Socket
Table of Contents
摘录自 → http://c.biancheng.net/socket/
socket 是“套接字”的意思，学习 socket 编程，也就是学习计算机之间如何通信，并用编程语言来实现它。
socket 通信技术 就是两台联网的计算机之间 交换数据的技术 ，这就是 socket 的全部内容了吗？是的！
Socket 是什么
网络编程就是编写程序使两台联网的计算机相互交换数据， 这就是全部内容了！
那么，两台计算机之间用什么传输数据呢？
首先需要物理连接。如今大部分计算机都已经连接到互联网，因此不用担心这一点。在此基础上，只需要考虑如何编写数据传输程序。因为 操作系统已经提供了 socket ，所以即使对网络数据传输的原理不太熟悉，也能通过 socket 来编程。
那么什么到底是 socket 呢？
socket 的愿意是“插座”，在计算机通信领域，socket 被翻译为“套接字”，它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过 socket 这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。
为了与远程计算机进行数据传输，需要连接到因特网，而 socket 就是用来连接到因特网的工具。
socket 的典型应用就是 Web 服务器和浏览器：浏览器获取用户输入的 URL ，向服务器发起请求，服务器分析接收到的 URL ，将对应的网页内容返回给浏览器，浏览器再经过解析和渲染，就将文字、图片、视频等元素呈现给用户。
1. UNIX/Linux 中的 socket 是什么？
在 UNIX/Linux 系统中，为了统一对各种硬件的操作，简化接口，不同的硬件设备也都被看成一个文件。对这些文件的操作，等同于对磁盘上普通文件的操作。
是的，在 UNIX/Linux 中，一切都是文件！
为了表示和区分已经打开的文件，UNIX/Linux 会给每个文件分配一个 ID ，这个 ID 就是一个整数，被称为 文件描述符 （File Descriptor），例如：
- 通常用
0来表示标准输入文件（stdin），它对应的硬件设备就是键盘； - 通常用
1来表示标准输出文件（stdout），它对应的硬件就是显示器。
UNIX/Linux 程序在执行任何形式的 I/O 操作时，都是在读取或者写入一个文件描述符。一个文件描述符只是一个和打开的文件相关联的整数，它的背后可能是一个硬盘上的普通文件、FIFO、管道、终端、键盘、显示器，甚至是一个网络连接。
请注意，网络连接也是一个文件，它也有文件描述符！你必须理解这句话。
我们可以通过 socket() 函数来创建一个网络连接，或者说打开一个网络文件， socket() 返回值就是文件描述符。有了文件描述符，我们就可以使用普通的文件操作函数来传输数据了，例如：
- 用
read()读取从远程计算机传来的数据； - 用
write()向远程计算机写入数据。
你看，只要用 socket() 创建了连接，剩下的就是文件操作了，网络编程原来就是如此简单！
2. Windows 系统中的 socket 是什么？
Windows 也有类似“文件描述符”的概念，但通常被称为“文件句柄”。
与 UNIX/Linux 不同的是，Windows 会区分 socket 和文件，Windows 就把 socket 当做一个网络连接来对待，因此需要调用专门针对 socket 而设计的数据传输函数，针对普通文件的输入输出函数就无效了。
Socket 原理1
Socket 在哪儿？如何使用它？
TCP/IP（Transimission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/网间协议，是一个工业标准的协议集，它是为广域网设计的。UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与 TCP 相对应的协议，它是属于 TCP/IP 协议族中的一种。
Figure: TCP/IP 协议族中的协议关系
咦？Socket 在哪儿呢？？？ 来张图看看吧。
哦！原来 Socket 在这里！！！
Socket 是应用层与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。
在设计模式中，Socket 其实就是一个门面模式，它把复杂的 TCP/IP 协议族隐藏在 Socket 接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让 Socket 去组织数据，以符合指定的协议。
如何使用它们呢？
前人已经给我们做了好多的事了，网络间的通信也就简单了许多，但毕竟还是有挺多工作要做的。以前听到 Socket 编程，觉得它是比较高深的编程知识，但是只要弄清Socket编程的工作原理，神秘的面纱也就揭开了。
先从服务器说起。服务器端先初始化 socket ，然后与端口绑定（ bind ），对端口进行监听（ listen ），调用 accept 阻塞，等待客户端连接。
在这时，如果有个客户端初始化一个 socket ，然后连接服务器（ connect ），如果连接成功，客户端与服务器端的连接就建立了。
