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Linux操作系統(tǒng)廣泛應用于服務器、互聯(lián)網(wǎng)、嵌入式設備等領(lǐng)域，其成功的原因之一便是其強大的網(wǎng)絡支持。Linux提供了一套完整的Socket編程API，使得程序員可以方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡應用程序。Socket編程是網(wǎng)絡編程的基礎，對于開發(fā)網(wǎng)絡應用程序至關(guān)重要。
專注于為中小企業(yè)提供網(wǎng)站建設、網(wǎng)站設計服務,電腦端+手機端+微信端的三站合一,更高效的管理,為中小企業(yè)大觀免費做網(wǎng)站提供優(yōu)質(zhì)的服務。我們立足成都，凝聚了一批互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才，有力地推動了上1000+企業(yè)的穩(wěn)健成長，幫助中小企業(yè)通過網(wǎng)站建設實現(xiàn)規(guī)模擴充和轉(zhuǎn)變。
本文將系統(tǒng)地介紹linux socket系統(tǒng)調(diào)用相關(guān)知識，包括Socket概念、Socket編程模型、Socket系統(tǒng)調(diào)用接口、Socket編程應用例程等，并結(jié)合應用場景進行實踐演示，以期讀者能夠，掌握Socket編程技術(shù)。
一、Socket概念
Socket是一種傳輸層協(xié)議，用于實現(xiàn)進程間的網(wǎng)絡通信，是Linux中程序進行網(wǎng)絡通信的主要手段。Socket提供了一套完整的API，使得程序員能夠方便地進行網(wǎng)絡編程。
在網(wǎng)絡編程中，Socket常用于描述生成的套接字（socket），套接字是使用網(wǎng)絡傳輸協(xié)議進行通信的兩個程序之間的一條雙向通信鏈路。套接字可使用網(wǎng)絡傳輸協(xié)議TCP、UDP、RAW等。
二、Socket編程模型
Socket編程模型是一種典型的客戶端/服務器模型，其中服務器程序和客戶端程序分別運行在不同的主機上，通過對套接字API的調(diào)用來實現(xiàn)進程間的通信。Socket編程模型通常包括三個要素：服務器、客戶端和Socket。
1、服務器
服務器是Socket編程模型中的核心角色，其職責是等待客戶端的連接請求，并對連接請求進行處理。服務器通過Socket系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個用于偵聽連接請求的套接字，并通過accept系統(tǒng)調(diào)用對連接請求進行響應，最后通過接受到的客戶端請求來完成進程間的通信。
2、客戶端
客戶端是Socket編程模型中的請求方，其職責是主動與服務器建立Socket連接，并通過Socket傳輸數(shù)據(jù)?？蛻舳送ㄟ^Socket系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個用于連接服務器的套接字，并通過connect系統(tǒng)調(diào)用與服務器建立連接。建立連接后，客戶端可以使用send和recv系統(tǒng)調(diào)用來發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。
3、Socket
Socket是Socket編程模型中進程間通信的主要手段，其實現(xiàn)方式與文件讀寫類似，可以使用系統(tǒng)調(diào)用對其進行讀寫操作。對于服務器端，Socket主要用來偵聽客戶端連接請求，創(chuàng)建客戶端與服務器之間的連接；對于客戶端，Socket主要用來主動發(fā)起連接請求，并完成數(shù)據(jù)傳輸操作。
三、Socket系統(tǒng)調(diào)用
Socket系統(tǒng)調(diào)用是Linux操作系統(tǒng)提供的一套API接口，用于操作Socket。Socket系統(tǒng)調(diào)用為Socket編程提供了多種API，包括創(chuàng)建Socket、建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等。
以下是常用的Socket系統(tǒng)調(diào)用：
1、socket：創(chuàng)建一個新的Socket，返回套接字描述符。
2、bind：將地址和端口號綁定到Socket上。
3、listen：開始監(jiān)聽來自客戶端的連接請求。
4、accept：接收客戶端的連接請求，返回一個新的套接字描述符。
5、connect：主動與服務器建立連接。
6、send：向已連接的Socket中發(fā)送數(shù)據(jù)。
7、recv：從已連接的Socket中接收數(shù)據(jù)。
8、shutdown：關(guān)閉Socket的發(fā)送或接收通道。
四、Socket編程應用例程
下面通過一個簡單的Socket編程應用例子來說明Socket編程的具體應用。
使用Socket編寫一個簡單的服務器來接受客戶端的輸入，并將其發(fā)送回客戶端。
1、服務器端程序演示代碼：
“`
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int mn(void)
{
int server_fd, client_fd;
socklen_t client_len;
struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
char buffer[1024];
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
server_addr.sin_port = htons(30001);
if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror(“server: socket error”);
exit(1);
}
if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
