?????????Socket 是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧暴露給編程人員的 API，相比復(fù)雜的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，API 對(duì)關(guān)鍵操作和配置數(shù)據(jù)進(jìn)行了抽象，簡(jiǎn)化了程序編程。

? ? ? ? 本文講述的 socket 內(nèi)容源自 Linux man。本文主要對(duì)各 API 進(jìn)行詳細(xì)介紹，從而更好的理解 socket 編程。

socket(7)

1.庫(kù)

標(biāo)準(zhǔn) c 庫(kù)，libc, -lc

2.頭文件

<sys/socket.h>

3.接口定義

       sockfd = socket(int socket_family, int socket_type, int protocol);

4.接口描述

? ? ? ?本文主要描述 Linux 網(wǎng)絡(luò)套接字層的用戶(hù)編程接口。 BSD 兼容的套接字是用戶(hù)進(jìn)程和內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的統(tǒng)一接口。各協(xié)議模塊被分配不同的協(xié)議家族（AF_INET、AF_IPX、AF_PACKET 等）以及不同的套接字類(lèi)型（如 SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM），參考 socket(2) 獲取更多關(guān)于協(xié)議家族和類(lèi)型的信息。

套接字層函數(shù)

? ? ? ? 這些套接字層函數(shù)是用戶(hù)進(jìn)程用來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包以及其他套接字操作。

? ? ? ? socket(2) 創(chuàng)建一個(gè)套接字，connect(2) 連接一個(gè)套接字到一個(gè)遠(yuǎn)程套接字地址，bind(2) 將一個(gè)套接字綁定到一個(gè)本地套接字地址上，listen(2) 告知套接字有新連接需要被接受，accept(2) 用來(lái)獲取新來(lái)連接的新的套接字，socketpair(2) 返回兩個(gè)連接的匿名套接字（只有類(lèi)似 AF_UNIX 的本地套接字才有這個(gè)實(shí)現(xiàn)）。

? ? ? ? send(2)、sendto() 和 sendmsg(2) 在套接字上發(fā)送數(shù)據(jù)，recv(2)、recvfrom、recvmsg(2) 從套接字上接收數(shù)據(jù)。poll(2) 和 select(2) 等待數(shù)據(jù)來(lái)臨或者是否發(fā)送數(shù)據(jù)就緒。此外，標(biāo)準(zhǔn)的 I/O 操作類(lèi)似 write(2)/writev(2)/sendfile(2)/read(2)/readv(2) 可以用來(lái)讀寫(xiě)套接字上的數(shù)據(jù)。

? ? ? ? getsockname(2) 返回本地套接字地址，getpeername(2) 返回遠(yuǎn)程套接字地址。getsockopt(2) 和 setsockopt(2) 用來(lái)設(shè)置/獲取套接字層或者協(xié)議層選項(xiàng)。ioctl(2) 可以用來(lái)設(shè)置或者讀取一些其他選項(xiàng)。

? ? ? ? close(2) 用來(lái)關(guān)閉一個(gè)套接字。shutdown(2) 關(guān)閉全雙工套接字雙方。

? ? ? ? Seeking 或者 pread(2)、pwrite(2) 這種從非 0 位置讀寫(xiě)操作套接字是不支持的。

? ? ? ? 可以通過(guò) fcntl(2) 來(lái)設(shè)置一個(gè)套接字文件描述符的非阻塞標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)套接字的非阻塞 I/O 操作。一旦設(shè)置，套接字上所有可能導(dǎo)致阻塞狀態(tài)通常都會(huì)返回 EAGAIN（表示操作稍后需要重試），connect(2) 會(huì)返回 EINPROGRESS 錯(cuò)誤。用戶(hù)可以通過(guò) poll(2) 或者 select(2) 來(lái)等待各種事件。

?????????另一個(gè)代替 poll(2)/select(2) 的方式是內(nèi)核通過(guò) SIGIO 信號(hào)通知應(yīng)用程序，對(duì)于這種方式，必須通過(guò) fcntl(2) 來(lái)設(shè)置套接字文件描述符的 O_ASYNC 標(biāo)記，然后通過(guò) sigaction(2) 安裝 SIGIO 的信號(hào)處理函數(shù)，可以參考后面關(guān)于信號(hào)的討論。

套接字地址結(jié)構(gòu)

