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day01-从一个最简单的socket开始

如果读者之前有计算机网络的基础知识那就更好了，没有也没关系，socket编程非常容易上手。但本教程主要偏向实践，不会详细讲述计算机网络协议、网络编程原理等。想快速入门可以看以下博客，讲解比较清楚、错误较少：

要想打好基础，抄近道是不可的，有时间一定要认真学一遍谢希仁的《计算机网络》，要想精通服务器开发，这必不可少。

首先在服务器，我们需要建立一个socket套接字，对外提供一个网络通信接口，在Linux系统中这个套接字竟然仅仅是一个文件描述符，也就是一个int类型的值！这个对套接字的所有操作（包括创建）都是最底层的系统调用。

在这里读者务必先了解什么是Linux系统调用和文件描述符，《现代操作系统》第四版第一章有详细的讨论。如果你想抄近道看博客，C语言中文网的这篇文章讲了一部分：socket是什么？套接字是什么？

Unix哲学KISS：keep it simple, stupid。在Linux系统里，一切看上去十分复杂的逻辑功能，都用简单到不可思议的方式实现，甚至有些时候看上去很愚蠢。但仔细推敲，人们将会赞叹Linux的精巧设计，或许这就是大智若愚。

#include <sys/socket.h>
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  • 第一个参数：IP地址类型，AF_INET表示使用IPv4，如果使用IPv6请使用AF_INET6。
  • 第二个参数：数据传输方式，SOCK_STREAM表示流格式、面向连接，多用于TCP。SOCK_DGRAM表示数据报格式、无连接，多用于UDP。
  • 第三个参数：协议，0表示根据前面的两个参数自动推导协议类型。设置为IPPROTO_TCP和IPPTOTO_UDP，分别表示TCP和UDP。

对于客户端，服务器存在的唯一标识是一个IP地址和端口，这时候我们需要将这个套接字绑定到一个IP地址和端口上。首先创建一个sockaddr_in结构体

#include <arpa/inet.h>  //这个头文件包含了<netinet/in.h>，不用再次包含了
struct sockaddr_in serv_addr;
bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));

然后使用bzero初始化这个结构体，这个函数在头文件<string.h>或<cstring>中。这里用到了两条《Effective C++》的准则：

条款04: 确定对象被使用前已先被初始化。如果不清空，使用gdb调试器查看addr内的变量，会是一些随机值，未来可能会导致意想不到的问题。

条款01: 视C++为一个语言联邦。把C和C++看作两种语言，写代码时需要清楚地知道自己在写C还是C++。如果在写C，请包含头文件<string.h>。如果在写C++，请包含<cstring>。

设置地址族、IP地址和端口：

serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
serv_addr.sin_port = htons(8888);

然后将socket地址与文件描述符绑定：

bind(sockfd, (sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

为什么定义的时候使用专用socket地址（sockaddr_in）而绑定的时候要转化为通用socket地址（sockaddr），以及转化IP地址和端口号为网络字节序的inet_addr和htons等函数及其必要性，在游双《Linux高性能服务器编程》第五章第一节：socket地址API中有详细讨论。

最后我们需要使用listen函数监听这个socket端口，这个函数的第二个参数是listen函数的最大监听队列长度，系统建议的最大值SOMAXCONN被定义为128。

listen(sockfd, SOMAXCONN);

要接受一个客户端连接，需要使用accept函数。对于每一个客户端，我们在接受连接时也需要保存客户端的socket地址信息，于是有以下代码：

struct sockaddr_in clnt_addr;
socklen_t clnt_addr_len = sizeof(clnt_addr);
bzero(&clnt_addr, sizeof(clnt_addr));
int clnt_sockfd = accept(sockfd, (sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_len);
printf("new client fd %d! IP: %s Port: %d\n", clnt_sockfd, inet_ntoa(clnt_addr.sin_addr), ntohs(clnt_addr.sin_port));

要注意和accept和bind的第三个参数有一点区别，对于bind只需要传入serv_addr的大小即可，而accept需要写入客户端socket长度，所以需要定义一个类型为socklen_t的变量，并传入这个变量的地址。另外，accept函数会阻塞当前程序，直到有一个客户端socket被接受后程序才会往下运行。

到现在，客户端已经可以通过IP地址和端口号连接到这个socket端口了，让我们写一个测试客户端连接试试：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in serv_addr;
bzero(&serv_addr, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
serv_addr.sin_port = htons(8888);
connect(sockfd, (sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

代码和服务器代码几乎一样：创建一个socket文件描述符，与一个IP地址和端口绑定，最后并不是监听这个端口，而是使用connect函数尝试连接这个服务器。

至此，day01的教程已经结束了，进入code/day01文件夹，使用make命令编译，将会得到server和client。输入命令./server开始运行，直到accept函数，程序阻塞、等待客户端连接。然后在一个新终端输入命令./client运行客户端，可以看到服务器接收到了客户端的连接请求，并成功连接。

new client fd 3! IP: 127.0.0.1 Port: 53505

但如果我们先运行客户端、后运行服务器，在客户端一侧无任何区别，却并没有连接服务器成功，因为我们day01的程序没有任何的错误处理。

事实上对于如socket,bind,listen,accept,connect等函数，通过返回值以及errno可以确定程序运行的状态、是否发生错误。在day02的教程中，我们会进一步完善整个服务器，处理所有可能的错误，并实现一个echo服务器（客户端发送给服务器一个字符串，服务器收到后返回相同的内容）。

完整源代码：https://github.com/yuesong-feng/30dayMakeCppServer/tree/main/code/day01