一、網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間如何通信

首要解決的問題是如何唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程，否則通信無從談起！在本地可以通過進(jìn)程PID來唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程，但是在網(wǎng)絡(luò)中這是行不通的。其實(shí)TCP/IP協(xié)議族已經(jīng)幫我們解決了這個(gè)問題，網(wǎng)絡(luò)層的“ip地址”可以唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，而傳輸層的“協(xié)議+端口”可以唯一標(biāo)識(shí)主機(jī)中的應(yīng)用程序（進(jìn)程）。這樣利用三元組（ip地址，協(xié)議，端口）就可以標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程了，網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程通信就可以利用這個(gè)標(biāo)志與其它進(jìn)程進(jìn)行交互。

使用TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用程序通常采用應(yīng)用編程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已經(jīng)被淘汰），來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程之間的通信。就目前而言，幾乎所有的應(yīng)用程序都是采用socket，而現(xiàn)在又是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程通信是無處不在，這就是我為什么說“一切皆socket”。

二、什么是Socket?

上面我們已經(jīng)知道網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)程是通過socket來通信的，那什么是socket呢？socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲學(xué)之一就是“一切皆文件”，都可以用“打開open –> 讀寫write/read –> 關(guān)閉close”模式來操作。我的理解Socket就是該模式的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，socket即是一種特殊的文件，一些socket函數(shù)就是對(duì)其進(jìn)行的操作（讀/寫IO、打開、關(guān)閉），這些函數(shù)我們?cè)诤竺孢M(jìn)行介紹。

三、socket的基本操作

既然socket是“open—write/read—close”模式的一種實(shí)現(xiàn)，那么socket就提供了這些操作對(duì)應(yīng)的函數(shù)接口。下面以TCP為例，介紹幾個(gè)基本的socket接口函數(shù)

1、socket()函數(shù)

int socket(int domain, int type, int protocol);

socket函數(shù)對(duì)應(yīng)于普通文件的打開操作。普通文件的打開操作返回一個(gè)文件描述字，而socket()用于創(chuàng)建一個(gè)socket描述符（socket descriptor），它唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)socket。這個(gè)socket描述字跟文件描述字一樣，后續(xù)的操作都有用到它，把它作為參數(shù)，通過它來進(jìn)行一些讀寫操作。

正如可以給fopen的傳入不同參數(shù)值，以打開不同的文件。創(chuàng)建socket的時(shí)候，也可以指定不同的參數(shù)創(chuàng)建不同的socket描述符，socket函數(shù)的三個(gè)參數(shù)分別為：

• domain：即協(xié)議域，又稱為協(xié)議族（family）。常用的協(xié)議族有，AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或稱AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。協(xié)議族決定了socket的地址類型，在通信中必須采用對(duì)應(yīng)的地址，如AF_INET決定了要用ipv4地址（32位的）與端口號(hào)（16位的）的組合、AF_UNIX決定了要用一個(gè)絕對(duì)路徑名作為地址。
• type：指定socket類型。常用的socket類型有，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW、SOCK_PACKET、SOCK_SEQPACKET等等
• protocol：故名思意，就是指定協(xié)議。常用的協(xié)議有，IPPROTO_TCP、IPPTOTO_UDP、IPPROTO_SCTP、IPPROTO_TIPC等，它們分別對(duì)應(yīng)TCP傳輸協(xié)議、UDP傳輸協(xié)議、STCP傳輸協(xié)議、TIPC傳輸協(xié)議

PS：并不是上面的type和protocol可以隨意組合的，如SOCK_STREAM不可以跟IPPROTO_UDP組合。當(dāng)protocol為0時(shí)，會(huì)自動(dòng)選擇type類型對(duì)應(yīng)的默認(rèn)協(xié)議。