perror(“server: bind error”);
exit(1);
}
if (listen(server_fd, 5) == -1) {
perror(“server: listen error”);
exit(1);
}
printf(“server wting for client on port 30001…\n”);
while (1) {
client_len = sizeof(client_addr);
client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
if (client_fd == -1) {
perror(“server: accept error”);
continue;
}
printf(“server: connection from client %s\n”, inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
while (1) {
memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
if (recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0) == -1) {
perror(“server: receive error”);
break;
}
if (strcmp(buffer, “quit\n”) == 0) {
printf(“server: client %s quits\n”, inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
break;
}
printf(“server: receive message %s”, buffer);
if (send(client_fd, buffer, strlen(buffer), 0) == -1) {
perror(“server: send error”);
break;
}
}
close(client_fd);
}
close(server_fd);
return 0;
}
“`
2、客戶端程序演示代碼：
“`
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int mn(int argc, char *argv[])
{
int client_fd, numbytes;
struct hostent *he;
struct sockaddr_in server_addr;
char message[1024];
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, “usage: client hostname\n”);
exit(1);
}
if ((he = gethostbyname(argv[1])) == NULL) {
perror(“client: gethostbyname error”);
exit(1);
}
if ((client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror(“client: socket error”);
exit(1);
}
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr = *((struct in_addr*)he->h_addr);
server_addr.sin_port = htons(30001);
if (connect(client_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
perror(“client: connect error”);
exit(1);
}
printf(“client: connected to server %s\n”, argv[1]);
while (1) {
memset(message, 0, sizeof(message));
fgets(message, sizeof(message), stdin);
if (strcmp(message, “quit\n”) == 0) {
printf(“client quits\n”);
break;
}
if (send(client_fd, message, strlen(message), 0) == -1) {
perror(“client: send error”);
exit(1);
}
if ((numbytes = recv(client_fd, message, sizeof(message), 0)) == -1) {
perror(“client: recv error”);
exit(1);
}
message[numbytes] = ‘\0’;
printf(“client: receive message %s”, message);
}
close(client_fd);
return 0;
}
“`
運行結(jié)果：
1、服務器端運行結(jié)果
“`
server wting for client on port 30001…
server: connection from client 127.0.0.1
server: receive message abc
server: receive message def
server: client 127.0.0.1 quits
“`
2、客戶端運行結(jié)果
“`
client: connected to server 127.0.0.1
abc
client: receive message abc
def
client: receive message def
quit
client quits
“`
以上代碼演示了一個簡單的Socket編程應用，該應用實現(xiàn)了客戶端和服務器端的互相通信，可以作為Socket編程的入門代碼進行學習和研究。
：
相關(guān)問題拓展閱讀：
- linux手冊翻譯——send(2)
- Linux系統(tǒng)I/O模型及select、poll、epoll原理和應用
