.h>
6 #include <stdlib.h>
7 #include <unistd.h>
8 #include <signal.h>
9
10 int listener_d;
11
12 // 错误处理函数
13 void error(char *msg) {
14     fprintf(stderr, "Error: %s  %s", msg, strerror(errno));
15     exit(1);
16 }
17
18 // 开启socket
19 int open_listener_socket() {
20     int s = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
21     if (s == -1) {
22         error("Can't open socket");
23     }
24     return s;
25 }
26
27 // 绑定端口
28 void bind_to_port(int socket, int port) {
29     struct sockaddr_in name;
30     name.sin_family = PF_INET;
31     name.sin_port = (in_port_t)htons(port);
32     name.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
33     int reuse = 1;
34     if (setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&reuse, sizeof(int)) == -1) {
35         error("Can't set the reuse option on the socket");
36     }
37     int c = bind(socket, (struct sockaddr*)&name, sizeof(name));
38     if (c == -1) {
39         error("Can't bind to socket");
40     }
41 }
42
43 // 向客户端发消息
44 int say(int socket, char *s) {
45     int result = (int)send(socket, s, strlen(s), 0);
46     if (result == -1) {
47         fprintf(stderr, "%s: %s \n","和客户端通信发生错误",strerror(errno));
48     }
49     return result;
50 }
51
52 // 处理服务中断
53 void handle_shutdown(int sig) {
54     if (listener_d) {
55         close(listener_d);
56     }
57     fprintf(stderr, "Bye! \n");
58     exit(0);
59 }
60
61 // 监听信号
62 int catch_signal(int sig, void (*handler)(int)) {
63     // 创建一个新动作
64     struct sigaction action;
65     // 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
66     action.sa_handler = handler;
67     // 使用掩码过滤信号，通常会用一个空的掩码
68     sigemptyset(&action.sa_mask);
69     // 一些附加的标志位，置为0就行了
70     action.sa_flags = 0;
71
72     return sigaction(sig, &action, NULL);
73 }
74
75 // 从客户端读取数据
76 int read_in(int socket, char *buf, int len) {
77     char *s = buf;
78     int slen = len;
79     int c = (int)recv(socket, s, slen, 0);
80     while ((c > 0) && (s[c-1] != '\n')) {
81         s += c;
82         slen -= c;
83         c = (int)recv(socket, s, slen, 0);
84     }
85
86     if (c < 0) {
87         return c;
88     }else if (c == 0) {
89         buf[0] = '\0';
90     }else {
91         s[c - 1] = '\0';
92     }
93
94     return len - slen;
95 }
96 int main(int argc, const char * argv[]) {
97
98     // 监听中断
99     if (catch_signal(SIGINT, handle_shutdown) == -1) {
100         error("Can not set the interrupt handler");
101     }
102
103     // 打开socket
104     listener_d = open_listener_socket();
105
106     // 绑定端口
107     bind_to_port(listener_d, 30000);
108
109     // 监听
110     if (listen(listener_d, 1) == -1) {
111         error("Can't listen");
112     }
113
114     puts("Waiting for connection");
115
116     // 客户端
117     struct sockaddr_storage client_addr;
118     unsigned int addr_size = sizeof(client_addr);
119
120     char buf[255];
121
122     while (1) {
123
124         // 链接
125         int connect_d = accept(listener_d, (struct sockaddr*) &client_addr, &addr_size);
126         if (connect_d == -1) {
127             error("Can't open secondary socket");
128         }
129
130         // 子进程
131         //if (!fork()) {
132
133            // close(listener_d);
134
135             if (say(connect_d, "Internet Knock-Knock Protocol Servet\r\nVersion 1.0\r\nKnock! Knock!\r\n>") != -1) {
136
137                 read_in(connect_d, buf, sizeof(buf));
138                 if (strncasecmp("Who's there?", buf, (2))) {
139                     say(connect_d, "You should say 'Who's there?' !");
140                 }else {
141                     if (say(connect_d, "Oscar\r\n>") != -1) {
142                         read_in(connect_d, buf, sizeof(buf));
143
144                         if (strncasecmp("Oscar who?", buf, (0))) {
145                             say(connect_d, "You should say 'Oscar who?' !");
146                         }else {
147                             say(connect_d, "Oscar silly question, you set a silly answer!\r\n");
148                         }
149                     }
150                 }
151
152             }
153
154            // close(connect_d);
155            // exit(0);
156        // }
157
158         close(connect_d);
159     }
160
161
162     return 0;
163 }

