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WinSock API
Socket 接口是网络编程(通常是 TCP/IP 协议,也可以是其他协议)的 API。最早的 Socket 接口
是 Berkeley 接口,在 Unix 操作系统中实现。WinSock 也是一个基于 Socket 模型的 API,在
Microsoft Windows 操作系统类中使用。它在 Berkeley 接口函数的基础之上,还增加了基于消息驱动
机制的 Windows 扩展函数。Winscok1.1 只支持 TCP/IP 网络,WinSock2.0 增加了对更多协议的支持。
这里,讨论 TCP/IP 网络上的 API。
Socket 接口包括三类函数:
第一类是 WinSock API 包含的 Berkeley socket 函数。这类函数分两部分。第一部分是用于网络
I/O 的函数,如
accept、closesocket、connect、recv、recvfrom、select、send、sendto
另一部分是不涉及网络 I/O、在本地端完成的函数,如
bind、getpeername、getsockname、getsocketopt、htonl、htons、inet_addr、inet_nton
ioctlsocket、listen、ntohl、ntohs、setsocketopt、shutdow、socket 等
第二类是检索有关域名、通信服务和协议等 Internet 信息的数据库函数,如
gethostbyaddr、gethostbyname、gethostname、getprotolbyname
getprotolbynumber、getserverbyname、getservbyport。
第三类是 Berkekley socket 例程的 Windows 专用的扩展函数,如 gethostbyname 对应的
WSAAsynGetHostByName(其他数据库函数除了 gethostname 都有异步版本),select 对应的
WSAAsynSelect,判断是否阻塞的函数 WSAIsBlocking,得到上一次 Windsock API 错误信息的
WSAGetLastError,等等。
从另外一个角度,这些函数又可以分为两类,一是阻塞函数,一是非阻塞函数。所谓阻塞函数,
是指其完成指定的任务之前不允许程序调用另一个函数,在 Windows 下还会阻塞本线程消息的发送。
所谓非阻塞函数,是指操作启动之后,如果可以立即得到结果就返回结果,否则返回表示结果需要等
待的错误信息,不等待任务完成函数就返回。
首先,异步函数是非阻塞函数;
其次,获取远地信息的数据库函数是阻塞函数(因此,WinSock 提供了其异步版本);
在 Berkeley socket 函数部分中,不涉及网络 I/O、本地端工作的函数是非阻塞函数;
在 Berkeley socket 函数部分中,网络 I/O 的函数是可阻塞函数,也就是它们可以阻塞执行,也可
以不阻塞执行。这些函数都使用了一个 socket,如果它们使用的 socket 是阻塞的,则这些函数是阻塞
函数;如果它们使用的 socket 是非阻塞的,则这些函数是非阻塞函数。
创建一个 socket 时,可以指定它是否阻塞。在缺省情况下,Berkerley 的 Socket 函数和
WinSock 都创建“阻塞”的 socket。阻塞 socket 通过使用 select 函数或者 WSAAsynSelect 函数在指定
操作下变成非阻塞的。WSAAsyncSelect 函数原型如下。
int WSAAsyncSelect(
SOCKET s,
HWND hWnd,
u_int wMsg,
long lEvent
);
其中,参数 1 指定了要操作的 socket 句柄;参数 2 指定了一个窗口句柄;参数 3 指定了一个消息,
参数 4 指定了网络事件,可以是多个事件的组合,如:
FD_READ 准备读
FD_WRITE 准备写
1
FD_OOB 带外数据到达
FD_ACCEPT 收到连接
FD_CONNECT 完成连接
FD_CLOSE 关闭 socket。
用 OR 操作组合这些事件值,如 FD_READ|FD_WRITE
WSAAsyncSelect 函数表示对 socket s 监测 lEvent 指定的网络事件,如果有事件发生,则给窗口