? ? ? ? 每個(gè)套接字域（domain）都有自己的套接字地址格式。每個(gè)結(jié)構(gòu)以一個(gè)整型的“家族”字段(sa_family_t) 來(lái)指示地址結(jié)構(gòu)的類(lèi)型，各種系統(tǒng)調(diào)用，比如 connect(2)、bind(2)、accept(2)、getsockname(2)、getpeername(2) 是各個(gè)套接字域通用的，可以通過(guò)家族和類(lèi)型來(lái)區(qū)分不同域的特定套接字地址。

? ? ? ? 為了允許任何類(lèi)型的套接字地址都可以傳遞到各個(gè)套接字 API，我們定義了 struct sockaddr，目的是將各域特定的地址類(lèi)型轉(zhuǎn)換為通用的類(lèi)型，避免調(diào)用套接字 API 時(shí)編譯器報(bào)告類(lèi)型不匹配警告。

? ? ? ? 此外，套接字 API 也提供了 struct sockaddr_storage 數(shù)據(jù)類(lèi)型。這個(gè)類(lèi)型足以裝下所有域特定的套接字地址結(jié)構(gòu)，并且處理了對(duì)齊問(wèn)題。（尤其是它已經(jīng)能夠裝下 IPv6 套接字地址。）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含下面的字段，這個(gè)字段可以用來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)中實(shí)際存儲(chǔ)的套接字地址類(lèi)型：

    sa_family_t ss_family;

? ? ? ? sockaddr_storage 結(jié)構(gòu)在以通用方式處理套接字地址時(shí)非常有用（也就是程序同時(shí)處理 IPv4 和 IPv6 套接字地址）。

?套接字選項(xiàng)

? ? ? ? 下面列出的套接字選項(xiàng)可以通過(guò) setsockopt(2) 來(lái)設(shè)置，也可以通過(guò) getsockopt(2) 設(shè)置套接字級(jí)別參數(shù)為 SOL_SOCKET 來(lái)讀取這些選項(xiàng)。除非特別說(shuō)明，否則 optval 是一個(gè)指向整型數(shù)據(jù)的指針。

? ? ? ? SO_ACCEPTCONN

? ? ? ? 返回值指示套接字是否被標(biāo)記為可以通過(guò) listen(2) 接收連接。返回 0 表示非可監(jiān)聽(tīng)套接字，返回 1 表示是一個(gè)監(jiān)聽(tīng)套接字。這個(gè)選項(xiàng)是只讀的。

? ? ? ? SO_ATTACH_FILTER（Linux 2.2 后），SO_ATTACH_BPF（Linux 3.19 后）

? ? ? ? 掛載一個(gè)經(jīng)典的 BPF（SO_ATTACH_FILTER）或者擴(kuò)展 BPF 程序到套接字上，來(lái)過(guò)濾進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)包。如果程序返回 0，那么數(shù)據(jù)包會(huì)被丟棄，如果返回值比數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度小，那么數(shù)據(jù)包會(huì)被截?cái)?。如果返回值大于等于?shù)據(jù)包長(zhǎng)度，那么數(shù)據(jù)包可以被原封不動(dòng)的處理。

? ? ? ? SO_ATTACH_FILTER 定義在 <linux/filter.h> 中，是一個(gè) sock_fprog 類(lèi)型的結(jié)構(gòu)體：

                  struct sock_fprog {
                      unsigned short      len;
                      struct sock_filter *filter;
                  };

? ? ? ? ?SO_ATTACH_BPF 的參數(shù)是一個(gè)通過(guò) bpf(2) 系統(tǒng)調(diào)用返回的文件描述符，必須指向一個(gè) BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER 類(lèi)型的程序。

? ? ? ? 對(duì)于指定套接字，這些選項(xiàng)可以設(shè)置多次，新的設(shè)置會(huì)覆蓋之前的設(shè)置。經(jīng)典和擴(kuò)展版本可以在同一個(gè)套接字上使用，但是之前的過(guò)濾器總是會(huì)被新的過(guò)濾器代替，也就是說(shuō)一個(gè)套接字上同一時(shí)刻只能定義一個(gè)過(guò)濾器。

? ? ? ? 經(jīng)典和擴(kuò)展 BPF 在 Linux 內(nèi)核源碼文件 /Documentation/networking/filter.txt 中有解釋。

