Unix/Linux编程： Socket API

男娘i 2022-12-27 01:19 142阅读 0赞

socket是一种IPC方法，它允许位于同一主机或者使用网络连接起来的不同主机上的应用程序之间交换数据。

关键的 socket 系统调用包括以下几种。

*  socket()系统调用创建一个新 socket。
 *  bind()系统调用将一个 socket 绑定到一个地址上。通常，服务器需要使用这个调用来将其 socket 绑定到一个众所周知的地址上使得客户端能够定位到该 socket 上。
 *  listen()系统调用允许一个流 socket 接受来自其他 socket 的接入连接。
 *  accept()系统调用在一个监听流 socket 上接受来自一个对等应用程序的连接，并可选地返回对等 socket 的地址。
 *  connect()系统调用建立与另一个 socket 之间的连接。

socket I/O 可以使用传统的 read()和 write()系统调用或使用一组 socket 特有的系统调用（如send()、recv()、sendto()以及 recvfrom()）来完成。在默认情况下，这些系统调用在 I/O 操作无法被立即完成时会阻塞。通过使用 fcntl() F\_SETFL 操作来启用 O\_NONBLOCK 打开文件状态标记可以执行非阻塞 I/O。

> 在Linux上可以通过调用ioctl(fd, FIONREAD, &cnt)来获取文件描述符fd引用的流socket中可用的未读字节数。对于数据报socket来讲，这个操作会返回下一个未读数据报中的字节数（如果下一个数据报的长度为零的话就返回零）或在没有未决数据报的情况下返回 0。这种特性没有在 SUSv3 中予以规定。

# socket #

在一个典型的客户端/服务器常见中，应用程序使用socket进行通信的方式如下：

*  各个应用程序创建一个socket。socket是一个允许通信的"设备"，两个应用程序都需要用到它
 *  服务器将自己的socket绑定到一个众所周知的地址上使得客户端能够定位到它的位置

使用socket()系统调用能够创建一个socket，它返回一个用来在后继系统调用中应用该socket的文件描述符

NAME
           socket -创建一个新 socket
    
    SYNOPSIS
           #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
           #include <sys/socket.h>
    
           int socket(int domain, int type, int protocol);
    
    DESCRIPTION
    	  domain： 通信域
    	  
    	  type：类型
    	  
    	  protocal：通信范围
    
    RETURN VALUE
    	  如果正确，返回一一个非负int类型的值，表示该socket实例唯一标识符的文件描述符。这个值可以调用其他系统调用来进行各种操作，比如绑定和监听端口、发送数据等。套接字将处于close状态
    
    	  如果失败，返回-1，并设置error

（1）socket存在于一个通信domain中，它用于确定确定：

*  识别出一个socket的方法（即 socket“地址”的格式）
 *  通信范围（即是在位于同一主机上的应用程序之间还是在位于使用一个网络连接起来的不同主机上的应用程序之间）

其取值如下

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>domain</th> 
   <th>说明</th> 
   <th>应用程序间的通信</th> 
   <th>地址格式</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>AF_INET</td> 
   <td>IPv4协议</td> 
   <td>通过 IPv4 网络连接起来的主机</td> 
   <td>128 位 IPv6 地址+16 位端口号</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>AF_INET6</td> 
   <td>IPv6协议</td> 
   <td>通过 IPv6 网络连接起来的主机</td> 
   <td>32 位 IPv4 地址+16 位端口号</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>AF_UNIX, AF_LOCAL</td> 
   <td>Unix域协议</td> 
   <td>同一主机(内核中)</td> 
   <td>路径名</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>AF_ROUTE</td> 
   <td>路由套接字</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>AF_KEY</td> 
   <td>密钥套接字</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

> 关于AF和PF：AF\_前缀表示地址族，PF\_前缀表示协议族 ，因为历史上曾想让一个协议族（PF）支持多个地址族（AF），用PF来创建套接字，用AF来创建套接字地址结构，然而就只是想想，没有实现。现在AF和PF的值是相等的。

现代操作系统至少应该支持如下domain：

*  UNIX (AF\_UNIX) domain运行在同一主机上的应用程序之间进行通信
 *  IPv4 (AF\_INET) domain 允许在使用因特网协议第 4 版（IPv4）网络连接起来的主机上的应用程序之间进行通信
 *  IPv6 (AF\_INET6) domain 允许在使用因特网协议第 6 版（IPv6）网络连接起来的主机上的应用程序之间进行通信

（2）type取值

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>type</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>SOCK_STREAM</td> 
   <td>字节流套接字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SOCK_DGRAM</td> 
   <td>数据报套接字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SOCK_SEQPACKET</td> 
   <td>有序分组套接字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SOCK_RAM</td> 
   <td>原始套接字</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

