Socket通信

TCP/IP

先复习一下TCP/IP协议，网络分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。TCP协议作用在传输层，表现出来就是三次握手；IP在网络层负责寻址。归纳一下：TCP是传输层协议，HTTP负责在应用层包装数据，而Socket就是对TCP/IP的封装与使用。实际写代码时一般不会把七层都碰一遍，Socket就夹在应用层和传输层之间，程序通过它来调用下面的TCP/IP。

Socket接口几乎是所有语言都拥有的API（Socket不是协议，是接口），初学者通过Socket可以实现对网络的初步利用与研究，比如局域网内简单的收发数据，这些都是可以自己动手实现的。

TCP协议是所有学习计算机的人必须知道的。三次握手说起来也不复杂：客户端先发一个SYN包，服务器回一个SYN+ACK，客户端再回一个ACK，连接就建好了，之后双方看到的就是一条可靠、有序的字节流。可靠是有代价的，要维护连接状态、要重传、要按序重组，所以TCP比UDP慢一些；UDP的Socket走SOCK_DGRAM，无连接，发出去就不管了，丢了也不重发，适合视频通话这种丢一两帧无所谓的场景。

在了解TCP协议后我们就可以使用Socket实现简单的消息服务器了，事不宜迟，现在就动手操作！

开始编写

在读懂这些代码之前，最好有C++、java、python的基础，不然下面的代码理解起来会费劲。为了演示Socket通信的能力，这里特意混用了几种语言：Java和Python写客户端，C++写服务端，顺便也能看看不同语言的Socket接口到底差在哪。

数据接收端(C++)

#include <iostream>
#include <WINSOCK2.H>
#include "windows.h"

#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") 
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS

int main()
{
    //定义数据套接字
    WSADATA wsaData;
    SOCKET Server;
    SOCKET Client;
    SOCKADDR_IN local;
    SOCKADDR_IN client;
    //传过来的数据
    char Messagesize[1024];
    int retu;
    int iaddrSize = sizeof(SOCKADDR_IN);
    WSAStartup(0x0202, &wsaData);
    //设置服务端
    Server = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    local.sin_family = AF_INET;
    //设置端口
    local.sin_port = htons(8090);
    //得到地址
    local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    //监听服务
    bind(Server, (struct sockaddr*)&local, sizeof(SOCKADDR_IN));
    listen(Server, 1);
    //得到客户端
    Client = accept(Server, (struct sockaddr*)&client, &iaddrSize);
    printf("服务器得到客户端的连接:%s:%d\n", inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port));
    //输出得到的内容
    while (TRUE) {
        retu = recv(Client, Messagesize, 1024, 0);
        Messagesize[retu] = '\0';
        printf("接收到数据 [%d 字节]: '%s'\n", retu, Messagesize);
    }
    return 0;
}

代码从头捋一遍。WSAStartup(0x0202, &wsaData)是Windows下的Socket初始化，0x0202表示要求Winsock 2.2，Linux上写Socket没有这一步。socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)创建了一个IPv4的、面向连接的TCP套接字，三个参数分别对应地址族、套接字类型和协议。

local.sin_port = htons(8090)里的htons是“主机序转网络序”的意思。不同CPU存多字节整数的方式不一样，网络协议统一规定用大端，所以端口和地址往结构体里塞之前都得转换一下，少了这步端口号就串了。sin_addr填INADDR_ANY表示绑定本机所有网卡，如果只写127.0.0.1，别的机器就连不进来。

bind把地址和套接字绑在一起，listen(Server, 1)开始监听，最后的1是等待连接的队列长度。accept会一直阻塞，直到真有客户端连上来，然后返回一个全新的套接字专门跟这个客户端通信，原来的Server继续负责接待下一个，这一点第一次写Socket的人经常搞混。

printf那行用inet_ntoa和ntohs把客户端的地址、端口还原成人类能读的格式。recv返回实际收到的字节数，Messagesize[retu] = ‘\0’是手动补字符串结束符——recv只搬原始字节，不会替我们在末尾加’\0’，不补的话直接当字符串printf就越界了，这个坑挺隐蔽。

还有两处可以改进：recv返回0表示对面断开了连接，返回-1表示出错，上面这段代码的while(TRUE)里没判断这两种情况，客户端一退出，服务端就会疯狂打印0字节的数据；另外Windows下用完Socket最好补一句WSACleanup()收尾。顺便说一句，_WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS这个宏要写在#include前面才生效，上面这段代码把它写在了后面，所以inet_ntoa的过时警告其实压不掉。

数据发送客户端1号(Java)

import java.io.*;
import java.net.Socket;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //配置Socket对象
            Socket socket = new Socket("localhost",8090);
            //定义输出流对象
            PrintWriter printWriter = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
            //字符串转如Socket发送出去
            printWriter.write("Hey!Im java client");
            //释放空间
            printWriter.flush();
        } catch (IOException exception) {
            exception.printStackTrace();
        }
    }
}

Java这边省事多了。new Socket(“localhost”, 8090)这一行构造完，TCP连接就已经建好了（底层就是connect加三次握手），连不上会直接抛IOException被catch住。getOutputStream拿到的是字节流，外面包一层PrintWriter就方便直接写字符串了。这里有个必须注意的点：write只是把内容写进缓冲区，不flush的话数据可能一直卡在本地，程序都结束了对面还没收到，所以flush这行不能省。

另外“localhost”只能连本机，想从别的电脑连过来得换成服务端的局域网IP，跨机器还要留意Windows防火墙，第一次跑一般会弹窗让你放行。这个客户端发完就退出了，Socket跟着进程一起关闭，服务端那边的recv正好收到断开；要是想做一直挂着的聊天客户端，就得把收发放进循环，还要处理对方主动断开的情况。

数据发送客户端2号(Python)

import socket

s = socket.socket()
s.connect(("127.0.0.1", 8090))

while 1:
    s.send("Hi,Im python client".encode("utf-8"))
    data = s.recv(1024)
    print('recv:',data.decode())

s.close()

Python的写法最直白。socket.socket()不传参数时默认就是AF_INET加SOCK_STREAM，也就是TCP，等价于C++里的socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)。connect同样会触发三次握手。Python 3里socket只认bytes，所以发送前要用encode(“utf-8”)把字符串转成字节，直接send字符串会报TypeError。

这里有个跑起来才会发现的坑：上面的C++服务端只收不发，Python客户端发完第一句就卡在recv上等回复了，会一直阻塞。想让它正常工作，可以在服务端recv之后加一句send把消息回传，客户端就能收到自己的回声。s.close()写在while外面其实永远执行不到，正常做法是跳出循环再关。

结果

均可在C++服务端上体现，两个客户端发来的字符串都被打印了出来。

总结

这次我们拿三种语言围着同一个8090端口转了一圈，C++做服务端，Java和Python做客户端，数据都能正常送达，说明Socket这层接口在语言之间是相通的，只是封装的写法不一样。基础的东西还是得自己动手跑一遍，光看理论不会知道recv返回0意味着什么、flush忘了会怎样。感兴趣的话可以把服务端改成收一句回一句的聊天程序，把收发循环补全，练手正合适。