客户端发送数据请求，服务器端接收并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。
网络中进程之间是如何通信的呢？如，使用浏览器浏览网页时，浏览器的进程是如何通信的？使用 QQ 聊天时，QQ 进程是如何与服务器或你的好友所在的 QQ 进程通信的？
这些都得依靠 socket ！
网络中进程之间如何通信
本地的进程间通信（IPC，Inter-Process Communication，进程间通信）有很多种方式，可以总结为下面 4 类：
- 消息传递（管道、FIFO、消息队列）；
- 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）；
- 共享内存（匿名的和具名的）；
- 远程过程调用（Solaris 门和 Sun PRC）。
这是本地进程之间的通信，那么网络进程之间是如何通信的呢？
首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无人谈起。在本地可以通过进程 PID 来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。
幸运地是，TCP/IP 协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的 “IP 地址” 可以唯一标识网络中的主机，而传输层的的 “协议+端口” 可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。如此，利用三元组（IP 地址、协议、端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。
使用 TCP/IP 协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD 的套接字（socket）和 UNIX System V 的 TLI（已淘汰），来实现网络进程之间的通信。
目前而言，几乎所有的应用程序都是采用 socket ，网络时代下网络中进程通信是无所不在的，所以说“一切皆 socket” 。
Socket 的理解
Socket 起源于 UNIX，而 UNIX/Linux 基本哲学之一就是 “一切皆文件” ，都可以用 “打开 open → 读写 write/read → 关闭 close” 模式来操作。Socket 自然也是该模式的一个实现，socket 也是文件，一些 socket 函数就是对其进行的操作（读/写 IO，打开，关闭）。
Socket 的基本函数
socket() 函数
不管是 Windows 还 Linux ，都使用 socket() 函数来创建套接字。 socket() 在两个平台下的参数是相同的，不同的是返回值。
Linux 中的一切都的文件，每个文件都有一个整数类型的文件描述符；socket 也是一个文件，也有文件描述符。使用 socket() 函数创建套接字以后，返回值就是一个 int 类型的文件描述符。
Windows 会区分 socket 和普通文件，它把 socket 当做一个网络连接来对待，调用 socket() 以后，返回值是 SOCKET 类型，用来表示一个套接字。
1. Linux 下的 socket() 函数
在 Linux 下使用 <sys/socket.h> 头文件中 socket() 函数来创建套接字，原型为：
int socket(int af, int type, int protocol);
其中：
af为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有AF_INET和AF_INET6；
type为数据传输方式/套接字，常用的有SOCK_STREAM（流格式套接字/面向连接的套接字）和SOCK_DGRAM（数据报套接字/无连接的套接字）；protocol表示传输协议，常用的有IPPROTO_TCP和IPPROTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。
有了地址类型和数据传输方式，还不足以决定采用哪种协议吗？为会么还需要第三个参数（ protocol ）呢？
其实，一般情况下有 af 和 type 两个参数就可以创建套接字了，操作系统会自动推演出协议类型。但是，也有特殊情况，比如有两种不同的协议支持同一种地址类型和数据传输类型。如果不指明使用哪种协议，操作系统是没办法自动推演的。
假如，使用 IPv4 地址，参数 af 的值为 PF_INET ，使用 SOCK_STREAM 传输数据，那么满足这两个条件的协议只有 TCP ，因此可以这样来调用 socket() 函数：
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); // IPPROTO_TCP 表示 TCP 协议
这种套接字称为 TCP 套接字。
如果使用 SOCK_DGRAM 传输方式，那么满足这两个条件的协议只有 UDP ，因此可以这样来调用 socket() 函数：
int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); // IPPROTO_UDP 表示 UDP 协议