hWnd 发送消息 wMsg。
假定应用程序的一个 socket s 指定了监测 FD_READ 事件,则在 FD_READ 事件上变成非阻塞的。
当 read 函数被调用时,不管是否读到数据都马上返回,如果返回一个错误信息表示还在等待,则在等
待的数据到达后,消息 wMsg 发送给窗口 hWnd,应用程序处理该消息读取网络数据。
对于异步函数的调用,以类似的过程最终得到结果数据。以 gethostbyname 的异步版本的使用为
例进行说明。该函数原型如下:
HANDLE WSAAsyncGetHostByName(
HWND hWnd,
u_int wMsg,
const char FAR *name,
char FAR *buf,
int buflen
);
在调用 WSAAsyncGetHostByName 启动操作时,不仅指定主机名字 name,还指定了一个窗口
句柄 hWnd,一个消息 ID wMsg,一个缓冲区及其长度。如果不能立即得到主机地址,则返回一个错
误信息表示还在等待。当要的数据到达时,WinSock DLL 给窗口 hWnd 发送消息 wMsg 告知得到了主
机地址,窗口过程从指定的缓冲区 buf 得到主机地址。
使用异步函数或者非阻塞的 socket,主要是为了不阻塞本线程的执行。在多进程或者多线程的情
况下,可以使用两个线程通过同步手段来完成异步函数或者非阻塞函数的功能。
本文是我在进行 MS-Windows、HP-Unix 网络编程的实践过程中总结出来的一些经验,仅
供大家参考。本文所谈到的 Socket 函数如果没有特别说明,都是指的 Windows Socket
API。
一、WSAStartup 函数
int WSAStartup(
WORD wVersionRequested,
LPWSADATA lpWSAData
);
使用 Socket 的程序在使用 Socket 之前必须调用 WSAStartup 函数。该函数的第一个参数
指明程序请求使用的 Socket 版本,其中高位字节指明副版本、低位字节指明主版本;操作
系统利用第二个参数返回请求的 Socket 的版本信息。当一个应用程序调用 WSAStartup 函
数时,操作系统根据请求的 Socket 版本来搜索相应的 Socket 库,然后绑定找到的 Socket 库
到该应用程序中。以后应用程序就可以调用所请求的 Socket 库中的其它 Socket 函数了。该
函数执行成功后返回 0。
例:假如一个程序要使用 2.1 版本的 Socket,那么程序代码如下
2
wVersionRequested = MAKEWORD( 2, 1 );
err = WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData );
二、WSACleanup 函数
int WSACleanup (void);
应用程序在完成对请求的 Socket 库的使用后,要调用 WSACleanup 函数来解除与 Socket
库的绑定并且释放 Socket 库所占用的系统资源。
三、socket 函数
SOCKET socket(
int af,
int type,
int protocol
);
应用程序调用 socket 函数来创建一个能够进行网络通信的套接字。第一个参数指定应用
程序使用的通信协议的协议族,对于 TCP/IP 协议族,该参数置 PF_INET;第二个参数指定
要 创 建 的 套 接 字 类 型 , 流 套 接 字 类 型 为 SOCK_STREAM 、 数 据 报 套 接 字 类 型 为
SOCK_DGRAM;第三个参数指定应用程序所使用的通信协议。该函数如果调用成功就返
回新创建的套接字的描述符,如果失败就返回 INVALID_SOCKET。套接字描述符是一个
整数类型的值。每个进程的进程空间里都有一个套接字描述符表,该表中存放着套接字描
述符和套接字数据结构的对应关系。该表中有一个字段存放新创建的套接字的描述符,另
一个字段存放套接字数据结构的地址,因此根据套接字描述符就可以找到其对应的套接字
数据结构。每个进程在自己的进程空间里都有一个套接字描述符表但是套接字数据结构都
是在操作系统的内核缓冲里。下面是一个创建流套接字的例子:
struct protoent *ppe;
ppe=getprotobyname("tcp");
