前言
我们做前端开发主要用http/https请求，这种请求从数据更新角度是单向的，即用户发起请求才能获取到最新数据。但有时候，一些状态和数据的变更要及时推送到前端。例如O2O行业，消费者下定单 -> O2O公司接受到订单 -> 送外卖小哥即时收到订单-> 消费者实时收到外卖小哥和自己的距离。
其中，后两步要即时收到信息，就得利用 Socket编程保持长连接。再比如，消息推送，语音聊天等。
注意：
HTTP也可以建立长连接的，使用Connection:keep-alive，HTTP 1.1默认进行持久连接。HTTP1.1和HTTP1.0相比较而言，最大的区别就是增加了持久连接支持(貌似最新的 http1.0 可以显示的指定 keep-alive),但还是无状态的，或者说是不可以信任的。
1、网络中进程之间如何通信？
本地的进程间通信（IPC）有很多种方式，但可以总结为下面4类：
- 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
- 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
- 共享内存（匿名的和具名的）
- 远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）
网络中进程之间如何通信？
首要解决的问题是如何唯一标识一个进程，否则通信无从谈起！在本地可以通过进程PID来唯一标识一个进程，但是在网络中这是行不通的。其实TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题，网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用程序（进程）。这样利用三元组（ip地址，协议，端口）就可以标识网络的进程了，网络中的进程通信就可以利用这个标志与其它进程进行交互。
使用TCP/IP协议的应用程序通常采用应用编程接口：UNIX BSD的套接字（socket）和UNIX System V的TLI（已经被淘汰），来实现网络进程之间的通信。
就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用socket，而现在又是网络时代，网络中进程通信是无处不在，这就是我为什么说“一切皆socket”。
2. Socket是什么
2.1 socket套接字：
socket起源于Unix，而Unix/Linux基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开open –> 读写write/read –> 关闭close”模式来操作。Socket就是该模式的一个实现， socket即是一种特殊的文件，一些socket函数就是对其进行的操作（读/写IO、打开、关闭）.
说白了Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。
注意：其实socket也没有层的概念，它只是一个facade设计模式的应用，让编程变的更简单。是一个软件抽象层。在网络编程中，我们大量用的都是通过socket实现的。
2.2、套接字描述符
其实就是一个整数，我们最熟悉的句柄是0、1、2三个，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误输出。0、1、2是整数表示的，对应的FILE *结构的表示就是stdin、stdout、stderr
套接字API最初是作为UNIX操作系统的一部分而开发的，所以套接字API与系统的其他I/O设备集成在一起。特别是，当应用程序要为因特网通信而创建一个套接字（socket）时，操作系统就返回一个小整数作为描述符（descriptor）来标识这个套接字。然后，应用程序以该描述符作为传递参数，通过调用函数来完成某种操作（例如通过网络传送数据或接收输入的数据）。
在许多操作系统中，套接字描述符和其他I/O描述符是集成在一起的，所以应用程序可以对文件进行套接字I/O或I/O读/写操作。
当应用程序要创建一个套接字时，操作系统就返回一个小整数作为描述符，应用程序则使用这个描述符来引用该套接字需要I/O请求的应用程序请求操作系统打开一个文件。操作系统就创建一个文件描述符提供给应用程序访问文件。从应用程序的角度看，文件描述符是一个整数，应用程序可以用它来读写文件。下图显示，操作系统如何把文件描述符实现为一个指针数组，这些指针指向内部数据结构。
对于每个程序系统都有一张单独的表。精确地讲，系统为每个运行的进程维护一张单独的文件描述符表。当进程打开一个文件时，系统把一个指向此文件内部数据结构的指针写入文件描述符表，并把该表的索引值返回给调用者 。应用程序只需记住这个描述符，并在以后操作该文件时使用它。操作系统把该描述符作为索引访问进程描述符表，通过指针找到保存该文件所有的信息的数据结构。
针对套接字的系统数据结构：
1）、套接字API里有个函数socket，它就是用来创建一个套接字。套接字设计的总体思路是，单个系统调用就可以创建任何套接字，因为套接字是相当笼统的。一旦套接字创建后，应用程序还需要调用其他函数来指定具体细节。例如调用socket将创建一个新的描述符条目：