當(dāng)我們調(diào)用socket創(chuàng)建一個(gè)socket時(shí)，返回的socket描述字它存在于協(xié)議族（address family，AF_XXX）空間中，但沒有一個(gè)具體的地址。如果想要給它賦值一個(gè)地址，就必須調(diào)用bind()函數(shù)，否則當(dāng)調(diào)用connect()、listen()時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)隨機(jī)分配一個(gè)端口。

2、bind()函數(shù)

正如上面所說bind()函數(shù)把一個(gè)地址族中的特定地址賦給socket。例如對(duì)應(yīng)AF_INET、AF_INET6就是把一個(gè)ipv4或ipv6地址和端口號(hào)組合賦給socket。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函數(shù)的三個(gè)參數(shù)分別為：

• sockfd：即socket描述字，它是通過socket()函數(shù)創(chuàng)建了，唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)socket。bind()函數(shù)就是將給這個(gè)描述字綁定一個(gè)名字。
• addr：一個(gè)const struct sockaddr *指針，指向要綁定給sockfd的協(xié)議地址。這個(gè)地址結(jié)構(gòu)根據(jù)地址創(chuàng)建socket時(shí)的地址協(xié)議族的不同而不同
• addrlen：對(duì)應(yīng)的是地址的長度

3、網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序與主機(jī)字節(jié)序

• 主機(jī)字節(jié)序就是我們平常說的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字節(jié)序類型，這些字節(jié)序是指整數(shù)在內(nèi)存中保存的順序，這個(gè)叫做主機(jī)序。引用標(biāo)準(zhǔn)的Big-Endian和Little-Endian的定義如下：

a) Little-Endian就是低位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，高位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

b) Big-Endian就是高位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，低位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

• 網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序：4個(gè)字節(jié)的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。這種傳輸次序稱作大端字節(jié)序。由于TCP/IP首部中所有的二進(jìn)制整數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)都要求以這種次序，因此它又稱作網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序。字節(jié)序，顧名思義字節(jié)的順序，就是大于一個(gè)字節(jié)類型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放順序，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)沒有順序的問題了。

所以：在將一個(gè)地址綁定到socket的時(shí)候，請(qǐng)先將主機(jī)字節(jié)序轉(zhuǎn)換成為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序，而不要假定主機(jī)字節(jié)序跟網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序一樣使用的是Big-Endian。由于這個(gè)問題曾引發(fā)過血案！公司項(xiàng)目代碼中由于存在這個(gè)問題，導(dǎo)致了很多莫名其妙的問題，所以請(qǐng)謹(jǐn)記對(duì)主機(jī)字節(jié)序不要做任何假定，務(wù)必將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序再賦給socket。

4、listen()、connect()函數(shù)

如果作為一個(gè)服務(wù)器，在調(diào)用socket()、bind()之后就會(huì)調(diào)用listen()來監(jiān)聽這個(gè)socket，如果客戶端這時(shí)調(diào)用connect()發(fā)出連接請(qǐng)求，服務(wù)器端就會(huì)接收到這個(gè)請(qǐng)求。

int listen(int sockfd, int backlog);

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

listen函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)即為要監(jiān)聽的socket描述字，第二個(gè)參數(shù)為相應(yīng)socket可以排隊(duì)的最大連接個(gè)數(shù)。socket()函數(shù)創(chuàng)建的socket默認(rèn)是一個(gè)主動(dòng)類型的，listen函數(shù)將socket變?yōu)楸粍?dòng)類型的，等待客戶的連接請(qǐng)求。

connect函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)即為客戶端的socket描述字，第二參數(shù)為服務(wù)器的socket地址，第三個(gè)參數(shù)為socket地址的長度?？蛻舳送ㄟ^調(diào)用connect函數(shù)來建立與TCP服務(wù)器的連接。

5、accept()函數(shù)