SOCKET ListenSocket=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,ppe->p_proto);
四、closesocket 函数
int closesocket(
SOCKET s
);
closesocket 函数用来关闭一个描述符为 s 套接字。由于每个进程中都有一个套接字描述
符表,表中的每个套接字描述符都对应了一个位于操作系统缓冲区中的套接字数据结构,
因此有可能有几个套接字描述符指向同一个套接字数据结构。套接字数据结构中专门有一
个 字 段 存 放 该 结 构 的 被 引 用 次 数 , 即 有 多 少 个 套 接 字 描 述 符 指 向 该 结 构 。 当 调 用
closesocket 函数时,操作系统先检查套接字数据结构中的该字段的值,如果为 1,就表明只
有一个套接字描述符指向它,因此操作系统就先把 s 在套接字描述符表中对应的那条表项
清除,并且释放 s 对应的套接字数据结构;如果该字段大于 1,那么操作系统仅仅清除 s 在
套接字描述符表中的对应表项,并且把 s 对应的套接字数据结构的引用次数减 1。
closesocket 函数如果执行成功就返回 0,否则返回 SOCKET_ERROR。
五、send 函数
int send(
3
SOCKET s,
const char FAR *buf,
int len,
int flags
);
不论是客户还是服务器应用程序都用 send 函数来向 TCP 连接的另一端发送数据。客户程
序一般用 send 函数向服务器发送请求,而服务器则通常用 send 函数来向客户程序发送应答。
该函数的第一个参数指定发送端套接字描述符;第二个参数指明一个存放应用程序要发送
数据的缓冲区;第三个参数指明实际要发送的数据的字节数;第四个参数一般置 0。这里
只描述同步 Socket 的 send 函数的执行流程。当调用该函数时,send 先比较待发送数据的长
度 len 和套接字 s 的发送缓冲区的长度,如果 len 大于 s 的发送缓冲区的长度,该函数返回
SOCKET_ERROR;如果 len 小于或者等于 s 的发送缓冲区的长度,那么 send 先检查协议是
否正在发送 s 的发送缓冲中的数据,如果是就等待协议把数据发送完,如果协议还没有开
始发送 s 的发送缓冲中的数据或者 s 的发送缓冲中没有数据,那么 send 就比较 s 的发送缓
冲区的剩余空间和 len,如果 len 大于剩余空间大小 send 就一直等待协议把 s 的发送缓冲中
的数据发送完,如果 len 小于剩余空间大小 send 就仅仅把 buf 中的数据 copy 到剩余空间里
(注意并不是 send 把 s 的发送缓冲中的数据传到连接的另一端的,而是协议传的, send 仅
仅是把 buf 中的数据 copy 到 s 的发送缓冲区的剩余空间里)。如果 send 函数 copy 数据成功,
就 返 回 实 际 copy 的 字 节 数 , 如 果 send 在 copy 数 据 时 出 现 错 误 , 那 么 send 就 返 回
SOCKET_ERROR;如果 send 在等待协议传送数据时网络断开的话,那么 send 函数也返回
SOCKET_ERROR。要注意 send 函数把 buf 中的数据成功 copy 到 s 的发送缓冲的剩余空间
里后它就返回了,但是此时这些数据并不一定马上被传到连接的另一端。如果协议在后续
的传送过程中出现网络错误的话,那么下一个 Socket 函数就会返回 SOCKET_ERROR。
(每一个除 send 外的 Socket 函数在执行的最开始总要先等待套接字的发送缓冲中的数据被
协 议 传 送 完 毕 才 能 继 续 , 如 果 在等 待 时 出 现 网 络 错 误 , 那 么 该 Socket 函 数 就 返 回
SOCKET_ERROR)
注意:在 Unix 系统下,如果 send 在等待协议传送数据时网络断开的话,调用 send 的进程
会接收到一个 SIGPIPE 信号,进程对该信号的默认处理是进程终止。
六、recv 函数
int recv(
SOCKET s,
char FAR *buf,
int len,
int flags
);
不论是客户还是服务器应用程序都用 recv 函数从 TCP 连接的另一端接收数据。该函数的
第一个参数指定接收端套接字描述符;第二个参数指明一个缓冲区,该缓冲区用来存放