2）、虽然套接字的内部数据结构包含很多字段，但是系统创建套接字后，大多数字字段没有填写。应用程序创建套接字后在该套接字可以使用之前，必须调用其他的过程来填充这些字段。
3、基本的socket接口函数
服务器端先初始化/创建Socket，然后与端口绑定/绑定地址(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞/等待连续，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。
3.1、socket函数
函数原型：
int socket(int protofamily, int type, int protocol);
返回值：
//返回sockfd sockfd是描述符,类似于open函数。
函数功能：
socket函数对应于普通文件的打开操作。普通文件的打开操作返回一个文件描述字，而socket()用于创建一个socket描述符（socket descriptor），它唯一标识一个socket。这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。
函数参数：
protofamily：即协议域，又称为协议族（family）。常用的协议族有，AF_INET(IPV4)、AF_INET6(IPV6)、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）、AF_ROUTE等等。协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。
3.2、bind()函数
函数功能：
bind()函数把一个地址族中的特定地址赋给socket，也可以说是绑定ip端口和socket。例如对应AF_INET、AF_INET6就是把一个ipv4或ipv6地址和端口号组合赋给socket。
函数原型：
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函数参数：
- 函数的三个参数分别为：sockfd：即socket描述字，它是通过socket()函数创建了，唯一标识一个socket。bind()函数就是将给这个描述字绑定一个名字。
- addr：一个const struct sockaddr *指针，指向要绑定给sockfd的协议地址。这个地址结构根据地址创建socket时的地址协议族的不同而不同，
- addrlen：对应的是地址的长度。
3.3、listen()、connect()函数
函数功能：
如果作为一个服务器，在调用socket()、bind()之后就会调用listen()来监听这个socket，如果客户端这时调用connect()发出连接请求，服务器端就会接收到这个请求。
函数原型：
int listen(int sockfd, int backlog);
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
函数参数：
listen函数的第一个参数即为要监听的socket描述字，第二个参数为相应socket可以排队的最大连接个数。socket()函数创建的socket默认是一个主动类型的，listen函数将socket变为被动类型的，等待客户的连接请求。
connect函数的第一个参数即为客户端的socket描述字，第二参数为服务器的socket地址，第三个参数为socket地址的长度。客户端通过调用connect函数来建立与TCP服务器的连接。成功返回0，若连接失败则返回-1。
3.4、accept()函数
函数功能：
TCP服务器端依次调用socket()、bind()、listen()之后，就会监听指定的socket地址了。TCP客户端依次调用socket()、connect()之后就向TCP服务器发送了一个连接请求。TCP服务器监听到这个请求之后，就会调用accept()函数取接收请求，这样连接就建立好了。之后就可以开始网络I/O操作了，即类同于普通文件的读写I/O操作。
函数原型：
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); //返回连接connect_fd
函数参数：
sockfd:
参数sockfd就是上面解释中的监听套接字，这个套接字用来监听一个端口，当有一个客户与服务器连接时，它使用这个一个端口号，而此时这个端口号正与这个套接字关联。当然客户不知道套接字这些细节，它只知道一个地址和一个端口号。
addr:
这是一个结果参数，它用来接受一个返回值，这返回值指定客户端的地址，当然这个地址是通过某个地址结构来描述的，用户应该知道这一个什么样的地址结构。如果对客户的地址不感兴趣，那么可以把这个值设置为NULL。
len:
如同大家所认为的，它也是结果的参数，用来接受上述addr的结构的大小的，它指明addr结构所占有的字节个数。同样的，它也可以被设置为NULL。
