UNPv1第四章：基本TCP套接口编程

1 socket函数

为了执行网络I/O，一个进程必须做的第一件事就是调用socket函数，指定期望的通信协议类型

#include <sys/socket.h>
int socket (int family, int type, int protocol);
//返回：若成功则为非负描述符，若出错则为-1

其中family指明协议族，type参数指明套接字类型，protocol参数应该设为某个(见下图)协议类型常值，或者设为0，以选择所给定family和type组合的系统默认值
socket函数中family和type参数的组合

2 connect函数

TCP客户用connect函数来建立与TCP服务器的连接

#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);
                //返回：若成功则为0，若出错则为-1

sockfd是socket函数返回的套接字描述符，剩下的2个参数分别是一个指向套接字地址结构的指针和该结构的大小。connect函数将激发TCP的三次握手过程，而且仅在连接建立成功或出错时才返回，其中出错有如下几种情况：
1).若TCP客户没有收到SYN包的响应，则返回ETIMEDOUT错误。如调用该函数时，内核发送一个SYN，若无响应则等待6s后再发一个，若仍无响应，则等待24s再发一个，若总共等了75s后仍未收到响应消息则返回该错误（因内核而异）。
2).若响应时RST，表明该服务器主机在我们指定的端口上没有进程等待，客户收到RST包后马上返回ECONNREFUSED错误。
3).若客户发出的SYN在中间的路由器上引发了一个“destination unreachable”的ICMP错误，则按第一种情形继续发送SYN，若在规定的时间内没有收到回应，则将ICMP错误作为EHOSTUNREACH或ENETUNREACH错误返回。
函数connect导致从CLOSED状态（socket之后一直是这状态）转到SYN_SENT状态，若成功再转到ESTABLISHED状态。

3 bind函数

bind函数把一个本地协议地址赋予一个套接字。对于网际协议，协议地址是一个ip地址和一个端口号

#include <sys/socket.h>
int bind (int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
//返回，成功为0，出错为-1

参数sockfd是socket函数返回的套接字描述符，myaddr是一个指向特定于协议的地址结构的指针，第三个参数是该地址结构的长度，对于TCP，调用bind函数可以指定一个端口，或者指定一个地址，也可以两者都指定，还可以都不指定。

4 listen函数

函数listen 仅被TCP服务器调用，它做两件事件：
1).当函数socket创建一个套接口时，它被假设为一个主动套接口，也就是说，它是一个将调用connect发起连接的客户套接口，函数listen将未连接的套接口转换成被动套接口，指示内核应接受指向此套接口的连接请求，
2).函数的第二个函数规定了内核为此套接口排队的最大连接个数

#include <sys/socket.h>
int listen (int sockfd, int backlog);
//返回，成功为0，出错-1 

要理解backlog参数，我们要知道内核为任何一个给定的监听套接字维护2个队列：
1).未完成连接队列。客户和服务器之间的tcp三次握手并未完成。
2).已完成连接队列。tcp的三次握手已经完成，处于ESTABLISHED状态。

关于两个队列的处理：
1.listen函数的backlog参数曾被规定为两个队列总和的最大值
2.源自Berkeley的实现给backlog增设了一个模糊因子，把它乘以1.5得到未处理队列最大长度
3.不要把backlog定义为0，因为不同的实现对此有不同的解释
4.在三路握手正常完成的前提下（也就是说没有丢失分节，从而没有重传），未完成连接队列的任何一项在其中的存留时间就是一个RTT，而RTT的值取决于特定的客户与服务器
当一个客户SYN到达时，若这些队列是满的，TCP就忽略该分节，也就是不发送RST
5.在三路握手完成后，但在服务器调用accept之前到达的数据应由服务器TCP排列，最大数据量为相应已连接套接字的接受缓冲区大小

5 accept函数

accept函数由TCP服务器调用，用于从已完成连接队列列头返回下一个已完成连接，如果已完成连接队列为空，进程将被投入睡眠

#include <sys/socket.h>
int accept (int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);
//返回：若成功为非负描述符，出错为-1