recv 函数接收到的数据;第三个参数指明 buf 的长度;第四个参数一般置 0。这里只描述同
步 Socket 的 recv 函数的执行流程。当应用程序调用 recv 函数时,recv 先等待 s 的发送缓冲
中的数据被协议传送完毕,如果协议在传送 s 的发送缓冲中的数据时出现网络错误,那么
recv 函数返回 SOCKET_ERROR,如果 s 的发送缓冲中没有数据或者数据被协议成功发送
完毕后,recv 先检查套接字 s 的接收缓冲区,如果 s 接收缓冲区中没有数据或者协议正在接
收数据,那么 recv 就一直等待,只到协议把数据接收完毕。当协议把数据接收完毕,recv
4
函数就把 s 的接收缓冲中的数据 copy 到 buf 中(注意协议接收到的数据可能大于 buf 的长
度,所以在这种情况下要调用几次 recv 函数才能把 s 的接收缓冲中的数据 copy 完。recv 函
数仅仅是 copy 数据,真正的接收数据是协议来完成的),recv 函数返回其实际 copy 的字
节数。如果 recv 在 copy 时出错,那么它返回 SOCKET_ERROR;如果 recv 函数在等待协议
接收数据时网络中断了,那么它返回 0。
注意:在 Unix 系统下,如果 recv 函数在等待协议接收数据时网络断开了,那么调用 recv
的进程会接收到一个 SIGPIPE 信号,进程对该信号的默认处理是进程终止。
七、bind 函数
int bind(
SOCKET s,
const struct sockaddr FAR *name,
int namelen
);
当创建了一个 Socket 以后,套接字数据结构中有一个默认的 IP 地址和默认的端口号。一
个服务程序必须调用 bind 函数来给其绑定一个 IP 地址和一个特定的端口号。客户程序一般
不必调用 bind 函数来为其 Socket 绑定 IP 地址和断口号。该函数的第一个参数指定待绑定
的 Socket 描述符;第二个参数指定一个 sockaddr 结构,该结构是这样定义的:
struct sockaddr {
u_short sa_family;
char sa_data[14];
};
sa_family 指定地址族,对于 TCP/IP 协议族的套接字,给其置 AF_INET。当对 TCP/IP 协
议族的套接字进行绑定时,我们通常使用另一个地址结构:
struct sockaddr_in {
short sin_family;
u_short sin_port;
struct in_addr sin_addr;
char sin_zero[8];
};
其中 sin_family 置 AF_INET;sin_port 指明端口号;sin_addr 结构体中只有一个唯一的字
段 s_addr,表示 IP 地址,该字段是一个整数,一般用函数 inet_addr()把字符串形式的 IP
地址转换成 unsigned long 型的整数值后再置给 s_addr。有的服务器是多宿主机,至少有两
个网卡,那么运行在这样的服务器上的服务程序在为其 Socket 绑定 IP 地址时可以把
htonl(INADDR_ANY)置给 s_addr,这样做的好处是不论哪个网段上的客户程序都能与该服
务程序通信;如果只给运行在多宿主机上的服务程序的 Socket 绑定一个固定的 IP 地址,那
么就只有与该 IP 地址处于同一个网段上的客户程序才能与该服务程序通信。我们用 0 来填
充 sin_zero 数组,目的是让 sockaddr_in 结构的大小与 sockaddr 结构的大小一致。下面是一
个 bind 函数调用的例子:
struct sockaddr_in saddr;
saddr.sin_family = AF_INET;
saddr.sin_port = htons(8888);
saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
bind(ListenSocket,(struct sockaddr *)&saddr,sizeof(saddr));
5
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lsls22
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