linux手冊翻譯——send(2)
send, sendto, sendmsg – send a message on a socket
系統(tǒng)調(diào)用 send()、sendto() 和 sendmsg() 用于將消息傳輸?shù)搅硪粋€套接字。
僅當套接字處于連接狀態(tài)時才可以使用 send() 調(diào)用（以便知道預期的接收者， 也就是說send()僅僅用于數(shù)據(jù)流類型的數(shù)據(jù)發(fā)送 ，對于TCP，服務端和客戶端都可以使用send/recv；但是對于UDP，只能是客戶端使用send/recv，服務端只能使用sendto/recvfrom，因為客戶端是進行了connect操作知道要發(fā)送和接受的地址）。send() 和 write(2) 之間的唯一滲衡區(qū)別是存在 flags 參數(shù)。此外，
send(sockfd, buf, len, flags);
等價于
sendto(sockfd, buf, len, flags, NULL, 0);
參數(shù) sockfd 是發(fā)送者套接字的文件描述符。
如果在連接模式的套接字(即套接字類型為SOCK_STREAM、SOCK_SEQPACKET)上使用 sendto()，則參數(shù) dest_addr 和 addrlen 將被忽略(當它們不是NULL和0時可能返回錯誤EISCONN)，若套接字沒有實際連接(還沒有三次握手建立連接)將返回錯誤ENOTCONN。 否則，目標地址由 dest_addr 給出， addrlen 指定其大小。 對于 sendmsg()，目標地址由 msg.msg_name 給出， msg.msg_namelen 指定其大小。
對于 send() 和 sendto()，消息位于 buf 中，長度為 len 。 對于sendmsg()，消息存放于 msg.msg_iov 元素指向
數(shù)組數(shù)據(jù)區(qū)
(見下)中。
sendmsg() 調(diào)用還允許發(fā)送輔助數(shù)據(jù)（也稱為控制信息）
。
如果消息太長而無法通過底層協(xié)議原子傳遞( too long to pass atomically through the underlying protocol )，則返回錯誤 EMSGSIZE，并且不會傳輸消息。
No indication of failure to deliver is implicit in a send(). Locally detected errors are indicated by a return value of -1.
當消息轎陵不適合套接字的發(fā)送緩沖區(qū)時，send() 通常會阻塞，除非套接字已置于非阻塞 I/O 模式。 在這種情況下，在非阻塞模式下它會失敗并顯示錯誤 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。
select(2) 調(diào)用可用于確定何時可以發(fā)送更多數(shù)據(jù)
。
上面的的描述還是很籠統(tǒng)的，以TCP為例，按我的理解，我認為只要發(fā)送緩沖區(qū)有空閑位置，且此時協(xié)議棧沒有向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)，那么就可以寫入，對于阻塞模式，直到所有數(shù)據(jù)寫入到緩沖區(qū)，就會返回，否則一直阻塞，對于非阻塞模式，是有一個超時時間的，這個由 SO_SNDTIMEO 選項控制，詳細見 socket(7) ，如果當前有空閑位置可以發(fā)即當前可寫入，那么就寫入到緩沖區(qū)，知道超時之前寫入多少算多少，然后返回成功寫入的字節(jié)數(shù)，如果超時時任何數(shù)據(jù)都沒寫出去，或者當前就是閉喊戚不可寫入，那么返回-1 ，并設置errno為 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。
The flags argument is the bitwise OR of zero or more of the following flags.
sendmsg() 使用的 msghdr 結(jié)構(gòu)的定義如下：
對于未連接的套接字 msg_name 指定數(shù)據(jù)報的目標地址，它指向一個包含地址的緩沖區(qū)； msg_namelen 字段應設置為地址的大小。 對于連接的套接字，這些字段應分別指定為 NULL 和 0。
這里的未連接指的是數(shù)據(jù)報協(xié)議，連接指的是數(shù)據(jù)流協(xié)議
The msg_iov and msg_iovlen fields specify scatter-gather locations, as for writev(2).
msg_iov是一個buffer數(shù)組:
使用 msg_control 和 msg_controllen 成員發(fā)送控制信息（輔助數(shù)據(jù)）。 內(nèi)核可以處理的每個套接字更大控制緩沖區(qū)長度由 /proc/sys/net/core/optmem_max 中的值限制； 見 socket(7) 。 有關(guān)在各種套接字域中使用輔助數(shù)據(jù)的更多信息，請參閱 unix(7) 和 ip(7)。
msg_flags 字段被忽略。
成功時，返回成功發(fā)送的字節(jié)數(shù)，這個字節(jié)數(shù)并不一定和我們的緩沖區(qū)大小相同
。 出錯時，返回 -1，并設置 errno 以指示錯誤。
這些是套接字層生成的一些標準錯誤。 底層協(xié)議模塊可能會產(chǎn)生和返回額外的錯誤； 請參閱它們各自的手冊頁。
4.4BSD, SVr4, POSIX.1-2023. These interfaces first appeared in 4.2BSD.
POSIX.describes only the MSG_OOB and MSG_EOR flags. POSIX.adds a specification of MSG_NOSIGNAL. The MSG_CONFIRM flag is a Linux extension.