SO_ATTACH_REUSEPORT_CBPF，SO_ATTACH_REUSESETPORT_EBPF

? ? ? ? 在使用 SO_REUSEPORT 選項(xiàng)時(shí)，用戶(hù)可以用這些選項(xiàng)來(lái)設(shè)置經(jīng)典 BPF（SO_ATTACH_REUSEPORT_CBPF) 或者擴(kuò)展 BPF（SO_ATTACH_REUSEPORT_EBPF）程序，這些程序定義了reuseport 端口組中的套接字的數(shù)據(jù)包如何過(guò)濾（也就是所有設(shè)置了 SO_REUSEPORT 并使用相同本地地址接收數(shù)據(jù)包的套接字）。

? ? ? ? BPF 程序必須返回一個(gè) 0 到 N-1 的索引值表示哪個(gè)套接字應(yīng)該接收數(shù)據(jù)包（N 是套接字組中套接字的數(shù)量）。如果 BPF 程序返回非法索引值，套接字選擇會(huì)回退到?jīng)]設(shè)置這些選項(xiàng)時(shí)的?SO_REUSEPORT 機(jī)制。

? ? ? ? 為了將套接字加入到組中，每個(gè)套接字都按照加入的順序編號(hào)（即，UDP 套接字按照 bind(2) 調(diào)用的順序， TCP 套接字按照 listen(2) 調(diào)用的順序）。新加入 reuse 組的套接字會(huì)繼承 BPF 程序，移除時(shí)，最后一個(gè)套接字會(huì)移動(dòng)到該套接字位置。

? ? ? ? 這些選項(xiàng)可以在組內(nèi)任何套接字上設(shè)置多次，來(lái)更新組內(nèi)所有套接字使用的 BPF 程序。

? ? ? ? SO_ATTACH_REUSEPORT_CBPF 和 SO_ATTACH_FILTER 攜帶相同的參數(shù)類(lèi)型，SO_ATTACH_REUSEPORT_EBPF 和 SO_ATTACH_BPF 攜帶相同的參數(shù)類(lèi)型。

? ? ? ? UDP 從 Linux 4.5 后支持這個(gè)特性，TCP 是從 Linux 4.6 后支持的。

SO_BINDTODEVICE

? ? ? ? 將一個(gè)套接字綁定到特定的諸如 "eth0" 這樣的設(shè)備上，在傳遞的接口名稱(chēng)中指定。如果名字是一個(gè)空字符串或者選項(xiàng)長(zhǎng)度是 0，那么套接字綁定會(huì)被移除。傳進(jìn)來(lái)的選項(xiàng)是一個(gè)變長(zhǎng)、‘\0’ 結(jié)尾的接口名稱(chēng)字符串，最大長(zhǎng)度為 IFNAMESIZ。如果套接字被綁定到特定接口，那么套接字只會(huì)處理該接口進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)包。值得注意的是，這個(gè)只對(duì)特定套接字類(lèi)型有用，尤其是 AF_INET 套接字。分組（packet）套接字不支持這個(gè)特性（使用普通的 bind(2)）。

? ? ? ? 在 Linux 3.8 之前，這個(gè)套接字選項(xiàng)可以設(shè)置但是不能通過(guò) getsockopt(2) 獲取，Linux 3.8 后就可以讀了。optlen 參數(shù)包含用于接收設(shè)備名字的緩沖區(qū)大小，建議設(shè)置為 IFNAMSIZ 字節(jié)，真實(shí)的設(shè)備名字長(zhǎng)度會(huì)在 optlen 參數(shù)報(bào)告出來(lái)。

SO_BROADCAST

? ? ? ? 設(shè)置/獲取廣播標(biāo)記。開(kāi)啟后，數(shù)據(jù)報(bào)套接字可以向廣播地址發(fā)送數(shù)據(jù)包，這個(gè)選項(xiàng)對(duì)于流套接字無(wú)效。

SO_BSDCOMPAT

? ? ? ? 開(kāi)啟 BSP 錯(cuò)誤兼容。這個(gè)只在 Linux 2.0 和 2.2 的 UDP 協(xié)議模塊中使用。如果使能，UDP 套接字的 ICMP 錯(cuò)誤不會(huì)被傳遞給用戶(hù)程序，后面的內(nèi)核版本中逐步淘汰這個(gè)選項(xiàng)。Linux 2.4 悄悄的忽略這個(gè)設(shè)置，Linux 2.6 會(huì)在用戶(hù)設(shè)置這個(gè)選項(xiàng)時(shí)生成內(nèi)核警告（printk()）。Linux 2.0 對(duì)于原始套接字默認(rèn)開(kāi)啟了這個(gè)選項(xiàng)，但是很快就在 Linux 2.2 中就移除了這個(gè)設(shè)置。