参数cliaddr和addrlen返回已连接的客户的协议地址，如果对客户的协议地址不感兴趣，可以置为空，参数addrlen是值-结果参数，在函数调用的时候是传入的套接字地址结构的大小，函数返回时它的值是内核存放在该套接字地址结构中的确切字节数。
如果accept成功，那么其返回值是由内核自动生成的一个全新描述符，代表与返回客户的TCP连接，一般我们称accept函数第一个参数为监听套接字描述符(由socket创建，随后用作bind和listen的第一个参数的描述符)，称它的返回值为已连接套接字描述符
accept 函数最多返回三个值：一个既可能是新的套接字描述符也可能是出错指示的整数、客户进程的协议地址(由cliaddr指针所指)、以及该地址的大小(由addrlen指针所指)。

6 fork和exec函数

fork函数(包括有些系统可能提供的它的各种变体)是Unix中派生新进程的唯一方法。

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
//返回：在子进程中为0，在父进程中为子进程的ID，若出错为-1

理解fork的最难之处在于调用一次，它却返回两次，返回值本身告知当前进程是子进程还是父进程。
fork 在子进程中返回0，在父进程中返回子进程的ID号的原因在于：一个子进程只有一个父进程，而且在子进程中可以通过调用getppid获取父进程ID。但是父进程可以有多个子进程，并且在父进程中没有办法获取子进程的ID，如果父进程想跟踪子进程，那么它必须在fork返回后保存子进程的ID。
fork函数的2个典型用法：
（1）一个进程创建一个自身的副本，每个副本执行各自的操作。
（2）一个进程想要执行另外一个程序，那么它先调用fork函数创建一个自身的副本，然后调用exec函数把自身替换成新的程序。
下面exec函数之间的区别在于
a.待执行的程序是由文件名还是由路径名指定
b.新程序的参数是一一列出还是由一个指针数组来引用
c.把调用进程的环境传递给新程序还是给新城粗指定新的环境

#include <unistd.h>
int execl (const char *pathname, const char *arg0, ... /* (char *) 0 */ );
int execv (const char *pathname, char *const argv[]);
int execle (const char *pathname, const char *arg0, .../* (char *) 0, char *const envp[] */ );
int execve (const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);
int execlp (const char *filename, const char *arg0, ... /* (char *) 0 */ );
int execvp (const char *filename, char *const argv[]);

另外进程在调用exec之前打开着的描述符通常跨exec继续保持打开。

7 close函数

通常的Unix close函数也用来关闭套接字，并终止TCP连接

#include <unistd.h>
int close (int sockfd);         //返回：若成功为0，出错为-1

close一个TCP套接字的默认行为是把该套接字设置成已关闭，然后立即返回到调用进程，在并发服务器中，fork一个子进程会复制父进程在fork之前创建的所有描述符，复制完成后相应描述符的引用计数会增加1，调用close 会使描述符的引用计数减1，一旦描述符的引用计数为0，内核就会关闭该套接字。调用close后套接字的描述符引用计数仍然大于0的话，就不会引发TCP的终止序列。如果想在一个TCP连接上发送FIN 可以调用shutdown函数。

8 getsockname和getpeername函数

getsockname函数返回与某个套接字关联的本地协议地址，getpeername函数返回某个套接字关联的外地协议地址

#include <sys/socket.h>
int getsockname(int sockfd, struct sockaddr *localaddr, socklen_t *addrlen);
int getpeername(int sockfd, struct sockaddr *peeraddr, socklen_t *addrlen);
//返回值：成功返回0，出错返回-1.
// socklen_t *addrlen是值-结果参数

需要这两个函数，有如下的理由：
1).在一个没有调用bind的TCP客户上，connect成功返回后，getsockname用于返回内核赋予该连接的本地IP地址和本地端口号。
2).在以端口号0调用后，getsockname用于返回内核赋予的本地端口号
3).一旦连接建立，获取客户身份便可以调用getpeername。
4).在一个以通配IP地址调用bind的TCP服务器上，与某个客户的连接一旦建立(accept成功返回)，getsockname就可以用于返回由内核赋予该连接的本地IP地址，在这样的调用中，套接字描述符参数必须是已连接套接字的描述符，而不是监听套接字的描述符
5).当一个服务器是由调用过accept的某个进程通过调用exec执行程序时，它能够获取客户身份的唯一途径便是调用getpeername