根據(jù) POSIX.1-2023，msghdr 結(jié)構(gòu)的 msg_controllen 字段應該是 socklen_t 類型，而 msg_iovlen 字段應該是 int 類型，但是 glibc 目前將兩者都視為 size_t。
有關(guān)可用于在單個調(diào)用中傳輸多個數(shù)據(jù)報的 Linux 特定系統(tǒng)調(diào)用的信息，請參閱 sendmmsg(2)。
Linux may return EPIPE instead of ENOTCONN.
getaddrinfo(3) 中顯示了使用 send() 的示例。
Linux系統(tǒng)I/O模型及select、poll、epoll原理和應用
理解Linux的IO模型之前，首先要了解一些基本概念，才能理解這些IO模型設計的依據(jù)
操作系統(tǒng)使用虛擬內(nèi)旦談磨存來映射物理內(nèi)存，對于32位的操作系統(tǒng)來說，虛擬地址空間為4G（2^32）。操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，為了保護用戶進程不能直接操作內(nèi)核，保證內(nèi)核安全，操作系統(tǒng)將虛擬地址空間劃分為內(nèi)核空間和用戶空間。內(nèi)核可以訪問全部的地址空間，擁有訪問底層硬件設備的權(quán)限，普通的應用程序需要訪問硬件設備必須通過
系統(tǒng)調(diào)用
來實現(xiàn)。
對于Linux系統(tǒng)來說，將虛擬內(nèi)存的更高1G字節(jié)的空間作為內(nèi)核空間僅供內(nèi)核使用，低3G字節(jié)的空間供用戶進程使用，稱為用戶空間。
又被稱為標準I/O，大多數(shù)文件系統(tǒng)的默認I/O都是緩存I/O。在Linux系統(tǒng)的緩存I/O機制中，操作系統(tǒng)會將I/O的數(shù)據(jù)緩存在頁緩存（內(nèi)存）中，也就是數(shù)據(jù)先被拷貝到內(nèi)核的緩沖區(qū)（內(nèi)核地址空間），然后才會從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到應用程序的緩沖區(qū)（用戶地址空間）。
這種方式很明顯的缺點就是數(shù)據(jù)傳輸過程中需要再應用程序地址空間和內(nèi)核空間進行多次數(shù)據(jù)拷貝操作，這些操作帶來的CPU以及內(nèi)存的開銷是非常大的。
由于Linux系統(tǒng)采用的緩存I/O模式，對于一次I/O訪問，以讀操作舉例，數(shù)據(jù)先會被拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，然后才會從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到應用程序的緩存區(qū)，當一個read系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生的時候，會經(jīng)歷兩個階段：
正是因為這兩個狀態(tài)，Linux系統(tǒng)才產(chǎn)生了多種不同的網(wǎng)絡I/O模式的方案
Linux系統(tǒng)默認情況下所有socke都是blocking的，一個讀操作流程如下：
以UDP socket為例，當用戶進程調(diào)用了recvfrom系統(tǒng)調(diào)用，如果數(shù)據(jù)還沒準備好，應用進程被阻塞，內(nèi)核直到數(shù)據(jù)到來且將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到了應用進程緩沖區(qū)，然后向用戶進程返回結(jié)果，用戶進程才解除block狀態(tài)，重新運行起來。
阻塞模行下只是阻塞了當前的應用進程，其他進程還可以執(zhí)行，不消耗CPU時間，CPU的利用率較高。
Linux可以設置socket為非阻塞的，非阻塞模式下執(zhí)行一個讀操作流程如下：
當用戶進程發(fā)出recvfrom系統(tǒng)調(diào)用時，如果kernel中的數(shù)據(jù)還沒準備好，模斗recvfrom會立即返回一個error結(jié)果，不會阻塞用戶進程，用戶進程收到error時知道數(shù)據(jù)還沒準備好，過一會再調(diào)用recvfrom，直到kernel中的數(shù)據(jù)準備好了，內(nèi)核就立即將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存然后返回ok，這個過程需要用戶進程去輪詢內(nèi)核數(shù)據(jù)是否準備好。
非阻塞模型下由于要處理更多的系統(tǒng)調(diào)用，因此CPU利用率比較低。