注意：自Linux内核2.6.17起，type参数可以接受SOCK\_STREAM和SOCK\_DGRAM类型与**SOCK\_NONBLOCK**、**SOCK\_CLOEXEC**相与。它们分别表示将新创建的socket设为非阻塞的从而无需通过调用 fcntl()来取得同样的结果)，以及用fork调用创建子进程时在子进程中关闭该socket。

每个 socket 实现都至少提供了两种 socket：流和数据报，其属性总结如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>属性</th> 
   <th>流</th> 
   <th>数据报</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>可靠地递送？</td> 
   <td>是</td> 
   <td>否</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>消息边界保留？</td> 
   <td>否</td> 
   <td>是</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>面向连接？</td> 
   <td>是</td> 
   <td>否</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

流socket(SOCK\_STREAM)提供了一个可靠的双向字节流通信信道：

*  可靠的：表示可以保证发送者传输的数据会完整无缺的到达接收应用程序（假设网络链接和接收者都不会崩溃）或者收到一个传输失败的通知
 *  双向的：表示数据可以在两个socket之间的任意方向上传输
 *  字节流：表示与管道一样一寸照消息边界的概念

（3）protocol取值

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>protocol</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>IPPROTO_CP（ipproto）</td> 
   <td>TCP传输协议</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>IPPROTE_UDP</td> 
   <td>UDP传输协议</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>IPPROTO_SCTP</td> 
   <td>SCTP传输协议</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

一般都设置为0，因为前两个参数已经完全决定了它的值

当调用`SOCKET`之后就会创建一个套接字

int Socket(int family, int type, int protocol)
    {
        
        int		n;
    
        if ( (n = socket(family, type, protocol)) < 0){
        
            printf("socket error");
            exit(0);
        }
    
        return(n);
    }

一个流类似于使用一对运行在两个应用程序之间进行双向通信的管道，它们之间的差别在于于（Internet domain）socket运行在网络上进行通信

流socket的正常通信需要一对相互连接的socket，因此流socket被称为面向连接的。

数据报socket（SOCK\_DGRAM）允许数据以被称为数据报的消息的形式进行交换。在数据报socket中，消息边界得到了保留，但数据传输是不可靠的，消息的到达可能是无序的、重复或者根本就无法到达的

数据报socket是无连接的socket。与流socket不同，一个数据报socket在使用时无需与另一个socket连接。

在 Internet domain 中，数据报 socket 使用了用户数据报协议（UDP），而流 socket 则（通常）使用了传输控制协议（TCP）。一般来讲，在称呼这两种 socket 时不会使用术语“Internet domain数据报 socket”和“Internet domain 流 socket”，而是分别使用术语“UDP socket”和“TCP socket”

# bind #

NAME
           bind - bind a name to a socket
    
    SYNOPSIS
           #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
           #include <sys/socket.h>
    
           int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                    socklen_t addrlen);
    
    DESCRIPTION
    	bind函数把myaddr所指的soket地址分配给未命名(未绑定)的sockfd文件描述符
    
    	addr 参数是一个指针，它指向了一个指定该 socket 绑定到的地址的结构。传入这个参数的结构的类型
    	取决于 socket domain。addrlen 参数指定了地址结构的大小
    
    返回值： 
    	成功0，失败-1并设置error

> 一般来讲，会将一个服务器的 socket 绑定到一个众所周知的地址——即一个固定的与服务器进行通信的客户端应用程序提前就知道的地址。

调用`bind`函数可以指定一个端口号，或者一个IP地址，也可以两者都指定，或者两者都不指定。

（1）如果一个TCP客户端/服务器没有使用bind绑定一个端口，当调用`connect`或者`listen`的时候，内核就会为相应的套接字选择一个临时端口：

*  TCP客户端使用临时端口很常见
 *  TCP服务器一般必须一个固定端口，不然其他客户端就不能去连接这个服务器了
 *  一个例外是远程过程调用RPC服务器，它们通常就由内核为她们监听套接字选择一个临时端口（可以使用 getsockname()来获取 socket 的地址），在这种场景中，服务器必须要发布其地址使得客户端能够知道如何定位到服务器的 socket。这种发布可以通过向一个中心目录服务应用程序注册服务器的地址来完成，之后客户端可以通过这个服务来获取服务器的地址。（如 Sun RPC 使用了自己的 portmapper 服务器来解决这个问题。）当然，目录服务应用程序的 socket 必须要位于一个众所周知的地址上。

