【计算机网络】网络编程接口 Socket API 解读（9）-Toy模板网

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Socket 是网络协议栈暴露给编程人员的 API，相比复杂的计算机网络协议，API 对关键操作和配置数据进行了抽象，简化了程序编程。

本文讲述的 socket 内容源自 Linux man。本文主要对各 API 进行详细介绍，从而更好的理解 socket 编程。

socket(7)

1.库

标准 c 库，libc, -lc

2.头文件

<sys/socket.h>

3.接口定义

       sockfd = socket(int socket_family, int socket_type, int protocol);

4.接口描述

续【计算机网络】网络编程接口 Socket API 解读（8）

SO_PEEK_OFF（Linux 3.4 后）

这个选项目前只有 unix(7) 套接字支持，在 recv(2) 系统调用使用了 MSG_PEEK 标记时，可以用它来设置 “peek offset”，即窥探偏移。

当这个选项值设置为负值时（对于所有新套接字，这个值都被设置为了 -1），窥探行为会采用传统行为，即携带 MSG_PEEK 标记的 recv(2) 会从队列头窥探数据。

当这个选项值大于等于 0 时，那么下一次窥探位置就是这个选项指定的偏移地址。同时，窥探偏移会加上之前已经偏移过的值，这样下一次窥探才会返回队列中下一个数据。

如果 recv(2) 或者其他接口没有使用 MSG_PEEK 标记导致数据从队列头移出，那么窥探偏移就会减去这个移出值。换句话说，不使用 MSG_PEEK 标记会导致窥探偏移调整以保持正确的相对位置，保证后面窥探到的数据和没有移除数据时窥探到的数据相同。

对于数据报套接字，如果窥探偏移指向了一个数据包的中间，那么返回的数据会被标记为 MSG_TRUNC。

下面的例子解释 SO_PEEK_OFF 如何使用，假如流套接字里排队的输入数据如下：

aabbccddeeff

下面的 recv() 调用效果如注释所述：

                  int ov = 4;                  // Set peek offset to 4
                  setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_PEEK_OFF, &ov, sizeof(ov));

                  recv(fd, buf, 2, MSG_PEEK);  // Peeks "cc"; offset set to 6
                  recv(fd, buf, 2, MSG_PEEK);  // Peeks "dd"; offset set to 8
                  recv(fd, buf, 2, 0);         // Reads "aa"; offset set to 6
                  recv(fd, buf, 2, MSG_PEEK);  // Peeks "ee"; offset set to 8

SO_PEERCRED

返回连接到套接字的对端进程的凭证。更多详细信息，参考 unix(7)。

SO_PEERSEC（Linux 2.6.2 后）

返回连接到套接字的对端进程的安全上下文。更多信息，参考 unix(7)。

SO_PRIORITY

设置套接字上所有要发送数据包协议定义的优先级。Linux 使用这个值来给网络队列排序：具有高优先级的数据包可以被优先处理，依赖于选定设备的排队规则。设置超出 0~6 的优先级需要 CAP_NET_ADMIN 能力。

SO_PROTOCOL（Linux 2.6.32 后）

获得套接字协议值，返回值类似 IPPROTO_SCTP 这样的整型值。参考 socket(2) 获取更多信息。这个套接字选项是只读的。

SO_RCVBUF

设置/获取最大套接字接收缓冲区大小（字节数）。当使用 setsockopt(2) 设置这个值时，内核会使用这个值的两倍（考虑到其他记录结构开销），使用 getsockopt(2) 返回两倍的值。默认值在 /proc/sys/net/core/rmem_default 文件设置，最大值由 /proc/sys/net/core/rmem_max 文件设置。最小值（双倍的）是 256。

SO_RCVBUFFORCE（Linux 2.6.14 后）

具备 CAP_NET_ADMIN 能力的特权进程可以通过这个选项进行和 SO_RCVBUF 类似的设置，但是这个可以设置 rmem_max 最大限制值。

SO_RCVLOWAT 和 SO_SNDLOWAT

设置套接字层将数据交由底层协议的最小缓冲量（SO_SNDLOWAT）以及用户接收到数据的最小值（SO_RCVLOWAT）。这两个值初始化为 1，SO_SNDLOWAT 在 Linux 上不可改（setsockopt(2) 会返回 ENOPROTOOPT 错误），SO_RCVLOWAT 在 Linux 2.4 后可以修改。

Linux 2.6.28 之前，Linux 上 select(2)/poll(2)/epoll(7) 不看 SO_RCVLOWAT 设置，即使有一个字节也认为套接字是读就绪的，接下来从套接字读取会阻塞直到 SO_RCVLOWAT 字节可用。Linux 2.6.28 后，这几个接口只有在字节达到 SO_RCVLOWAT 值时才会套接字标记为读就绪。

