iOS socket网络编程

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相关概念

• socket是一个针对TCP和UDP编程的接口，你可以借助它建立TCP连接等。socket是对TCP/IP协议的封装，Socket本身并不是协议，而是一个调用接口（API），通过Socket，我们才能使用TCP/IP协议。Socket的出现只是使得程序员更方便地使用TCP/IP协议栈而已，是对TCP/IP协议的抽象，从而形成了我们知道的一些最基本的函数接口。

• socket连接：socket连接就是所谓的长连接，理论上客户端和服务器端一旦建立起连接将不会主动断掉；但是由于各种环境因素可能会是连接断开，比如说：服务器端或客户端主机down了，网络故障，或者两者之间长时间没有数据传输，网络防火墙可能会断开该连接以释放网络资源。所以当一个socket连接中没有数据的传输，那么为了维持连接需要发送心跳消息~~具体心跳消息格式是开发者自己定义的。

• TCP连接的三次握手:
  第一次握手：客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；
  第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；
  第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

  握手过程中传送的包里不包含数据，三次握手完毕后，客户端与服务器才正式开始传送数据。理想状态下，TCP连接一旦建立，在通信双方中的任何一方主动关闭连接之前，TCP 连接都将被一直保持下去。断开连接时服务器和客户端均可以主动发起断开TCP连接的请求，断开过程需要经过“四次握手”。

• socket建立网络连接的步骤
  建立Socket连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为ClientSocket ，另一个运行于服务器端，称为ServerSocket 。
  套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。
  1。服务器监听：服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求。
  2。客户端请求：指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。
  3。连接确认：当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求时，就响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，双方就正式建立连接。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求。

BSD socket

BSD socket:完全由c语言实现，并且可以在Objective-C代码中使用。
优点：不同平台中易于移植
缺点：
无法访问操作系统内建的网络特性（比如系统范围的VPN）。
更糟糕的是初始化socket连接并不会自动打开设备的Wi-Fi或是蜂窝网络，无线网络会智能的关闭以节省电池电量，任何通信连接都会失败，除非其他网络进程激活了无线网。

CFNetwork对BSD Socket的分装可以激活设备的无线网，所以几乎所有场景都建议使用CFNetwork而不是BSD Socket.

最常用的API:
1.int socket(int, int, int)：创建并初始化新的socket，如果成功放回一个文件描述符，如果失败返回0。
2.int bind(int, const struct sockaddr *, socklen_t)：为指定的地址与端口号分配socket。
3.int listen(int, int) __DARWIN_ALIAS(listen)：用于服务端监听客户端
4.int accept(int, struct sockaddr * __restrict, socklen_t * __restrict)：接受连接请求，将客户端地址存储到clientAddress中。
5.int connect(int, const struct sockaddr *, socklen_t)：连接到指定的服务器。
6.ssize_t send(int, const void *, size_t, int)：在socket上最多发送XX数据。
7.ssize_t recv(int, void *, size_t, int)：在socket上最多读取XX数据。
……

服务端逻辑：如果接收到客户端发送过来”1”，那么回复”你猜！”；客户端发送过来”2”，那么回复”谢谢！”；客户端发送过来”3”，那么回复”对不起！”；客户端发送过来”4”，那么回复”好的！”；客户端发送过来其他的内容，那么一半概率原样回复，一半概率回复”不知道你在说什么！”。

创建服务端：
1.创建socket

    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    server_addr.sin_family = AF_INET;//AF_INET互联网地址簇
    server_addr.sin_port = htons(port);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(address);
    bzero(&server_addr.sin_zero, 8);

    //创建socket
    int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//SOCK_STREAM 有链接

    if (server_socket == -1) {
        perror("socket error!");

        return 1;
    }

2.绑定socket：将创建的socket绑定到本地的IP地址和端口，此socket是半相关的，只是负责侦听客户端的连接请求，并不能用于和客户端通信

    int bind_result = bind(server_socket, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (bind_result == -1) {
        perror("bind error!");

        return 1;
    }

3.listen侦听

   if (listen(server_socket, 5)) {
        perror("listen error!");

        return 1;
    }

4.接受客户端连接

    int client_socket;
    socklen_t address_len;
    struct sockaddr_in client_address;
    for (; ; ) {
        address_len = sizeof(client_address);
        client_socket = accept(server_socket, (struct sockaddr*)&client_address, &address_len);
        //1.使用多线程
        dispatch_async(dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_DEFAULT, 0), ^{
            //这个函数进行数据操作
            str_echo(client_socket);
        });
    }