如果accept成功返回，则服务器与客户已经正确建立连接了，此时服务器通过accept返回的套接字来完成与客户的通信。
注意：
accept默认会阻塞进程，直到有一个客户连接建立后返回，它返回的是一个新可用的套接字，这个套接字是连接套接字。
此时我们需要区分两种套接字:
监听套接字: 监听套接字正如accept的参数sockfd，它是监听套接字，在调用listen函数之后，是服务器开始调用socket()函数生成的，称为监听socket描述字(监听套接字)
连接套接字：一个套接字会从主动连接的套接字变身为一个监听套接字；而accept函数返回的是已连接socket描述字(一个连接套接字)，它代表着一个网络已经存在的点点连接。
一个服务器通常通常仅仅只创建一个监听socket描述字，它在该服务器的生命周期内一直存在。内核为每个由服务器进程接受的客户连接创建了一个已连接socket描述字，当服务器完成了对某个客户的服务，相应的已连接socket描述字就被关闭。
连接套接字socketfd_new 并没有占用新的端口与客户端通信，依然使用的是与监听套接字socketfd一样的端口号
3.5、recv()/send()函数
当然也可以使用其他函数来实现数据传送，比如read和write。
3.5.1 send
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t 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。
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。
3.5.2 recv
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。
3.6、close()函数
函数功能：
在服务器与客户端建立连接之后，会进行一些读写操作，完成了读写操作就要关闭相应的socket描述字，好比操作完打开的文件要调用fclose关闭打开的文件。
函数原型：
#include <unistd.h>
int close(int fd);
close一个TCP socket的缺省行为时把该socket标记为以关闭，然后立即返回到调用进程。该描述字不能再由调用进程使用，也就是说不能再作为read或write的第一个参数。
注意：
close操作只是使相应socket描述字的引用计数-1，只有当引用计数为0的时候，才会触发TCP客户端向服务器发送终止连接请求。
4、Linux下Socket编程实例
我们在Xshell5中，开启两个会话，分别用来运行socket_server端、socket_client端。
4.1 编写socket_server.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
//第一步：导入Socket编程的标准库
//这个标准库：linux数据类型(size_t、time_t等等)
#include <sys/types.h>
//提供socket函数以及数据结构
#include <sys/socket.h>
//数据解构(sockaddr_in)
#include <netinet/in.h>
//IP地址的转换函数
#include <arpa/inet.h>
//定义服务端
#define SERVER_PORT 9999
int main(){
//第二步:创建socket
//服务端的socket
int server_socket_fd;
//客户端
int client_socket_fd;
//服务端网络地址
struct sockaddr_in server_addr;
//客户端网络地址
struct sockaddr_in client_addr;
//初始化网络地址
//参数一：传变量的地址($server_addr)
//参数二：开始为止
//参数三：大小
//初始化服务端网络地址
memset(&server_addr,0,sizeof(server_addr ));
//初始化客户端网络地址
//memset(&client_addr,0,sizeof(client_addr));
//设置服务端网络地址-协议簇(sin_family)
//AF_INET:TCP/IP协议、UDP
//AF_ISO:ISO 协议
server_addr.sin_family = AF_INET;
//设置服务端IP地址(自动获取系统默认的本机IP，自动分配)
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
//设置服务端端口
server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
//创建服务端socket
//参数一(family)：通信域(例如:IPV4->PF_INET、IPV6等等......)
//参数二(type)：通信类型(例如:TCP->SOCK_STREAM,UDP->SOCK_DGRAM等等......)