（2）如果一个TCP客户端/服务器使用bind指定端口0作为固定端口，内核就会在调用bind时选择一个临时端口

（3）我们可以在进程中调用bind为进程指定一个IP地址，不过这个IP地址必须属于其所在主机的网络接口之一。

*  TCP客户端绑定IP地址之后，这个地址就作为该套接字发送IP数据报的源IP地址。

> 不过TCP客户端一般不手动绑定，内核对自动根据所用外出网络接口来选择源IP地址，而所用外出接口则取决于到达服务器所需的路径。

*  TCP服务器绑定IP地址之后，这个套接字就只接收目的地址是这个IP地址的客户连接

> 如果TCP服务器不指定IP地址（INADDR\_ANY），内核就会把客户发送SYN的目的IP地址作为服务器的源IP地址

#include <netinet/in.h>
        struct sockaddr_in servaddr_v4;
        servaddr_v4.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    
        struct sockaddr_in6 servaddr_v6;
        servaddr_v6.sin6_addr = in6addr_any;
    
    
    
    
    
    
    void Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
    {
        
        if (bind(fd, sa, salen) < 0){
        
            printf("bind error");
            exit(0);
        }
    }

bind失败的常见错误：

*  **EACCES**：被绑定的地址是受保护的地址，仅超级用户能够访问。比如普通用户将socket绑定要知名端口（0-1023）上时
 *  **EADDRINUSE**：被绑定的地址正在使用中

# listen #

NAME
          listen - listen for connections on a socket
    
    SYNOPSIS
          #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
          #include <sys/socket.h>
    
         int listen(int sockfd, int backlog);
    
    DESCRIPTION
    	 listen()系统调用将文件描述符 sockfd 引用的流 socket 标记为被动。这个 socket 后面会被
    	 用来接受来自其他（主动的）socket 的连接
    	 
    	 backlog规定了内核应该为这个套接字排队的最大连接个数
    
    	 无法在一个已连接的 socket（即已经成功执行 connect()的 socket 或由 accept()调用返回的
    	 socket）上执行 listen()。
    
    RETURN VALUE
    	 成功0， 错误-1并设置error

listen仅由TCP服务器调用，它做两件事：

*  当socket函数创建一个套接字时，它被假设为一个主动套接字，也就是说，它是一个将调用`connect`发起连接的客户套接字。`listen`函数把一个未连接的套接字转换成一个被动套接字，指示内核应接收指向该套接字的连接请求。即**调用`listen`之后，套接字从`CLOSED`状态转换为`LISTEN`状态**
 *  **将创建一个监听队列以存放待处理的客户连接**，`backlog`规定了内核应该为这个套接字排队的最大连接个数。监听队列的长度如果超过backlog，服务器将不受理新的客户连接，客户端也收到`ECONNREFUSED`错误。

要理解 backlog 参数的用途首先需要注意到客户端可能会在服务器调用 accept()之前调用connect()。这种情况是有可能会发生的，如服务器可能正忙于处理其他客户端。这将会产生一个未决的连接，如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
内核必须要记录所有未决的链接请求的相关信息，这样后继的accept()就能够处理这些请求了。backlog参数允许限制这种未决连接的数量。

> 在内核版本2.2之前的linux中，backlog参数是指所有处于半连接状态(SYNC\_RCVD)和完全连接状态(ESTABLISHED)的socket的上限。  
> 在内核版本2.2之后，它只表示处于完全连接状态的socket的上限，处于半连接状态的socket的上限则由`/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog`内核参数定义。backlog参数的典型值是5

内核会为任何一个给定的监听套接字维护两个队列：

*  **未完成连接队列**：当监听套接字收到客户端发来的`SYN`之后，而服务器还没有和这个连接进行TCP三次握手的时候，这些套接字处理`SYN_SEND`状态。
 *  **已完成连接队列**：每个已经完成TCP三路握手过程的客户对应其中一项。这些套接字处于`ESTABLISHED`状态  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
    每当在未完成队列中创建一项时，来自监听套接字的参数就复制到即将建立的连接中，连接的创建机制是完全自动的，无需服务器插手  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]
 *  在三次握手正常完成的前提下（没有丢失分节，没有重传），未完成连接队列中的任何一项在其中的存留时间是一个RTT，其RTT的值取决于特定的客户与服务器（对于web服务器RTT一般是187ms）。
 *  当一个客户的SYNC到达时，如果这些队列是满的，TCP就暂时忽略该分节，也就是不发送RST，这样做是因为：这种情况是暂时的，客户TCP将重发SYN，期望不久就能在这些队列中找到可用空间。如果服务器TCP立即响应一个RST，客户的connect调用就会立即返回一个错误，强制应用程序处理这种情况，而不是让TCP的正常重传机制来处理。另外，客户无法区别响应SYNC的RST是“该端口没有服务器在监听”还是“该端口由服务器在监听，但是队列满了”
 *  在三次握手完成之后，服务器调用`accept`之前到达的数据应该由服务器TCP排队，最大数据量为相应已连接套接字的接收缓冲区大小

void Listen(int fd, int backlog)
    {
        
        char	*ptr;
    