SO_DEBUG

? ? ? ? 開(kāi)啟套接字調(diào)試。只允許具有 CAP_NET_ADMIN 能力、或者有效用戶(hù) ID 為 0 的進(jìn)程設(shè)置開(kāi)啟該選項(xiàng)。

SO_DETACH_FILTER（Linux 2.2 后），SO_DETACH_BPF（Linux 3.19 后）

? ? ? ? 這兩個(gè)選項(xiàng)意思相同，可以用來(lái)移除套接字上使用 SO_ATTACH_FILTER 或者 SO_ATTACH_BPF 綁定的經(jīng)典/擴(kuò)展 BDF 程序，選項(xiàng)值會(huì)被忽略。

SO_DOMAIN（Linux 2.6.32 后）

? ? ? ? 獲取套接字的域（整數(shù)值），返回類(lèi)似 AF_INET6 這樣的值，參考 socket(2) 更多詳細(xì)信息，這個(gè)套接字選項(xiàng)是只讀的。

SO_ERROR

? ? ? ? 獲取/清除套接字上的錯(cuò)誤。這個(gè)套接字選項(xiàng)也是只讀的，返回一個(gè)整型數(shù)值。

SO_DONTROUTE

? ? ? ? 不要通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送，直接發(fā)送到連接的主機(jī)。這個(gè)和 send(2) 時(shí)設(shè)置 MSG_DONTROUTE 標(biāo)記效果相同。期待返回整型布爾標(biāo)記。

SO_INCOMING_CPU（Linux 3.19 后可讀取，Linux 4.4 后可設(shè)置）

? ? ? ? 獲取或者設(shè)置套接字的 CPU 親和性，是一個(gè)整型標(biāo)記：

                  int cpu = 1;
                  setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_INCOMING_CPU, &cpu,
                             sizeof(cpu));

?????????因?yàn)橐粋€(gè)單獨(dú)流上的所有數(shù)據(jù)包都是在一個(gè)特定 CPU 上的 RX 隊(duì)列中到達(dá)，這個(gè)選項(xiàng)的典型應(yīng)用是每個(gè) RX 隊(duì)列使用一個(gè)監(jiān)聽(tīng)進(jìn)程，然后將監(jiān)聽(tīng)進(jìn)程和 RX 隊(duì)列處理進(jìn)程處于同一個(gè) CPU 上。這個(gè)是 NUMA 上的最佳用法，能夠保持 CPU 緩存熱度。

SO_INCOMING_NAPI_ID（Linux 4.12 后可讀取）

? ? ? ? 返回一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的唯一 ID，即 NAPI ID，這個(gè) ID 是套接字上最后收到數(shù)據(jù)包所在 RX 隊(duì)列的標(biāo)識(shí)。

? ? ? ? 應(yīng)用程序可以用這個(gè)來(lái)對(duì)不同 RX 隊(duì)列上的數(shù)據(jù)流使用不同的工作線程來(lái)進(jìn)行分流，這就允許每個(gè)工作線程和一個(gè) NIC 硬件接收隊(duì)列關(guān)聯(lián)，為這個(gè)上面 RX 隊(duì)列上接收到的所有連接服務(wù)。硬件 NIC 隊(duì)列到應(yīng)用線程上的映射使得 NIC 到應(yīng)用的數(shù)據(jù)流處理更加高效。

SO_KEEPALIVE

? ? ? ? 在面向連接的套接字上開(kāi)啟?；钕l(fā)送，需要的是一個(gè)整型布爾型標(biāo)記。

SO_LINGER

? ? ? ? 設(shè)置/獲取 SO_LINGER 選項(xiàng)，參數(shù)是一個(gè) struct linger 結(jié)構(gòu)體：

                  struct linger {
                      int l_onoff;    /* linger active */
                      int l_linger;   /* how many seconds to linger for */
                  };

?????????開(kāi)啟后，close(2) 和 shutdown(2) 操作會(huì)在所有消息都被發(fā)送后才返回，或者達(dá)到了存留超時(shí)值。否則調(diào)用會(huì)立即返回，而關(guān)閉操作會(huì)在后臺(tái)進(jìn)行。exit(2) 中關(guān)閉套接字時(shí)，它總是在后臺(tái)留存（linger）。

