Linux下的高性能轻量级Web服务器（一）

1.让服务器监听客户端的连接请求

1.1 代码块

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

#define BUFFER_LEN 1024
#define Max_Client_Num 32
#define port 8080

int main()
{
    /* 创建监听socket文件描述符 */
    int listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(listenfd == -1)
    {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /* 创建监听socket的TCP/IP的IPV4 socket地址 */
    struct sockaddr_in address;
    /* 将address指向的内存块清零 */
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  /* INADDR_ANY：将套接字绑定到所有可用的接口 */
    address.sin_port = htons(port); /* port：端口号 */

    int flag = 1;
    /* setsockopt设置socket选项，SO_REUSEADDR 允许端口被重复使用 */
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, sizeof(flag));
    /* 绑定socket和它的地址 */
    if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)) == -1)
    {
        perror("bind");
        return -1;
    }
    /* 创建监听队列以存放待处理的客户连接，在这些客户连接被accept()之前 */
    if (listen(listenfd, Max_Client_Num))
    {
        perror("listen");
        return -1;
    }

    return 0;
}

socket函数：int socket(int domain, int type, int protocol)

1. domain即协议域(族)，常用的协议族有AF_INET、AF_INET6、AF_LOCAL（或称AF_UNIX，Unix域socket）等等（也可以使用PF前缀，AF_* 和 PF_* 有完全相同的值，所以二者经常混用）。domain决定了socket的地址类型，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。
    
2. type 为数据传输方式/套接字类型，常用的有 SOCK_STREAM（流格式套接字/面向连接的套接字） 和 SOCK_DGRAM（数据报套接字/无连接的套接字）。两种套接字的区别。
    
3. protocol 表示传输协议，是在前两个参数构成的协议集合下，再选择一个具体的传输协议，这个值通常都是唯一的（前两个参数已经完全决定了它的值）。几乎在所有情况下，我们都应该把它设置为0，表示使用默认值（让系统自动推演出使用哪种协议）。
    
   该函数成功时返回一个socket文件描述符，失败则返回-1并设置errno。
    

socket地址

1)理解socket地址
   假设小明想给女神打电话，需要知道对方的电话号码才能进行沟通，而我们进行网络通信也需要先知道对方的socket地址。
   在网络通信中，socket地址最关键的两部分为：（ip，port），即IP地址和port端口号，比如一个网络地址为210.177.200.192：8000， 通过IP地址210.177.200.192在网络中找到该计算机，再通过端口号8000与该计算机上对应的应用程序进行通信。
 
2)通用socket地址
    socket网络编程用接口中表示socket地址的是结构体sockaddr，其定义如下：
#include <bits/socket.h>
struct sockaddr
{
    sa_family_t sa_family; /* sa_family是地址族类型的变量 */
    char sa_data[14]; /* 14字节，存放socket地址值，ip地址和端口号 */
};
    因为14字节的sa_data无法完全容纳多数协议族的地址值。因此，Linux定义了新的通用socket地址结构体：
struct sockaddr_storage
{
    sa_family_t sa_family; // 地址族
     unsigned long int __ss_align; // 用于内存对齐
    char __ss_padding[128-sizeof(__ss_align)]; // 提供足够大的空间用于存放地址值
};
    但一般不直接用通用socket结构体，因为用的会蛋疼，需要执行繁琐的位操作。
注意: sockaddr_storage结构体往往用于事先不知道地址族的类型这一情况，因为它能够承载系统支持的任何socket地址结构体。
 
3)专用socket地址
    因为通用socket地址非常不好使用，所以Linux为各个协议族提供了专门的socket地址结构体。
UNIX本地域协议族使用如下专用socket地址结构体：
#include <sys/un.h>
struct sockaddr_un
{
    sa_family_t sin_family; /* 地址族：AF_UNIX */
    char sun_path[108]; /* 文件路径名 */
};
TCP/IP协议族有sockaddr_in和sockaddr_in6两个专用socket地址结构体，它们分别用于IPv4和IPv6：
struct sockaddr_in
{
    sa_family_t sin_family; /* 地址族:AF_INET */
    u_int16_t sin_port; /* 端口号,要用网络字节序表示 */
    struct in_addr sin_addr; /* IPv4地址结构体,见下面 */
};
struct in_addr
{
    u_int32_t s_addr; /* IPv4地址,要用网络字节序表示 */
};
 