應用進程使用sigaction系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核立即返回，等到kernel數(shù)據(jù)準備好時會給用戶進程發(fā)送一個信號，告訴用戶進程可以進行IO操作了，然后用戶進程再調(diào)用IO系統(tǒng)調(diào)用如recvfrom，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到應用進程。流程如下：
相比于輪詢的方式，不需要多次系統(tǒng)調(diào)用輪詢，信號驅(qū)動IO的CPU利用率更高。
異步IO模型與其他模型更大的區(qū)別是，異步IO在系統(tǒng)調(diào)用返回的時候所有操作都已經(jīng)完成，應用進程既不需要等待數(shù)據(jù)準備，也不需要在數(shù)據(jù)到來后等待數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)，流程如下：
在數(shù)據(jù)拷貝完成后，kernel會給用戶進程發(fā)送一個信號告訴其read操作完成了。
是用select、poll等待數(shù)據(jù)，可以等待多個socket中的任一個變?yōu)榭勺x，這一過程會被阻塞，當某個套接字數(shù)據(jù)到來時返回，之后再用recvfrom系統(tǒng)調(diào)用把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩存區(qū)復制到用戶進程，流程如下：
流程類似阻塞IO，甚至比阻塞IO更差，多使用了一個系統(tǒng)調(diào)用，但是IO多路復用更大的侍兄特點是讓單個進程能同時處理多個IO事件的能力，又被稱為事件驅(qū)動IO，相比于多線程模型，IO復用模型不需要線程的創(chuàng)建、切換、銷毀，系統(tǒng)開銷更小，適合高并發(fā)的場景。
select是IO多路復用模型的一種實現(xiàn)，當select函數(shù)返回后可以通過輪詢fdset來找到就緒的socket。
優(yōu)點是幾乎所有平臺都支持，缺點在于能夠監(jiān)聽的fd數(shù)量有限，Linux系統(tǒng)上一般為1024，是寫死在宏定義中的，要修改需要重新編譯內(nèi)核。而且每次都要把所有的fd在用戶空間和內(nèi)核空間拷貝，這個操作是比較耗時的。
poll和select基本相同，不同的是poll沒有更大fd數(shù)量限制（實際也會受到物理資源的限制，因為系統(tǒng)的fd數(shù)量是有限的），而且提供了更多的時間類型。
總結(jié)：select和poll都需要在返回后通過輪詢的方式檢查就緒的socket，事實上同時連的大量socket在一個時刻只有很少的處于就緒狀態(tài)，因此隨著監(jiān)視的描述符數(shù)量的變多，其性能也會逐漸下降。
epoll是select和poll的改進版本，更加靈活，沒有描述符限制。epoll使用一個文件描述符管理多個描述符，將用戶關(guān)系的文件描述符的事件存放到內(nèi)核的一個事件表中，這樣在用戶空間和內(nèi)核空間的copy只需一次。
epoll_create()用來創(chuàng)建一個epoll句柄。
epoll_ctl() 用于向內(nèi)核注冊新的描述符或者是改變某個文件描述符的狀態(tài)。已注冊的描述符在內(nèi)核中會被維護在一棵紅黑樹上，通過回調(diào)函數(shù)內(nèi)核會將 I/O 準備好的描述符加入到一個就緒鏈表中管理。
epoll_wait() 可以從就緒鏈表中得到事件完成的描述符，因此進程不需要通過輪詢來獲得事件完成的描述符。
當epoll_wait檢測到描述符IO事件發(fā)生并且通知給應用程序時，應用程序可以不立即處理該事件，下次調(diào)用epoll_wait還會再次通知該事件，支持block和nonblocking socket。
當epoll_wait檢測到描述符IO事件發(fā)生并且通知給應用程序時，應用程序需要立即處理該事件，如果不立即處理，下次調(diào)用epoll_wait不會再次通知該事件。
ET模式在很大程度上減少了epoll事件被重復觸發(fā)的次數(shù)，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的時候，必須使用nonblocking socket，以避免由于一個文件句柄的阻塞讀/阻塞寫操作把處理多個文件描述符的任務餓死。
【segmentfault】 Linux IO模式及 select、poll、epoll詳解
【GitHub】 CyC2023/CS-Notes
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