TCP服務(wù)器端依次調(diào)用socket()、bind()、listen()之后，就會(huì)監(jiān)聽指定的socket地址了。TCP客戶端依次調(diào)用socket()、connect()之后就想TCP服務(wù)器發(fā)送了一個(gè)連接請(qǐng)求。TCP服務(wù)器監(jiān)聽到這個(gè)請(qǐng)求之后，就會(huì)調(diào)用accept()函數(shù)取接收請(qǐng)求，這樣連接就建立好了。之后就可以開始網(wǎng)絡(luò)I/O操作了，即類同于普通文件的讀寫I/O操作。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
accept函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字，第二個(gè)參數(shù)為指向struct sockaddr *的指針，用于返回客戶端的協(xié)議地址，第三個(gè)參數(shù)為協(xié)議地址的長度。如果accpet成功，那么其返回值是由內(nèi)核自動(dòng)生成的一個(gè)全新的描述字，代表與返回客戶的TCP連接。

注意：accept的第一個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的socket描述字，是服務(wù)器開始調(diào)用socket()函數(shù)生成的，稱為監(jiān)聽socket描述字；而accept函數(shù)返回的是已連接的socket描述字。一個(gè)服務(wù)器通常通常僅僅只創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)聽socket描述字，它在該服務(wù)器的生命周期內(nèi)一直存在。內(nèi)核為每個(gè)由服務(wù)器進(jìn)程接受的客戶連接創(chuàng)建了一個(gè)已連接socket描述字，當(dāng)服務(wù)器完成了對(duì)某個(gè)客戶的服務(wù)，相應(yīng)的已連接socket描述字就被關(guān)閉。

6、read()、write()等函數(shù)

read函數(shù)是負(fù)責(zé)從fd中讀取內(nèi)容.當(dāng)讀成功時(shí)，read返回實(shí)際所讀的字節(jié)數(shù)，如果返回的值是0表示已經(jīng)讀到文件的結(jié)束了，小于0表示出現(xiàn)了錯(cuò)誤。如果錯(cuò)誤為EINTR說明讀是由中斷引起的，如果是ECONNREST表示網(wǎng)絡(luò)連接出了問題。

write函數(shù)將buf中的nbytes字節(jié)內(nèi)容寫入文件描述符fd.成功時(shí)返回寫的字節(jié)數(shù)。失敗時(shí)返回-1，并設(shè)置errno變量。 在網(wǎng)絡(luò)程序中，當(dāng)我們向套接字文件描述符寫時(shí)有倆種可能。1)write的返回值大于0，表示寫了部分或者是全部的數(shù)據(jù)。2)返回的值小于0，此時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤。我們要根據(jù)錯(cuò)誤類型來處理。如果錯(cuò)誤為EINTR表示在寫的時(shí)候出現(xiàn)了中斷錯(cuò)誤。如果為EPIPE表示網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)了問題(對(duì)方已經(jīng)關(guān)閉了連接)。

網(wǎng)絡(luò)I/O操作有下面幾組：

• read()/write()
• recv()/send()
• readv()/writev()
• recvmsg()/sendmsg()
• recvfrom()/sendto()

7、close()函數(shù)

在服務(wù)器與客戶端建立連接之后，會(huì)進(jìn)行一些讀寫操作，完成了讀寫操作就要關(guān)閉相應(yīng)的socket描述字，好比操作完打開的文件要調(diào)用fclose關(guān)閉打開的文件。

int close(int fd);

close一個(gè)TCP socket的缺省行為時(shí)把該socket標(biāo)記為以關(guān)閉，然后立即返回到調(diào)用進(jìn)程。該描述字不能再由調(diào)用進(jìn)程使用，也就是說不能再作為read或write的第一個(gè)參數(shù)。

注意：close操作只是使相應(yīng)socket描述字的引用計(jì)數(shù)-1，只有當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候，才會(huì)觸發(fā)TCP客戶端向服務(wù)器發(fā)送終止連接請(qǐng)求。