这种套接字称为 UDP 套接字。
因为上面两情况都只有一种协议满足条件，故可以将 protocol 的值高为 0 ，系统会自动推演出应该使用什么协议，如下：
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //创建TCP套接字 int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM , 0); //创建UDP套接字
2. 在 Windows 下创建 socket
Windows 下也使用 socket() 函数来创建套接字，原型为：
SOCKET socket(int af, int type, int protocol);
除了返回值类型不同，其他都是相同的。Windows 不把套接字作为变通文件对待，而是返回 SOCKET 类型的句柄。
bind() 和 connect() 函数
socket() 函数用来创建套接字，确定套接字的各种属性，然后服务器要用 bind() 函数将套接字与特定的 IP 地址和端口绑定起来，只有这样，流经该 IP 地址和端口的数据才能交给套接字处理。类似地，客户端也要用 connect() 函数建立连接。
listen() 和 accept() 函数
对于服务端程序，使用 bind() 绑定套接字后，还需要使用 listen() 函数让套接字进入被动监听状态，再调用 accept() 函数，就可以随时响应客户端的请求了。
所谓被动监听，是指当没有客户端请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到客户端请求时，套接字才会被“唤醒”来响应请求。
当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直至缓冲区满了。这个缓冲区，就称为 请求队列 （Request Queue）。
*注： listen() 只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。
accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信，它会阻塞程序执行（后面代码不能被执行），直到有新的请求到来。
send()/recv() 和 write()/read() 函数
在 Linux 和 Windows 平台下，使用不同的函数发送和接收 socket 数据。
1. Linux 下数据的接收和发送
Linux 不区分套接字文件和普通文件，使用 write() 可以向套接字中写入数据，使用 read() 可以从套接字中读取数据。
两台计算机之间的通信相当于两个套接字之间的通信，在服务器端用
write()向套接字写入数据，客户端就能收到，然后再使用read()从套接字中读取出来，就完成了一次通信。
2. Windows 数据的接收和发送
Windows 和 Linux 不同，Windows 区分普通文件和套接字，并定义了专门的接收和发送的函数。
从服务器端发送数据使用 send() 函数，在客户端接收数据使用 recv() 函数。
Socket 的类型
这个世界上有很多种套接字（socket），比如 DARPA Internet 地址（Internet 套接字）、本地节点的路径名（Unix 套接字）、CCITT X.25 地址（X.25 套接字）等。
这里只了解 Internet 套接字，它是最具有代表性的，也是最经典常用的。
根据数据的传输方式，可以将 Internet 套接字分成两种类型（其实更多）。通过 socket() 函数创建连接时，必须告诉它使用哪种数据传输方式。
1. 流格式套接字（ SOCK_STREAM ）
流格式套接字（Stream Sockets）也叫“面向连接的套接字”，在代码中使用 SOCK_STREAM 表示。
SOCK_STREAM 是一种可靠的、双向的通信数据流，数据可以准确无误到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送。
SOCK_STREAM 有以下几个特征：
- 数据在传输过程中不会消失；
- 数据是按照顺序传输的；
- 数据的发送和接收不是同步的（有的教程也称“不存在数据边界”）。
可以将 SOCK_STREAM 比喻成一条传送带，只要传送带本身没有问题（不会断网），就能保证数据不丢失；同时，较晚传送的数据不会先达到，较早传送的数据不会晚到达，这就保证了数据是按照顺序传递的。
为什么流格式套接字可以达到高质量的数据传输呢？这是因为它使用了 TCP 协议（The Transmission Control Protocol，传输控制协议），TCP 协议会控制你的数据按照顺序到达并且没有错误。
TCP 用来确保数据的正确性，IP（Internet Protocol，网络协议）用来控制数据如何从源头到达目的地，也就是学说的“路由”。
什么是“数据的发送和接收不同步”呢？
假设传送带传送的是水果，接收者需要凑齐 100 个后才能装袋，但是传送带可能把这 100 个水果分批传送，比如第一批传送 20 个，第二批传送 50 个，第三批传送 30 个。接收者不需要和传送带保持同步，只要根据自己的节奏来装袋即可，不用管传送带传送了几批，也不用每到一批就装袋一次，可以等到凑够了 100 个水果再装袋。