        if ( (ptr = getenv("LISTENQ")) != NULL)
            backlog = atoi(ptr);
    
        if (listen(fd, backlog) < 0){
        
            printf("listen error");
            exit(0);
        }
    }

> 问：backlog参数对listen系统调用的实际影响

(1) 先编写服务器程序

#include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <signal.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <assert.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <stdbool.h>
    #include <memory.h>
    
    static bool stop = false;
    static void handle_term( int sig )
    {
        
        stop = true;
    }
    
    int main( int argc, char* argv[] )
    {
        
        struct sockaddr_in address;
        const char* ip;
        int port, backlog, sock;
        int ret;
        signal( SIGTERM, handle_term );
        
        if( argc <= 3 )
        {
        
            printf( "usage: %s ip_address port_number backlog\n", basename( argv[0] ) );
            return 1;
        }
        
        ip = argv[1];
        port = atoi( argv[2] );
        backlog = atoi( argv[3] );
    
        sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
        assert( sock >= 0 );
        
        bzero( &address, sizeof( address ) );
        address.sin_family = AF_INET;
        address.sin_port = htons( port );
        
        inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
        ret = bind( sock, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
        assert( ret != -1 );
    
        ret = listen( sock, backlog );
        assert( ret != -1 );
    
        while ( ! stop )
        {
        
            sleep( 1 );
        }
    
        close( sock );
        return 0;
    }

（2）命令行执行  
![在这里插入图片描述][20201229091124517.png]  
并且使用`telnet 192.168.0.12 12345`多次建立连接，每执行一次就使用`netstat -nt | grep 12345`来查看状态  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

# accept #

accept()系统调用在文件描述符 sockfd 引用的监听流 socket 上接受一个接入连接。如果在调用 accept()时不存在未决的连接，那么调用就会阻塞直到有连接请求到达为止

/*
    * 参数：
    * 	* sockfd： 监听套接字，由socket创建
    * 	* cliaddr： 用来返回已连接的客户端的协议地址。如果对客户地址不管兴趣，可以置为NULL
    * 	* addrlen：是值-结果参数，调用前，为cliaddr的地址长度，调用后，为内核存放在该地址结果内的确切字节数。如果对客户地址不管兴趣，可以置为NULL
    * 返回值： 出错-1，成功返回已连接套接字
    */
    int accept (int sockfd, struct sockaddr *__restrict cliaddr,
    		   socklen_t *__restrict addr_len)

（1） **监听套接字** VS **已连接套接字**：

*  一个服务器通常只创建一个**监听套接字**(listen)，它在该服务器的生命期内一直存在
 *  内核会为每个服务器进程接收的客户连接创建一个**已连接套接字（此时三次握手已完成–ESTABLISTEN）**。当服务器完成给定客户的服务时，记得关闭这个已连接套接字

> 问： 如果监听队列中处于`ESTABLISTEN`状态的连接对应的客户端出现网络异常(比如掉线)或者提前退出，那么服务器对这个连接执行的accept调用是否能够成功？

（1）编写代码

#include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <assert.h>
    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <errno.h>
    #include <string.h>
    
    int main( int argc, char* argv[] )
    {
        
        if( argc <= 2 )
        {
        
            printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );
            return 1;
        }
        const char* ip = argv[1];
        int port = atoi( argv[2] );
    
        struct sockaddr_in address;
        bzero( &address, sizeof( address ) );
        address.sin_family = AF_INET;
        inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
        address.sin_port = htons( port );
    
        int sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
        assert( sock >= 0 );
    
        int ret = bind( sock, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
        assert( ret != -1 );
    
    	sleep(20);  //暂停20s以便客户端连接、掉线或者退出完成
    
        ret = listen( sock, 5 );
        assert( ret != -1 );
    
        struct sockaddr_in client;
        socklen_t client_addrlength = sizeof( client );
        int connfd = accept( sock, ( struct sockaddr* )&client, &client_addrlength );
        if ( connfd < 0 )
        {
        
            printf( "errno is: %d\n", errno );
        }
        else
        {
        
            char remote[INET_ADDRSTRLEN ];
            printf( "connected with ip: %s and port: %d\n", 
                inet_ntop( AF_INET, &client.sin_addr, remote, INET_ADDRSTRLEN ), ntohs( client.sin_port ) );
            close( connfd );
        }
    
        close( sock );
        return 0;
    }

（2）执行下面操作

*  服务器主机运行服务端程序： ./fork\_process 192.168.0.12 12345
 *  客户端主机连接服务端命令： telnet 192.168.0.12 12345 ， 然后断开网络
 *  服务器主机上查看socket的状态： netstat -anp | grep 12345  
    ![在这里插入图片描述][20201229135008353.png]  
    ![在这里插入图片描述][20201229135201504.png]