5.接收和发送数据

    char buf[1024];

    while (1) {
        bzero(buf, 1024);
        long byte_num = recv(socket, buf, 1024, 0);
        if (byte_num < 0) {
            return;
        }
        buf[byte_num] = '\0';
        printf("client said:%s\n", buf);

        char *result;
        NSString *str = [NSString stringWithCString:buf encoding:NSUTF8StringEncoding];
        if ([str isEqualToString:@"1"]) {
            result = "你猜！";
        }
        else if ([str isEqualToString:@"2"])
        {
            result = "谢谢！";
        }
        else if ([str isEqualToString:@"3"])
        {
            result = "对不起！";
        }
        else if ([str isEqualToString:@"4"])
        {
            result = "好的！";
        }
        else
        {
            if (arc4random()%2 == 0) {
                result = "不知道你在说什么！";
            }
            else
            {
                result = buf;
            }
        }

        send(socket, result, 1024, 0);
    }

创建客户端：

    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(11332);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    bzero(&(server_addr.sin_zero), 8);

    int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_socket == -1) {
        perror("socket error");

        return 1;
    }

    char receive_msg[1024];
    char reply_msg[1024];

    if (connect(server_socket, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in)) == 0) {
        //connect 成功之后，其实系统将你创建的socket绑定到一个系统分配的端口上，且其为全相关，包含服务器端的信息，可以用来和服务器端进行通信。

        while (1) {
            bzero(reply_msg, 1024);
            printf("replay:");
            scanf("%s", reply_msg);
            if (send(server_socket, reply_msg, 1024, 0) == -1) {
                perror("send error!");

                return 1;
            }

            bzero(receive_msg, 1024);
            long byte_num = recv(server_socket, receive_msg, 1024, 0);
            receive_msg[byte_num] = '\0';
            printf("server said:%s\n", receive_msg);
        }
    }

    return 0;

NSStream 读写文件

Cocoa Streams包含三个相关的类： NSStream、NSInputStream 和NSOutputStream。

NSStream：是个抽象类，定义了一些基本属性和方法；
NSInputStream：是NSStream的子类，可通过它从NSData、File和socket中读取数据流；
NSOutputStream：也是NSStream的子类，可通过它将数据流写入NSData、File和socket。

还可以给stream对象设置Delegate（NSStreamDelegate），如果没有精确了给stream指定Delegate，那么默认将Delegate设置为其自己。

NSStreamDelegate只有一个方法

• (void)stream:(NSStream *)aStream handleEvent:(NSStreamEvent)eventCode

NSStreamEventNone :改默认值不代表任何事件
NSStreamEventOpenCompleted :socket被成功打开
NSStreamEventHasBytesAvailable :有可以读取的字节
NSStreamEventHasSpaceAvailable :缓存中可以写入字节
NSStreamEventErrorOccurred :操作出现错误CFReadStreamCopyError()和CFWriteStreamCopyError()会提供更多错误细节
NSStreamEventEndEncountered :socket达到字节流的末尾

通过NSStream对象读数据，可以分为如下步骤完成：
a) 从数据源创建和初始化一个NSStream对象；
b) 配置run loop，并打开stream对象；
c) 响应NSInputStream事件（NSStreamDelegate）；
d) 关闭NSInputStream对象。

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    NSString *documentStr = [NSSearchPathForDirectoriesInDomains(NSDocumentDirectory, NSUserDomainMask, YES) firstObject];
    NSString *dataPath = [documentStr stringByAppendingPathComponent:@"data.txt"];

    NSFileManager *manager = [NSFileManager defaultManager];
    if ([manager fileExistsAtPath:dataPath]) {
        self.read = YES;
        NSLog(@"string:%@", [NSString stringWithContentsOfFile:dataPath encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil]);

        NSInputStream *inStream = [[NSInputStream alloc] initWithFileAtPath:dataPath];
        [inStream setDelegate:self];
        [inStream scheduleInRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
        [inStream open];
    }
    else
    {
        if ([manager createFileAtPath:dataPath contents:nil attributes:nil]) {
            self.read = NO;
            NSOutputStream *outStream = [[NSOutputStream alloc] initToFileAtPath:dataPath append:YES];
            [outStream setDelegate:self];
            [outStream scheduleInRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
            [outStream open];
        }
        else
        {
            NSLog(@"文件创建失败！");
        }
    }
}