流格式的套接字的内部有一个缓冲区（也就是字符数组），通过 socket 传输的数据将保存到这个缓冲区。接收端在收到数据后并不一定立即读取，只要数据不超过缓冲区数量，接收端有可能在缓冲区被填满以后一次地读取，也可能分成好几次读取。
也就是说，不管数据分几次传送过来，接收端只需要根据自己的要求读取，不用非得在数据到达时立即读取。传送端有自己的节奏，接收端也有自己的节奏，它们是不一致的。
流格式套接字有什么 实际的应用场景 吗？浏览器所使用的 http 协议就基于面向连接的套接字，因为必须要确保数据准确无误，否则加载的 HTML 将无法解析。
2. 数据报格式套接字（ SOCK_DGRAM ）
数据报格式套接字（Datagram Sockets）也叫“无连接的套接字”，在代码中使用 SOCK_DGRAM 表示。
计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。
因为数据格式套接字所做的校验工作少，所以在传输效率方面比流格式套接字要高。
可以将 SOCK_DGRAM 比喻成高速移动的摩托车快递，它有以下特征：
- 强调快速传输而非传输顺序；
- 传输的数据可能丢失也可能损毁；
- 限制每次传输的数据大小；
- 数据的发送和接收是同步的（有的教程也称“存在数据边界”）。
众所周知，速度是快递行业的生命。用摩托车发往同一地点的两件包裹无需保证顺序，只要以最快的速度交给客户就行。这种方式存在损坏或丢失的风险，而且包裹大小有一定限制。因此，想要传递大量包裹，就得分配发送。
另外，用两辆摩托车分别发送两件包裹，那么接收者也需要分两次接收，所以“数据的发送和接收是同步的”；换句话说，接收次数应该和发送次数相同。
总之，数据报套接字是一种不可靠的、不按顺序传递的、以追求速度为目的的套接字。
数据报套接字也使用 IP 协议作路由，但是它不使用 TCP 协议，而是使用 UDP 协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）。
QQ 视频聊天和语音聊天就使用 SOCK_DGRAM 来传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响。
*注意： SOCK_DGRAM 没有想象中的糟糕，不会频繁的丢失数据，数据错误只是小概率事件。
Socket 缓冲区及阻塞模式
在 socket 中，可以使用 write()/send() 函数发送数据，使用 read()/recv() 函数接收数据，下面我们就来看看数据是如何传递的。
Socket 缓冲区
每个 socket 被创建后，都会分配两个缓冲区，输入缓冲区和输出缓冲区。
write()/send() 并不立即向网络中传输数据，而是先将数据写入缓冲区中，再由 TCP 协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦将数据写入到缓冲区，函数就可以成功返回，不管它们有没有到达目标机器，也不管它们何时被发送到网络，因为这些都是 TCP 协议负责的事情了。
TCP 协议独立于 write()/send() 函数，数据有可能刚被写入缓冲区就发送到网络，也可能在缓冲区中不断积压，多次写入的数据被一次性发送到网络，这取决于当时的网络情况、当前线程是否空闲等诸多因素，不由程序员控制。
read()/recv() 函数也是如此，也从输入缓冲区读取数据，而不是直接从网络中读取。
Figure: TCP 套接字的 I/O 缓冲区示意图
这些 I/O 缓冲区特性可整理如下：
- I/O 缓冲区在每个 TCP 套接字中单独存在；
- I/O 缓冲区在创建套接字时自动生成；
- 即使关闭套接字也会继续传送输出缓冲区中遗留的数据；
- 关闭套接字丢失输入缓冲区中的数据。
*注：输入输出缓冲区的默认大小一般都是 8K 。
阻塞模式
所谓阻塞，就是上一步动作没有完成，下一步动作将暂停，直到上一步动作完成后才能继续，以保持同步性。
对于 TCP 套接字，当使用 write()/send() 发送数据时：
（1）首先会检查缓冲区，如果缓冲区的可用空间长度小于要发送的数据，那么 write()/send() 会被阻塞（暂停执行），直至缓冲区中的数据被发送到目标机器，腾出足够的空间，才唤醒 write()/send() 函数继续写入数据。
（2）如果 TCP 协议正在向网络发送数据，那么输出缓冲区会被锁定，不允许写入， write()/send() 也会被阻塞，直到数据发送完毕缓冲区解锁， write()/send() 都会被唤醒。
（3）如果要写入的数据大于缓冲区的最大长度，那么将分批写入。
（4）直到所有数据被写入缓冲区， write()/send() 才能返回。
当使用 read()/recv() 读取数据时：
（1）首先会检查缓冲区，如果缓冲区中有数据，那么就读取，否则函数会被阻塞，直到网络上有数据到来。
（2）如果要读取的数据长度小于缓冲区中的数据长度，那么就不能一次性将缓冲区中的所有数据读出，剩余数据将不断积压，直到有 read()/recv() 函数再次读取。
（3）直到读取到数据后 read()/recv() 函数才会返回，否则就一直被阻塞。
TCP套接字默认情况下是阻塞模式，也是最常用的，当然你也可以更改为非阻塞模式。