//参数三(protocol)：指定使用的协议(一般情况下都是默认为0)
//默认为0就是使用系统默认的协议，系统支持什么我就就用什么
//TCP->IPPROTO_TCP
//UDP->IPPROTO_UDP
//SCTP->IPPROTO_SCTP
server_socket_fd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
//判断是否创建成功
if(server_socket_fd <0){
printf("create error!");
return 1;
}
printf("服务器创建成功!\n");
//服务端绑定地址
//参数一：服务端socket
//参数二：网络地址
//参数三：数据类型大小
//socketaddr和sockaddr_in
bind(server_socket_fd,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));
//监听客户端连接请求(服务端监听有没有客户端连接)
//参数一：监听的服务器socket
//参数二：客户端数量（未处理队列数量）
listen(server_socket_fd,6);
//接收客户端连接
//参数一(sockfd):服务端
//参数二(addr):客户端
//参数三(addrlen):大小
socklen_t sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
//获取一个客户端
client_socket_fd= accept(server_socket_fd,(struct sockaddr*)&client_socket_fd,&sin_size);
//判断客户端是否连接成功
if(client_socket_fd < 0){
printf("连接失败");
return 1;
}
//连接成功:读取客户端数据
//BUFSIZ:默认值
char buffer[BUFSIZ];
int len=0;
while(1){
//参数一:读取客户端数据(数据源)
//参数二:读取到哪里(我们要读取到缓冲区buffer)
//参数三:每次读取多大BUFSIZ
//参数四:从哪里开始读0
len = recv(client_socket_fd,buffer,BUFSIZ,0);
if(len > 0){
//说明读取到了数据
printf("%s\n",buffer);
}
}
//关闭服务端和客户端Socket
//参数一：关闭的源
//参数二：关闭的类型(设置权限)
//SHUT_RD：关闭读(只允许写，不允许读)
//SHUT_WR：关闭写(只允许读，不允许写)
//SHUT_RDWR：读写都关闭(书写都不允许)
shutdown(client_socket_fd,SHUT_RDWR);
shutdown(server_socket_fd,SHUT_RDWR);
printf("server end.....\n");
getchar();
return 0;
}
4.2 执行socket_server.c
root@jdu4e00u53f7:/usr/kpioneer/pthread# gcc -c socket_server.c
root@jdu4e00u53f7:/usr/kpioneer/pthread# gcc -o socket_server socket_server.o
root@jdu4e00u53f7:/usr/kpioneer/pthread# ./socket_server
服务器创建成功!
4.3 编写socket_client.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
//第一步：导入Socket编程的标准库
//这个标准库：linux数据类型(size_t、time_t等等......)
#include<sys/types.h>
//提供socket函数及数据结构
#include<sys/socket.h>
//数据结构(sockaddr_in)
#include<netinet/in.h>
//ip地址的转换函数
#include<arpa/inet.h>
//定义服务器的端口号
#define SERVER_PORT 9999
int main(){
//客户端socket
int client_socket_fd;
//服务端网络地址
struct sockaddr_in server_addr;
//客户端网络地址
struct sockaddr_in client_addr;
//初始化网络地址
//参数一：传变量的地址($server_addr)
//参数二：开始位置
//参数三：大小
//初始化服务端网络地址
memset(&server_addr,0,sizeof(server_addr ));
//AF_INET:TCP/IP协议、UDP
//AF_ISO:ISO 协议
server_addr.sin_family = AF_INET;
//设置服务端IP地址(自动获取系统默认的本机IP，自动分配)
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
//设置服务端端口
server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
//创建客户端
client_socket_fd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
//判断是否创建成功
if(client_socket_fd < 0){
printf("create error!!!");
return 1;
}
//连接服务器
//参数一：哪一个客户端
//参数二：连接服务器地址
//参数三：地址大小
int con_result = connect(client_socket_fd,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));
if(con_result<0){
printf("connect error!");
return -1;
}
printf("create Socket Client\n ");
//发送消息(向服务器发送内容)
char buffer[BUFSIZ] = "Hello, Socket Server!";
//参数一：指定客户端
//参数二：指定缓冲区(冲那里数据读取)
//参数三：实际读取的大小strlen(buffer)(其实读取到"\0"结束)
//参数四：从哪里开始读取
send(client_socket_fd,buffer,strlen(buffer),0);
//关闭
shutdown(client_socket_fd,SHUT_RDWR);
printf("client--- end-----\n");
return 0;
}
4.4 执行socket_client.c
root@jdu4e00u53f7:/usr/kpioneer/pthread# gcc -o socket_client socket_client.o
root@jdu4e00u53f7:/usr/kpioneer/pthread# ./socket_client
create Socket Client
client--- end-----
4.5 再次查看socket_server
我们看到
服务器创建成功! 下多了一个打印语句Hello, Socket Server! ，程序运行成功。
5、Android下Socket编程实例(jni实现)
我们新建一个Java工程和一个Android工程，分别用来运行socket_server端、socket_client端。
5.1 Java工程端
5.1.1 编写 SocketServer.java
package com.haocai;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class SocketServer {
public static void main(String[] args) {
try{
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
serverSocket.bind(new InetSocketAddress("192.168.90.221",9998));
System.out.println("服务器Start...");
while(true){
//获取连接客户端
Socket socket = serverSocket.accept();
//读取内容
new ReaderThread(socket).start();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
static class ReaderThread extends Thread{
BufferedReader bufferedReader;
public ReaderThread(Socket socket){
try {
bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
@Override
public void run() {
super.run();
//循环读取内容
String content = null;
while(true){
try {
while((content = bufferedReader.readLine())!=null){
System.out.println("接收到了客户端："+content);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
5.1.2 运行SocketServer
服务器Start...