总结： **accept调用对客户端网络的断开毫不知情**

(3) 执行下面操作

*  服务器主机运行服务端程序： ./fork\_process 192.168.0.12 12345
 *  客户端主机连接服务端命令： telnet 192.168.0.12 12345 ， 然后关闭客户端连接
 *  服务器主机上查看socket的状态： netstat -anp | grep 12345  
    ![在这里插入图片描述][202012291412146.png]  
    ![在这里插入图片描述][20201229141547811.png]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
总结：**accept只是从监听队列中取出连接，而不论连接处于何种状态，更不关心任何网络的变化**

econnrefused

## 带有超时连接的accept ##

socket_stream* server_socket::accept(int timeout /* = 0 */, bool* etimed /* = NULL */){
        
            if (etimed) {
        
                *etimed = false;
            }
    
            if (listen_fd_ == nullptr) {
        
                logger_error("server socket not opened!");
                return NULL;
            }
    
            if (timeout > 0) {
        
                if (listen_fd_->acl_read_wait(timeout) == -1) {
        
                    if (etimed) {
        
                        *etimed = true;
                    }
                    return NULL;
                }
            }
    
    
            acl_socket* conn_fd = listen_fd_->acl_accept(NULL, 0, NULL);
            if (conn_fd == NULL) {
        
                if (open_flag_ & ACL_NON_BLOCKING) {
        
                    logger_error("accept error %s", strerror(errno));
                } else if (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK) {
        
                    logger_error("accept error %s", strerror(errno));
                    return NULL;
                }
            }
    
            socket_stream *client = new socket_stream();
            return client;
        }

## 错误 ##

static int accept_ok_errors[] = {
        
                    EAGAIN,
                    ECONNREFUSED,
                    ECONNRESET,
                    EHOSTDOWN,
                    EHOSTUNREACH,
                    EINTR,
                    ENETDOWN,
                    ENETUNREACH,
                    ENOTCONN,
                    EWOULDBLOCK,
                    ENOBUFS,			/* HPUX11 */
                    ECONNABORTED,
                    0,
            };

> `EINPROGRESS`

操作正在进行中。一个阻塞的操作正在执行。

> `ECONNREFUSED`

*  拒绝连接。一般发生在连接建立时。
    
     *  拔服务器端网线测试，客户端设置keep alive时，recv较快返回0， 先收到ECONNREFUSED (Connection refused)错误码，其后都是ETIMEOUT。
 *  从connect()返回的错误，因此它只能发生在客户端(如果客户端被定义为发起连接的一方)
 *

> `ENOTCONN`

*  在一个没有建立连接的socket上，进行read，write操作会返回这个错误。出错的原因是socket没有标识地址。Setsoc也可能会出错。
 *  还有一种情况就是收到对方发送过来的RST包,系统已经确认连接被断开了

--------------------

套接字操作需要一个目的地址,但是套接字尚未连接.

--------------------

我目前正在维护一些网络服务器软件，我需要执行大量的I/O操作。在套接字上使用时，read()，write()，close()和shutdown()调用有时可能会引发ENOTCONN错误。这个错误究竟意味着什么？什么是会触发它的条件?

*  如果您确定自己已经正确连接，ENOTCONN最有可能是由fd在您处于请求中间的情况下(可能在另一个线程中)被关闭引起的，或者当你处于请求的中间时，通过连接丢弃。 无论如何，这意味着插座没有连接。继续并清理该套接字。它已经死了。调用close()或shutdown()就可以了。[https://oomake.com/question/153611][https_oomake.com_question_153611]
 *

> EISCONN

*  一般是socket客户端已经连接了，但是调用connect，会引起这个错误。
 *  在一个已经连接的套接字上调用 connect(2) 或者指定的目标地址在一个已连接的套接字上.

https://blog.csdn.net/svap1/article/details/70809798

> `EAGAIN`：

*  表示资源不可用，使用非阻塞操作时经常遇到，并不是一种错误

如果连接数目达此上限则client 端将收到ECONNREFUSED 的错

> `EWOULDBLOCK`

用于非阻塞模式，不需要重新读或者写

因为非阻塞，所以，read,write,等等只要不能马上操作就会返回这个错误，它的意思是让软件再尝试直到OK为止。所以，遇见这个错误只要重新再读就可以了

> `ENOBUFS`

可用的缓冲区空间不足。只有释放了足够的资源，才能创建套接字。

> `ECONNRESET_`

连接被远程主机关闭。有以下几种原因：远程主机停止服务，重新启动;当在执行某些操作时遇到失败，因为设置了“keep alive”选项，连接被关闭，一般与ENETRESET一起出现。