四、iOS中CFNetwork簡介

iOS網(wǎng)絡(luò)編程層次模型分為三層：

• Cocoa層：NSURL，Bonjour，Game Kit，WebKit
• Core Foundation層：基于 C 的 CFNetwork 和 CFNetServices
• OS層:基于 C 的 BSD socket

CFNetwork 只是對(duì) BSD socket 的進(jìn)行了輕量級(jí)的封裝，在 iOS 中使用 CFNetwork 有一個(gè)顯著的好處，那就是 CFNetwork 與 run-loop 結(jié)合得很好。每一個(gè)線程都有自己的 run-loop，因此我們可以 CFNetwork 當(dāng)中事件源加入到 run-loop 中，這樣就可以在線程的 run-loop 中處理網(wǎng)絡(luò)事件了

1、創(chuàng)建流

void CFStreamCreatePairWithSocketToHost(CFAllocatorRef alloc, CFStringRef host, UInt32 port, CFReadStreamRef *readStream, CFWriteStreamRef *writeStream);

該函數(shù)使用 host 以及 port，CFNetwork 會(huì)將該 host 轉(zhuǎn)換為 IP 地址，并轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序。如果我們只需要一個(gè) socket stream，我們可以將另外一個(gè)設(shè)置為 NULL

2、打開流

在使用這些 socket stream 之前，必須顯式地調(diào)用其 open 函數(shù)：

Boolean CFReadStreamOpen(CFReadStreamRef stream);

Boolean CFWriteStreamOpen(CFWriteStreamRef stream);

但與 socket 不同的是，這兩個(gè)接口是異步的，當(dāng)成功 open 之后，如果調(diào)用方設(shè)置了獲取 kCFStreamEventOpenCompleted 事件的標(biāo)志的話就會(huì)調(diào)用其回調(diào)函數(shù)。

3、設(shè)置回調(diào)函數(shù)

Boolean CFReadStreamSetClient(CFReadStreamRef stream, CFOptionFlags streamEvents, CFReadStreamClientCallBack clientCB, CFStreamClientContext *clientContext);

Boolean CFWriteStreamSetClient(CFWriteStreamRef stream, CFOptionFlags streamEvents, CFWriteStreamClientCallBack clientCB, CFStreamClientContext *clientContext);

通過 streamEvents 標(biāo)志來設(shè)置我們對(duì)哪些事件感興趣；clientCB 是一個(gè)回調(diào)函數(shù)，當(dāng)事件標(biāo)志對(duì)應(yīng)的事件發(fā)生時(shí)，該回調(diào)函數(shù)就會(huì)被調(diào)用；clientContext 是用于傳遞參數(shù)到回調(diào)函數(shù)中去。

4、調(diào)度

void CFReadStreamScheduleWithRunLoop(CFReadStreamRef stream, CFRunLoopRef runLoop, CFStringRef runLoopMode);

void CFWriteStreamScheduleWithRunLoop(CFWriteStreamRef stream, CFRunLoopRef runLoop, CFStringRef runLoopMode);

當(dāng)設(shè)置好回調(diào)函數(shù)之后，我們可以將 socket stream 當(dāng)做事件源調(diào)度到 run-loop 中去，這樣 run-loop 就能分發(fā)該 socket stream 的網(wǎng)絡(luò)事件了。

5、讀取、寫入數(shù)據(jù)

CFIndex CFReadStreamRead(CFReadStreamRef stream, UInt8 *buffer, CFIndex bufferLength);

CFIndex CFWriteStreamWrite(CFWriteStreamRef stream, const UInt8 *buffer, CFIndex bufferLength);

6、移除事件源

void CFReadStreamUnscheduleFromRunLoop(CFReadStreamRef stream, CFRunLoopRef runLoop, CFStringRef runLoopMode);

void CFWriteStreamUnscheduleFromRunLoop(CFWriteStreamRef stream, CFRunLoopRef runLoop, CFStringRef runLoopMode);