SO_RCVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO

指定接收和发送超时值，参数是 struct timeval 类型。如果一个输入/输出函数阻塞这么长时间，并且发送或者接收了一部分数据，那么会返回已传输数据量，如果没有传输任何数据，那么会返回 -1 并设置 errno 为 EAGAIN 或者 EWOULDBLOCK，或者套接字设置为非阻塞时返回 EINPROGRESS（只对 connect(2) 有效）。如果超时值设置为 0（默认值），那么对应操作永不超时。超时只对进行 I/O 操作的系统调用生效（比如 accept(2)、connect(2)、read(2)、recvmsg(2)、send(2)、sendmsg(2)），对于 select(2)、poll(2)、epoll_wait(2) 等无效。

SO_REUSEADDR

表示 bind(2) 中用于验证地址有效性的规则允许本地地址重用。对于 AF_INET 套接字，套接字可以绑定到正在被监听的本地地址外的任何地址。当监听套接字绑定了到 INADDR_ANY 并指定了端口，那么任何地址上都不能再绑定该端口。参数是一个整型布尔标记。

SO_REUSEPORT（Linux 3.9 后）

允许多个 AF_INET 或者 AF_INET6 套接字绑定到相同的套接字地址上。这个选项必须在 bind(2) 前设置到每个套接字上（包括第一个套接字）。为了防止端口劫持，绑定到相同地址的所有进程必须具有相同的有效 UID。这个选项可以用于 TCP 和 UDP 套接字上。

对于 TCP 套接字，这个选项允许 accept(2) 在多线程服务器上进行负载分配，每个线程使用一个不同的监听套接字。这种方式比传统方式高效很多，比如使用一个单线程进行 accept(2) 分配连接，或者有多个线程在同一个套接字上进行 accept(2) 竞争。

对于 UDP 套接字，比起传统的多个进程在同一个套接字上竞争接收数据报，这种方式能够允许多进程（线程）对过来的数据报进行更好的负载分配。

SO_RXQ_OVFL（Linux 2.6.33 后）

表示需要携带一个 32 位的辅助消息来接收 skbs，skbs 是自从套接字创建以来丢包总数。

SO_SELECT_ERR_QUEQUE（Linux 3.10 后）

设置这个选项的套接字，套接字上的错误不仅仅会通过 select(2) 的 exceptfds 通知，同样 poll(2) 也会在返回 POLLERR 事件时，返回一个 POLLPRI 错误。

背景：这个选项就是为了不同在 select(2) 的 readfdf、writefds 上监听错误，而是使用 exceptfds 参数来监听，这样实现很好的解耦。Linux 4.16 后，这个选项就没有什么意义了，尽管如此，为了向后兼容，该选项还是保留了。

SO_SNDBUF

设置/获取最大套接字发送缓冲器大小。当使用 setsockopt(2) 设置这个缓冲区大小时，内核会将这个值翻倍，并且后续通过 getsockopt(2) 返回的就是这个翻倍的值。默认值通过文件 /proc/sys/net/core/wmem_default 设置，最大值通过 /proc/sys/net/core/wmem_max 文件设置，最小值是 2048。

SO_SNDBUFFORCE（Linux 2.6.14 后）

特权进程（具有 CAT_NET_ADMIN 权限）可以使用这个选项设置发送缓冲区大小，但是可以覆盖 wmem_max 的值。

SO_TIMESTAMP

使能/禁能接收 SO_TIMESTAMP 控制消息。时间戳控制信息是通过 SOL_SOCKET 级别和 cmsg_type 类型的 SCM_TIMESTAMP 发送的，cmsg_data 字段是一个 struct timeval 数值表示传递给用户调用最后一个数据包的时间。参考 cmsg(3) 获得更多控制消息的详细信息。

SO_TIMESTAMPNS

使能/禁能接收 SO_TIMESTAMPNS 控制消息。时间戳控制信息是通过 SOL_SOCKET 级别和 cmsg_type 类型的 SCM_TIMESTAMPNS 发送的，cmsg_data 字段是一个 struct timespec 数值表示传递给用户调用最后一个数据包的时间。时间戳采用的是 CLOCK_REALTIME 时钟。参考 cmsg(3) 获得更多控制消息的详细信息。

套接字不能混用 SO_TIMESTAMP 和 SO_TIMESTAMPNS：这两种模式互斥。

SO_TYPE

获取套接字类型，套接字类型是一个类似 SOCK_STREAM 这样的整型值，这是一个只读选项。

SO_BUSY_POLL（Linux 3.11 后）

在阻塞读取而没有数据时，设置一个大概的微秒级的忙轮询时间。增加这个值需要 CAP_NET_ADMIN 权限，默认值由 /proc/sys/net/core/busy_read 文件控制。