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

1  // 子进程
2         if (!fork()) {
3
4             close(listener_d);
5
6             if (say(connect_d, "Internet Knock-Knock Protocol Servet\r\nVersion 1.0\r\nKnock! Knock!\r\n>") != -1) {
7
8                 read_in(connect_d, buf, sizeof(buf));
9                 if (strncasecmp("Who's there?", buf, (2))) {
10                     say(connect_d, "You should say 'Who's there?' !");
11                 }else {
12                     if (say(connect_d, "Oscar\r\n>") != -1) {
13                         read_in(connect_d, buf, sizeof(buf));
14
15                         if (strncasecmp("Oscar who?", buf, (0))) {
16                             say(connect_d, "You should say 'Oscar who?' !");
17                         }else {
18                             say(connect_d, "Oscar silly question, you set a silly answer!\r\n");
19                         }
20                     }
21                 }
22
23             }
24
25             close(connect_d);
26             exit(0);
27         }

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

1 #include <stdio.h>
2 #include <sys/socket.h>
3 #include <arpa/inet.h>
4 #include <string.h>
5 #include <errno.h>
6 #include <stdlib.h>
7 #include <unistd.h>
8 #include <signal.h>
9 #include <netdb.h>
10
11
12 // 错误处理函数
13 void error(char *msg) {
14     fprintf(stderr, "Error: %s  %s", msg, strerror(errno));
15     exit(1);
16 }
17
18 // 向客户端发消息
19 int say(int socket, char *s) {
20     int result = (int)send(socket, s, strlen(s), 0);
21     if (result == -1) {
22         fprintf(stderr, "%s: %s \n","和客户端通信发生错误",strerror(errno));
23     }
24     return result;
25 }
26
27
28
29 // 根据域名和端口开启socket
30 int open_socket(char *host, char *port) {
31
32     struct addrinfo *res;
33     struct addrinfo hints;
34     memset(&hints, 0, sizeof(hints));
35     hints.ai_family = PF_UNSPEC;
36     hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
37     if (getaddrinfo(host, port, &hints, &res) == -1) {
38         error("Can't resolve the address");
39     }
40
41     int d_sock = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol);
42     if (d_sock == -1) {
43         error("Can't open socket");
44     }
45
46     int c = connect(d_sock, res->ai_addr, res->ai_addrlen);
47     if (c == -1) {
48         error("Can't connect to socket");
49     }
50
51     return d_sock;
52 }
53
54
55 int main(int argc, const char * argv[]) {
56
57
58
59     int d_sock;
60     d_sock = open_socket("en.wikipedia.org", "80");
61
62     char buf[255];
63     sprintf(buf, "GET /wiki/%s http/1.1\r\n",argv[1]);
64
65     say(d_sock, buf);
66     say(d_sock, "Host: en.wikipedia.org\r\n\r\n");
67
68     char rec[256];
69     int bytesRcvd = recv(d_sock, rec, 255, 0);
70     while (bytesRcvd) {
71         if (bytesRcvd == -1) {
72             error("Can't read from server");
73         }
74
75         rec[bytesRcvd] = '\0';
76         printf("%s",rec);
77         bytesRcvd = recv(d_sock, rec, 255, 0);
78     }
79
80     close(d_sock);
81
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