SO_LOCK_FILTER

? ? ? ? 設(shè)置這個(gè)選項(xiàng)會(huì)阻止修改套接字的過(guò)濾器，這些過(guò)濾器包括通過(guò) SO_ATTACH_FILTER、SO_ATTACH_BPF、SO_ATTACH_REUSEPORT_CBPF、SO_ATTACH_REUSEPORT_EBPF 設(shè)置的。

? ? ? ? 典型的應(yīng)用場(chǎng)景是特權(quán)進(jìn)程設(shè)置一個(gè)原始套接字（一個(gè)需要 CAP_NET_RAW 權(quán)限的操作）、應(yīng)用一個(gè)限制過(guò)濾器、設(shè)置 SO_LOCK_FILTER 選項(xiàng)、然后或者放棄特權(quán)或者通過(guò) UNIX 域套接字將套接字文件描述符傳遞給非特權(quán)進(jìn)程。

? ? ? ? 一旦 SO_LOCK_FILTER 選項(xiàng)開(kāi)啟了，嘗試修改或者移除套接字上的過(guò)濾器或者禁止 SO_LOCK_FILTER 選項(xiàng)會(huì)報(bào)錯(cuò) EPERM。

SO_MARK（Linux 2.6.25 后）

? ? ? ? 設(shè)置由該套接字發(fā)送的數(shù)據(jù)包的標(biāo)記（mark）（和 netfilter MARK 類(lèi)似，只是基于套接字的）。修改標(biāo)記可以用于沒(méi)有 netfilter 或者分組過(guò)濾器的基于標(biāo)記的路由。設(shè)置這個(gè)選項(xiàng)要求 CAP_NET_ADMIN 能力。

SO_OOBINLINE

? ? ? ? 如果這個(gè)選項(xiàng)開(kāi)啟，帶外數(shù)據(jù)會(huì)直接放入接收數(shù)據(jù)流中。否則，帶外數(shù)據(jù)只有在 MSG_OOB 標(biāo)記設(shè)置時(shí)才會(huì)接收時(shí)才會(huì)這樣做。

SO_PASSCRED

? ? ? ? 使能/禁能接收 SCM_CREDENTIALS 控制消息。更多信息，參考 unix(7)。

SO_PASSSEC

? ? ? ? 使能/禁能接收 SCM_SECURITY 控制消息。更多信息，參考 unix(7)。????????

更多選項(xiàng)，閱讀下一篇?【計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)】網(wǎng)絡(luò)編程接口 Socket API 解讀（9）

5.注意

? ? ? ? Linux 假定發(fā)送/接受緩沖區(qū)的一半用于內(nèi)部?jī)?nèi)核結(jié)構(gòu)，因此對(duì)應(yīng)的 /proc 文件大小是線上可觀測(cè)大小的兩倍。

? ? ? ? Linux 只有在之前調(diào)用 bind(2) 程序和新程序都設(shè)置了 SO_REUSEADDR 時(shí)才會(huì)允許端口重用。這個(gè)和其他實(shí)現(xiàn)（如 FreeBSD) 只要求新程序設(shè)置就好了是不一樣的，對(duì)于服務(wù)器程序總是設(shè)置這個(gè)選項(xiàng)的情況，這個(gè)區(qū)別是不可見(jiàn)的。

6.示例代碼

? ? ? ? 下面是一個(gè) getsockopt 函數(shù)的使用代碼：

int rc;
int s;
int option_value;
int option_len;
struct linger l;
int getsockopt(int s, int level, int option_name,
char *option_value,
     int *option_len);

?
/* Is out-of-band data in the normal input queue? */
option_len = sizeof(int);
rc = getsockopt(
        s, SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE, (
char *) &option_value, &option_len);
if (rc == 0)
{
    if (option_len == sizeof(int))
    {
         if (option_value)
            /* yes it is in the normal queue */
         else
            /* no it is not
                  */
    }
}

?
/* Do I linger on close? */
option_len = sizeof(l);
rc = getsockopt(
        s, SOL_SOCKET, SO_LINGER, (char *) &l, &option_len);
if (rc == 0)
{
    if (option_len == sizeof(l))
    {
         if (l.l_onoff)
            /* yes I linger */
         else
            /* no I do not  */
    }
}

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到了這里，關(guān)于【計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)】網(wǎng)絡(luò)編程接口 Socket API 解讀（8）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！