这个文件中的值决定了 select(2) 和 poll(2) 在设置了 SO_BUSY_POLL 的套接字上的忙轮询时间。

在这两种情况下，忙轮询只有在接收到数据的套接字支持这个选项才会生效。

虽然忙轮询会提升一些应用的延迟，但是使用时需要注意，因为这个会增加 CPU 利用率和功耗。

信号

向一个已经关闭（本地关闭或者对端关闭）的套接字里写数据会收到 SIGPIPE 信号，并会返回 EPIPE 错误码。如果写调用指明了 MSG_NOSIGNAL 标记的话，那么就不会发送这个信号。

当使用 fcntl(2) FIOSETOWN 或者 ioctl(2) SIOCSPGRP 请求时，一旦发生 I/O 事件，就会发送 SIGIO 信号。可以在信号处理函数中使用 poll(2) 或者 select(2) 来查看是哪个套接字上发生的事件。另一个可选（Linux 2.2）是通过 F_SETSIG fcntl(2) 设置实时信号，实时信号的处理函数会在 siginfo_t 的 si_fd 字段携带套接字的文件描述符。更多信息，参考 fcntl(2)。

在特定情况下（多进程访问同一个套接字），当进程响应信号时，触发 SIGIO 的条件可能早就消失了。如果发生这种情况，进程需要继续等待，因为 Linux 会重新发送这个信号。

/proc 接口

核心套接字网络参数可以通过 /proc/sys/net/core 访问。

rmem_default

包含套接字接收缓冲区默认大小设置

rmem_max

包含用户通过 SO_RCVBUF 选项设置的最大接收缓冲区字节数

wmem_default

包含套接字发送缓冲区默认设置大小

wmem_max

包含用户通过 SO_SNDBUF 选项设置的最大发送缓冲区字节数

message_cost 和 message_burst

配置令牌桶过滤器，用来加载外部网络事件导致的限制警告信息

netdev_max_backlog

全局输入队列的最大数据包数量

optmem_max

辅助数据和用户控制数据（比如每个套接字的 iovecs）的最大长度

Ioctls

上述有些操作可以通过 ioctl(2) 来访问：

           error = ioctl(ip_socket, ioctl_type, &value_result);

SIOCGSTAMP

给用户返回最近接收数据包的接收时间戳（struct timeval）。这个对于精确测量往返传输时间 RTT 非常有用。参考 setitimer(2) 查看关于 struct timval 的描述。这个 ioctl 只能在没有设置 SO_TIMSTAMP 和 SO_TIMESTAMPNS 的套接字上使用。否则就会返回没有设置 SO_TIMESTAMP 和 SO_TIMESTAMPNS 时的最后一个数据包的时间戳或者没有收到这样数据包时报错（即， ioctl(2) 返回 -1 并设置 errno 为 ENOENT）。

SIOCSPGRP

设置 I/O 可用或者紧急数据可用时处理 SIGIO/SIGURG 信号的进程或者进程组号。这个参数是一个指向 pid_t 类型的指针。更多信息，参考 fcntl(2) 中关于 F_SETOWN 的描述。

FIOASYNC

修改 O_ASYNC 标记来开启/禁止套接字的异步 I/O 模式。异步 I/O 模式当有新的 I/O 事件发生时会触发 SIGIO 或者 F_SETSIG 设置的信号。

参数是一个布尔标记值。(这个操作在 fcntl(2) 设置了 O_ASYNC 标记时是同步的。）

SIOCGPGRP

获取当前接收 SIGIO/SIGURG 信号的进程/进程组，没有设置时返回 0。

可用的 fcntl(2) 操作：

FIOGETOWN

和 ioctl(2) SIOCGPGRP 相同。

FIOSETOWN

和 ioctl(2) SIOCSPGRP 相同。

5.注意

Linux 假定收发缓冲区的一半用于内部内核结构，也就是说 /proc 文件中的值是实际值的两倍。

Linux 只有在执行 bind(2) 程序和重用端口程序都设置了 SO_REUSEADDR 选项时才允许端口重用。这个和其他实现不同（比如 FreeBSD），其他实现只要求后面的程序设置 SO_REUSEADDR 即可。这点差别通常情况下是不可见的，因为服务器程序通常会设计为设置这个选项。

6.示例代码

下面是一个 getsockopt 函数的使用代码：

int rc;
int s;
int option_value;
int option_len;
struct linger l;
int getsockopt(int s, int level, int option_name,
char *option_value,
     int *option_len);

⋮
/* Is out-of-band data in the normal input queue? */
option_len = sizeof(int);
rc = getsockopt(
        s, SOL_SOCKET, SO_OOBINLINE, (
char *) &option_value, &option_len);
if (rc == 0)
{
    if (option_len == sizeof(int))
    {
         if (option_value)
            /* yes it is in the normal queue */
         else
            /* no it is not
                  */
    }
}

⋮
/* Do I linger on close? */
option_len = sizeof(l);
rc = getsockopt(
        s, SOL_SOCKET, SO_LINGER, (char *) &l, &option_len);
if (rc == 0)
{
    if (option_len == sizeof(l))
    {
         if (l.l_onoff)
            /* yes I linger */
         else
            /* no I do not  */
    }
}

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