1、在客户端服务器程序中，客户端异常退出，并没有回收关闭相关的资源，服务器端会先收到ECONNRESET错误，然后收到EPIPE错误。

2、连接被远程主机关闭。有以下几种原因：远程主机停止服务，重新启动;当在执行某些操作时遇到失败，因为设置了“keep alive”选项，连接被关闭，一般与ENETRESET一起出现。

3、远程端执行了一个“hard”或者“abortive”的关闭。应用程序应该关闭socket，因为它不再可用。当执行在一个UDP socket上时，这个错误表明前一个send操作返回一个ICMP“port unreachable”信息。

4、如果client关闭连接,server端的select并不出错(不返回-1,使用select对唯一一个socket进行non- blocking检测),但是写该socket就会出错,用的是send.错误号:ECONNRESET.读(recv)socket并没有返回错误。

5、该错误被描述为“connection reset by peer”，即“对方复位连接”，这种情况一般发生在服务进程较客户进程提前终止。

> `ECONNABORTED Software caused connection abort`

1、软件导致的连接取消。一个已经建立的连接被host方的软件取消，原因可能是数据传输超时或者是协议错误。

2、该错误被描述为“software caused connection abort”，即“软件引起的连接中止”。原因在于当服务和客户进程在完成用于 TCP 连接的“三次握手”后，客户 TCP 却发送了一个 RST （复位）分节，在服务进程看来，就在该连接已由 TCP 排队，等着服务进程调用 accept 的时候 RST 却到达了。POSIX 规定此时的 errno 值必须 ECONNABORTED。源自 Berkeley 的实现完全在内核中处理中止的连接，服务进程将永远不知道该中止的发生。服务器进程一般可以忽略该错误，直接再次调用accept。

当TCP协议接收到RST数据段，表示连接出现了某种错误，函数read将以错误返回，错误类型为ECONNERESET。并且以后所有在这个套接字上的读操作均返回错误。错误返回时返回值小于0。

https://blog.csdn.net/wuji0447/article/details/78356875

# connect #

服务器是通过`listen`调用被动接受连接，而客户端通过connect主动发起连接：

/*
    * 功能： TCP客户使用connect函数来建立与TCP服务器的连接
    * 返回值： 成功0，出错-1
    */
    int connect (int soccket, const struct sockaddr * servaddr, socklen_t len)

1.  如果客户端在调用connect之前没有使用`bind`指定IP地址和端口，内核就会自己确定源IP地址，并选择一个临时端口作为源端口
2.  如果是TCP套接字，调用`connect`函数将激发TCP的三次握手工程，并且仅在连接建立成功或者出错才返回，其中出错原因可能如下：

（1）`ETIMEDOUT`

*  如果TCP客户没有收到`SYNC`分节的响应，返回`ETIMEDOUT`错误。

> 如果第一次过6s没有收到响应，过再发一次SYN，24s之后没有响应再发一次。。。75s之后仍没有反应就返回ETIMEDOUT  
> 当然我们可以自己定义超时时间

（2） `ECONNREFUSED`

*  客户端调用`connect`向服务器的某个端口发起一个请求后，服务器发现该端口上没有相应的进程在等待，就会返回一个`RST`（这是一种**硬错误(hard error)**），`connect`一收到RST就马上返回`ECONNREFUSED`错误  
    ![在这里插入图片描述][20201206202855143.png]  
    上面就是一个RST错误

（3）`EHOSTUNREACH`、`UNETUNREACH`

*  如果客户端发出SYN时中间的某个路由器引发了一个`destination unreachable(目的地不可达)`的ICMP错误（这是一种**软错误(soft error)**）。客户端主机内核会保存该消息，并按第一种情况所说的时间间隔继续发送SYN，如果在72s之后仍未收到相应，则把保存的消息(即ICMP)错误作为`ehostunreach`和`enetunreach`错误返回给进程。![在这里插入图片描述][20201206202929521.png]

`connect`函数导致当前套接字从`CLOSE`状态转移到`SYN_SENT`状态，如果成功则再转移到`established`状态。**如果`connect`失败将导致该套接字不可用，必须关闭**，我们不能对这样的套接字再次调用connect

其他错误： 当我们以非阻塞的方式来进行连接的时候，返回的结果如果是 -1,这并不代表这次连接发生了错误，如果它的返回结果是 `EINPROGRESS`，那么就代表连接还在进行中。 后面可以通过poll或者select来判断socket是否可写，如果可以写，说明连接完成了。

void Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
    {
        
        if (connect(fd, sa, salen) < 0){
        
            printf("connect error");
            exit(0);
        }
    }

# `close`函数 #

#include <unistd.h>
    /*
    * 功能：  套接字引用计数减1.当为0时立即关闭连接
    * 返回值： 成功0，出错-1
    */
     int close (int __fd)