struct sockaddr_in6
{
    sa_family_t sin6_family; /* 地址族:AF_INET6 */
    u_int16_t sin6_port; /* 端口号,要用网络字节序表示 */
    struct in6_addr sin6_addr; /* IPv6地址结构体 */
    u_int32_t sin6_flowinfo; /* 流信息,应设置为0 */
    u_int32_t sin6_scope_id; /* scope ID */
};
struct in6_addr
{
    unsigned char sa_addr[16]; /* IPv6地址,要用网络字节序表示 */
};
注意：所有专用socket地址（以及sockaddr_storage）类型的变量在实际使用时都需要转化为通用socket地址类型sockaddr(强制转换即可)，因为所有socket编程接口使用的地址参数的类型都是sockaddr。
 

socket选项：int setsockopt( int socket, int level, int option_name,const void *option_value, socklen_t ，option_len)

sockfd参数指定被操作的目标socket。level参数指定要操作哪个协议的选项，比如IPv4、IPv6、TCP等。option_value参数则指定选项的名字。常用的选项有SO_REUSEADDR、SO_RCVBUF、SO_SNDBUF、SO_RCVLOWAT、SO_SNDLOWAT、SO_LINGER选项。option_value和option_len参数分别是被操作选项的值和长度。
 

htonl(), ntohl(), htons(), ntohs() 函数

了解这四个函数功能前，应先知道什么是大端/小端字节序。例如一个int类型的数占4字节（可以理解为由四部分二进制数组成了这个int类型的数），这四部分在内存中的排列顺序就是字节序问题。字节序分为大端字节序（big endian）和小端字节序（little endian）。
大端字节序是指一个整数的高位字节（23 ~ 31bit）存储在内存的低地址处，低位字节（0 ~ 7bit）存储在内存的高地址处。小端字节序则相反，高位字节存储在内存的高地址处，低位字节存储在内存的低地址处。
例如 0x1234567 的大端字节序和小端字节序如下图所示：

在两台使用不同字节序的主机之间直接传递时，接收端必然会错误的解释信息。解决办法就：发送端总把数据转化为大端字节序数据后再发送，而接收端可根据自身的字节序决定是否对接收的数据进行转换。
Linux提供了以下四个函数来完成大端字节序（也叫网络字节序）和小端字节序（主机字节序）的转换：
unsigned long int htonl(unsigned lont int hostlong);
unsigned short int htons(unsigned short int hostshort);
unsigned long int ntohl(unsigned lont int netlong);
unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort);
它们的含义非常明确，例如htonl表示“ host to network long ” ，即将长整型（32bit）的主机字节序转化为网络字节序。长整型函数通常用来转换IP地址，短整型函数用来转换端口号（任何格式化的数据通过网络传输时，都应该使用这些函数来转换字节序）。
 

bind函数：int bind ( int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen )

    将一个socket与socket地址绑定称为给socket命名。在服务器程序中，通常需要命名socket，因为只有命名后客户端才能知道如何连接它。客户端则通常不需要命名socket，而是采用匿名的方式，即使用操作系统自动分配的socket地址。
    命名socket的方法则是采用bind函数，bind将addr所指的socket地址分配给未命名的sockfd文件描述符，addrlen参数指出该socket地址的长度。
    bind成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。其中常见的errno是EACCES和EADDRINUSE。
    EACCES表示被绑定的地址是受保护的地址，仅超级用户能够访问，比如普通用户将socket绑定到知名服务端口（0~1023）上。
    EADDRINUSE表示被绑定的地址正在使用中。
 

listen函数：int listen ( int sockfd, int backlog )

    socket被命名后，还不能马上接收客户连接，我们需要使用listen函数来创建一个监听队列以存放待处理的客户连接。
    sockfd参数指定被监听的socket。backlog参数表示监听队列的最大长度。监听队列的长度如果超过backlog，服务器将不受理新的客户连接，客户端也会收到ECONNREFUSED错误信息。在Linux内核＞2.2之后的版本中，backlog只表示处于完全连接状态的socket的上限。
    listen成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。