5.2 Android工程端
5.2.1 编写Java jni声明
package com.haocai.socketclient;
public class SocketUtil {
public native void startClient(String serverIp,int serverPort);
static {
System.loadLibrary("socketlib");
}
}
5.2.2 编写socket_client.c
#include"com_haocai_socketclient_SocketUtil.h"
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
//第一步：导入Socket编程的标准库
//这个标准库：linux数据类型(size_t、time_t等等......)
#include<sys/types.h>
//提供socket函数及数据结构
#include<sys/socket.h>
//数据结构(sockaddr_in)
#include<netinet/in.h>
//ip地址的转换函数
#include<arpa/inet.h>
#include <android/log.h>
#define LOG_TAG "socket_client"
#define LOGI(FORMAT,...) __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO,LOG_TAG,FORMAT,##__VA_ARGS__);
#define LOGE(FORMAT,...) __android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR,LOG_TAG,FORMAT,##__VA_ARGS__);
#define LOGD(FORMAT,...) __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG, LOG_TAG,FORMAT, ##__VA_ARGS__);
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_haocai_socketclient_SocketUtil_startClient
(JNIEnv *env, jobject jobj, jstring server_ip_jstr, jint server_port){
const char* server_ip = (*env)->GetStringUTFChars(env, server_ip_jstr, NULL);
//客户端socket
int client_socket_fd;
//服务端网络地址
struct sockaddr_in server_addr;
//初始化网络地址
//参数一：传变量的地址($server_addr)
//参数二：开始位置
//参数三：大小
//初始化服务端网络地址
memset(&server_addr,0,sizeof(server_addr));
//AF_INET:TCP/IP协议、UDP
//AF_ISO:ISO 协议
server_addr.sin_family = AF_INET;
//设置服务端IP地址(自动获取系统默认的本机IP，自动分配)
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip);
//设置服务端端口
server_addr.sin_port = htons(server_port);
//创建客户端
client_socket_fd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
//判断是否创建成功
if(client_socket_fd < 0){
LOGE("create error!");
return ;
}
//连接服务器
//参数一：哪一个客户端
//参数二：连接服务器地址
//参数三：地址大小
int con_result = connect(client_socket_fd,(struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(server_addr));
if(con_result<0){
LOGE("connect error!");
return ;
}
//发送消息(向服务器发送内容)
char buffer[BUFSIZ] = "Hello Socket Server!";
//参数一：指定客户端
//参数二：指定缓冲区(冲那里数据读取)
//参数三：实际读取的大小strlen(buffer)(其实读取到"\0"结束)
//参数四：从哪里开始读取
send(client_socket_fd,buffer,strlen(buffer),0);
//关闭
shutdown(client_socket_fd,SHUT_RDWR);
LOGI("client--- end-----");
(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, server_ip_jstr, server_ip);
return ;
}
5.2.3 调用主程序MainActivity
package com.haocai.socketclient;
import android.support.v7.app.AppCompatActivity;
import android.os.Bundle;
import android.view.View;
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
public static final String SERVER_IP = "192.168.90.221";
public static final int SERVER_PORT = 9998;
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
}
public void startSocket(View v){
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
SocketUtil socketUtil = new SocketUtil();
socketUtil.startClient(SERVER_IP,SERVER_PORT);
}
}).start();
}
}
5.3 再次查看Java工程Log
接收到了客户端：Hello Socket Server!