并发服务器中父进程关闭已连接套接字只是导致相应描述符的**引用计数值减1**。如果引用计数值大于0，这个`close`调用并不引发TCP的四分组连接终止序列。

如果我们确实想要在某个TCP连接上发送一个FIN（**表示立即终止连接**），可以改用`shutdown`函数。

> 问：如果父进程对每个由`accept`返回的已连接套接字都不调用`close`，那么在并发服务器中将会发生什么？

*  父进程将耗尽可用描述符，因为任何进程在任何时刻可拥有打开着的描述符数量是有限的
 *  另外，没有一个客户连接会被终止。当子进程关闭已连接套接字时，它的引用计数器将由2递减为1，又父进程没有`close`这个套接字，那么这个套接字的引用计数值将一直保持为1，这将妨碍TCP连接终止序列的发生，导致连接一直打开着

# shutdown #

#include <sys/socket.h>
    /*
    * 功能：
    * 返回值：成功0，失败-1
    */
    int shutdown(int socket, int howto);

sock 为需要断开的套接字，howto 为断开方式。  
howto 在 Linux 下有以下取值：  
![在这里插入图片描述][20201229142514965.png]

综上：

*  close函数会关闭套接字ID，如果有其他的进程共享着这个套接字，那么它仍然是打开的，这个连接仍然可以用来读和写，只是套接字的引用计数减1。
 *  shutdown会切断进程共享的套接字的所有连接，不管这个套接字的引用计数是否为零，那些试图读得进程将会接收到EOF标识，那些试图写的进程将会检测到SIGPIPE信号，同时可利用shutdown的第二个参数选择断连的方式
 *  shutdown能够分别关闭socket的读/写或者全部关闭。而close只能将socket上的读全部关闭
 *  调用shutdown()只是进行了TCP断开, 并没有释放文件描述符

# 流 socket #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

流socket通常可以分为主动和被动两种：

*  默认情况下，使用socket()是主动的。一个主动socket可以用在connect()调用中来建立一个到一个被动 socket 的连接。这种行为被称为执行一个主动的打开。
 *  一个被动 socket（也被称为监听 socket）是一个通过调用 listen()以被标记成允许接入连接的 socket。接受一个接入连接通常被称为执行一个被动的打开。

在大多数使用流 socket 的应用程序中，服务器会执行被动式打开，而客户端会执行主动式打开。

一对连接的流socket在两个端点之间提供了一个双向通信通道。如下：  
![在这里插入图片描述][20210607154943101.png]  
连接流socket上IO的语义与管道上IO的语义类似：

*  要执行IO需要使用read()和write()系统调用(或者socket特有的send()和recv()调用)。由于socket是双向的，因此在连接的两端都可以使用这两个调用。
 *  一个socket可以使用close()系统调用来关闭或者在应用程序终止之后关闭。之后当对等的应用程序试图从连接的另一端读取数据时将会收到文件结束（当所有缓冲数据都被读取之后）。如果对等应用程序试图向其socket写入数据，那么它就会收到一个SIGPIPE信号，并且返回EPIPE错误。处理这种错误的常见方法是忽略 SIGPIPE 信号并通过 EPIPE 错误找出被关闭的连接。

## 判断是监听套接字(listen)还是非监听套接字(connect) ##

/**
     * 检查套接字：是监听套接字还是网络套接字
     * @param fd {ACL_SOCKET} 套接字句柄
     * @return {int} 返回 -1 表示该句柄非套接字，1 为监听套接字，0 为非监听套接字
     */
    int acl_check_socket(ACL_SOCKET fd);
    
    /**
     * 判断套接字是否为监听套接字
     * @param fd {ACL_SOCKET} 套接字句柄
     * @return {int} 返回值 0 表示非监听套接字，非 0 表示为监听套接字
     */
    int acl_is_listening_socket(ACL_SOCKET fd);
    
    
    int acl_check_socket(ACL_SOCKET fd)
    {
        
    	int val, ret;
    	socklen_t len = sizeof(val);
    
    	ret = getsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_ACCEPTCONN, (void*) &val, &len);
    	if (ret == -1) {
        
    		return -1;
    	} else if (val) {
        
    		return 1;
    	} else {
        
    		return 0;
    	}
    }
    
    int acl_is_listening_socket(ACL_SOCKET fd)
    {
        
    	return acl_check_socket(fd) == 1;
    }

# 封装 #

/**
     * 网络地址绑定函数，适用于 TCP/UDP 套接口
     * @param res {const struct addrinfo*} 域名解析得到的地址信息对象
     * @param flag {unsigned int} 标志位
     * @return {ACL_SOCKET} 返回 ACL_SOCKET_INVALID 表示绑定失败
     *
     */
    ACL_SOCKET acl_inet_bind(const struct addrinfo *res, unsigned flag)
    {
        