在我們不再關(guān)心該 socket stream 的網(wǎng)絡(luò)事件時(shí)，記得要調(diào)用如下接口將 socket stream 從 run-loop 的事件源中移除。

7、關(guān)閉流

void CFReadStreamClose(CFReadStreamRef stream);

void CFWriteStreamClose(CFWriteStreamRef stream);

五、CocoaAsyncSocket簡介

CocoaAsyncSocket是谷歌的開發(fā)者，基于BSD-Socket寫的一個(gè)IM框架，它給Mac和iOS提供了易于使用的、強(qiáng)大的異步套接字庫，向上封裝出簡單易用OC接口。省去了我們面向Socket以及數(shù)據(jù)流Stream等繁瑣復(fù)雜的編程。

整個(gè)庫就這么兩個(gè)類，一個(gè)基于TCP，一個(gè)基于UDP。其中基于TCP的GCDAsyncSocket，大概8000多行代碼。而GCDAsyncUdpSocket稍微少一點(diǎn)，也有5000多行。之前這個(gè)框架還有一個(gè)runloop版的，不過因?yàn)楣δ苤丿B和其它種種原因，后續(xù)版本便廢棄了，現(xiàn)在僅有GCD版本。

1、初始化

-(id)initWithDelegate:(id)aDelegate delegateQueue:(dispatch_queue_t)dq

• 代理、以及代理queue的賦值
• 生成了一個(gè)socketQueue，這個(gè)queue是串行的，我們看代碼就會(huì)知道它貫穿于這個(gè)類的所有地方。所有對(duì)socket以及一些內(nèi)部數(shù)據(jù)的相關(guān)操作，都需要在這個(gè)串行queue中進(jìn)行。這樣使得整個(gè)類沒有加一個(gè)鎖，就保證了整個(gè)類的線程安全
• 創(chuàng)建了兩個(gè)讀寫隊(duì)列（本質(zhì)數(shù)組），接下來我們所有的讀寫任務(wù)，都會(huì)先追加在這個(gè)隊(duì)列最后，然后每次取出隊(duì)列中最前面的任務(wù)，進(jìn)行處理
• 創(chuàng)建了一個(gè)全局的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：preBuffer，我們所操作的數(shù)據(jù)，大部分都是要先存入這個(gè)preBuffer中，然后再從preBuffer取出進(jìn)行處理的。

2、connect

-(BOOL)connectToHost:(NSString *)host onPort:(uint16_t)port withTimeout:(NSTimeInterval)timeout error:(NSError **)errPtr

• 先做了一個(gè)前置的錯(cuò)誤檢查：preConnectWithInterface:(NSString *)interface error:(NSError **)errPtr主要是對(duì)連接的一個(gè)屬性參數(shù)的判斷，如果不齊全的話，則填充錯(cuò)誤指針，并且返回NO
• 創(chuàng)建服務(wù)端server地址數(shù)據(jù)：lookupHost:(NSString *)host port:(uint16_t)port error:(NSError **)errPtr
• 開始連接：lookup:(int)aStateIndex didSucceedWithAddress4:(NSData *)address4 address6:(NSData *)address6
• 創(chuàng)建socket，connect:connectWithAddress4:(NSData *)address4 address6:(NSData *)address6 error:(NSError **)errPtr
• 連接成功后，調(diào)用代理方法：socket:(GCDAsyncSocket *)sock didConnectToHost:(NSString *)host port:(uint16_t)port

3、寫數(shù)據(jù)

writeData:(NSData *)data withTimeout:(NSTimeInterval)timeout tag:(long)tag

• 將數(shù)據(jù)寫入writeQueue中保存
• 調(diào)用socket的write寫入數(shù)據(jù)
• 如果writeQueue中還有數(shù)據(jù)則遞歸調(diào)用再次寫入

測(cè)試服務(wù)端可利用：nc -lk 端口號(hào):始終監(jiān)聽本地計(jì)算機(jī)此端口的數(shù)據(jù)