        ACL_SOCKET fd;
        int        on;
    
        fd = socket(res->ai_family, res->ai_socktype, res->ai_protocol);
        if (fd == ACL_SOCKET_INVALID) {
        
            ERROR("%s(%d): create socket %s",
                          __FILE__, __LINE__, strerror(errno));
            return ACL_SOCKET_INVALID;
        }
    
        if (flag & ACL_INET_FLAG_EXCLUSIVE) {
        
    #if defined(SO_EXCLUSIVEADDRUSE)  // 独占端口不准许别人使用
            on = 1;
    		if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_EXCLUSIVEADDRUSE,
    			(const void *) &on, sizeof(on)) < 0) {
        
    
    			WARN("%s(%d): setsockopt(SO_EXCLUSIVEADDRUSE)"
    				": %s", __FILE__, __LINE__, strerror(errno));
    		}
    #endif
        } else {
        
            on = 1;
            if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,
                           (const void *) &on, sizeof(on)) < 0) {
        
    
                WARN("%s(%d): setsockopt(SO_REUSEADDR): %s",
                             __FILE__, __LINE__, strerror(errno));
            }
        }
    
    #if defined(SO_REUSEPORT)
        on = 1;
        if (flag & ACL_INET_FLAG_REUSEPORT) {
        
            int ret = setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT,
                                 (const void *) &on, sizeof(on));
            if (ret < 0)
                WARN("%s(%d): setsocket(SO_REUSEPORT): %s",
                             __FILE__, __LINE__, strerror(errno));
        }
    #else
        (void) flag;
    #endif
    
    #ifdef ACL_WINDOWS
        if (bind(fd, res->ai_addr, (int) res->ai_addrlen) < 0) {
        
    #else
        if (bind(fd, res->ai_addr, res->ai_addrlen) < 0) {
        
    #endif
            close(fd);
            ERROR("%s(%d): bind error %s",
                          __FILE__, __LINE__,  strerror(errno));
            return ACL_SOCKET_INVALID;
        }
    
        return fd;
    }

# 获取套接字的类型： #

/**
     * 取得套接字的类型：是网络套接字还是域套接字
     * @param fd {ACL_SOCKET} 网络套接字
     * @return {int} -1: 表示出错或输入非法或非套接字; >= 0 表示成功获得套接字
     *  类型，返回值有 AF_INET、AF_INET6 或 AF_UNIX(仅限 UNIX 平台)
     */
    int acl_getsocktype(ACL_SOCKET fd)
    {
        
    	ACL_SOCKADDR addr;
    	struct sockaddr *sa = (struct sockaddr*) &addr;
    	socklen_t len = sizeof(addr);
    
    	if (fd == ACL_SOCKET_INVALID) {
        
    		return -1;
    	}
    
    	if (getsockname(fd, sa, &len) == -1) {
        
    		return -1;
    	}
    
    #ifdef	ACL_UNIX
    	if (sa->sa_family == AF_UNIX) {
        
    		return AF_UNIX;
    	}
    #endif
    
    #ifdef AF_INET6
    	if (sa->sa_family == AF_INET || sa->sa_family == AF_INET6) {
        
    #else
    	if (sa->sa_family == AF_INET) {
        
    #endif
    		return sa->sa_family;
    	}
    	return -1;
    }

#  #

在学习ioctl 时常常跟 read, write 混淆。其实 ioctl 是用来设置硬件控制寄存器，或者读取硬件状态寄存器的数值之类的。

而read,write 是把数据丢入缓冲区，硬件的驱动从缓冲区读取数据一个个发送或者把接收的数据送入缓冲区。

ioctl(keyFd, FIONREAD, &b)

得到缓冲区里有多少字节要被读取，然后将字节数放入b里面。

接下来就可以用read了。

read(keyFd, &b, sizeof(b))

/**
     * 探测套接字中系统缓存区的数据长度
     * @param fd {ACL_SOCKET} 描述符
     * @return {int} 系统缓存区数据长度
     */
    int acl_peekfd(ACL_SOCKET fd)
    {
        
    	int     count;
    
    	/*
    	 * Anticipate a series of system-dependent code fragments.
    	 */
    #ifdef ACL_UNIX
    	return (ioctl(fd, FIONREAD, (char *) &count) < 0 ? -1 : count);
    #elif defined(ACL_WINDOWS)
    	return (ioctlsocket(fd, FIONREAD, (unsigned long *) &count) < 0
    		? -1 : count);
    #endif
    }

[参考][Link 1]

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[20201229091124517.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201229091124517.png
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[20201229135201504.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201229135201504.png
[202012291412146.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/202012291412146.png
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[https_oomake.com_question_153611]: https://oomake.com/question/153611
[20201206202855143.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201206202855143.png
[20201206202929521.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201206202929521.png
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[Link 1]: https://github.com/raichen/LinuxServerCodes/tree/master/5