#pragma mark - <NSStreamDelegate>代理方法
- (void)stream:(NSStream *)aStream handleEvent:(NSStreamEvent)eventCode
{
    if (self.read) {
        NSInputStream *inStream = (NSInputStream *)aStream;
        switch (eventCode) {
            case NSStreamEventHasBytesAvailable:
            {
                uint8_t data[1024];
                [inStream read:data maxLength:1024];
                printf("%s", data);
                [inStream close];
                [inStream removeFromRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
                inStream = nil;
            }
                break;
            case NSStreamEventEndEncountered:
            {
                [inStream close];
                [inStream removeFromRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
                inStream = nil;
            }
                break;

            default:
                break;
        }
    }
    else{
        NSOutputStream *outStream = (NSOutputStream *)aStream;
        switch (eventCode) {
            case NSStreamEventHasSpaceAvailable:
            {
                uint8_t data[] = "{name:'张三', age:10}";
                [outStream write:data maxLength:strlen((char *)data)];
                [outStream close];
                [outStream removeFromRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
                outStream = nil;
            }
                break;
            case NSStreamEventEndEncountered:
            {
                [outStream close];
                [outStream removeFromRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
                outStream = nil;
            }
                break;

            default:
                break;
        }
    }
}

NSStream Socket

NSStream类不支持在IOS平台上创建socket连接，而CFStream支持在IOS平台的socket行为。所以若知道远程主机的DNS或者是IP地址，可以使用CFStreamCreatePairWithSocketToHost函数来创建socket连接，通过该函数创建了CFStream类型为全双工的socket连接，接着可以利用toll-free bridge，将CFStream对象转换为NSStream对象。

通过NSStream对象进行Socket通信，与通过NSStream进行IO操作的步骤基本一样：
a) 创建NSStream对象，通过CFStreamCreatePairWithSocketToHost函数创建CFReadStreamRef 和CFWriteStreamRef 对象；继而将两者转换为NSInputStream 和NSOutputStream 对象；
b) 配置run loop，并打开NSInputStream 和NSOutputStream对象；
c) 响应事件，在Delegate中响应不同的信号；
d) 关闭NSStream对象。

服务端：服务端依然使用上面例子的服务端
客户端的实现：点击1~5这五个按钮，分别从服务端返回不同的数据，进而展示出来。

由于实现相对简单，就不加阐述说明了，实现代码如下：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    [self startSocket:@"127.0.0.1" andPort:11332];
}

- (void)startSocket:(NSString *)address andPort:(int)port
{
    CFReadStreamRef readRef;
    CFWriteStreamRef writeRef;

    CFStreamCreatePairWithSocketToHost(NULL, (__bridge CFStringRef)address, port, &readRef, &writeRef);

    NSInputStream *inputStream = (__bridge NSInputStream *)readRef;
    NSOutputStream *outputStream = (__bridge NSOutputStream *)writeRef;

    inputStream.delegate = self;
    outputStream.delegate = self;

    [inputStream scheduleInRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
    [outputStream scheduleInRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];

    [inputStream open];
    [outputStream open];

    self.outputStream = outputStream;
}

- (IBAction)sendMsg:(UIButton *)sender {
    if (sender.currentTitle > 0) {
        const char *output = sender.currentTitle.UTF8String;
        [self.outputStream write:(const uint8_t *)output maxLength:strlen(output)];
    }
}

- (void)showMessage:(NSString *)msg
{
    if (!self.msgLabel) {
        UIFont *font = [UIFont systemFontOfSize:14];
        UIColor *color = [UIColor blackColor];
        UIColor *backColor = [UIColor colorWithRed:0 green:0 blue:0 alpha:0.2];

        UILabel *label = [[UILabel alloc] init];
        label.textColor = color;
        label.font = font;
        label.textAlignment = NSTextAlignmentCenter;
        label.backgroundColor = backColor;
        self.msgLabel = label;
    }

    CGFloat screenW = [UIScreen mainScreen].bounds.size.width;
    CGFloat screenH = [UIScreen mainScreen].bounds.size.height;
    CGFloat W = screenW - 16;
    CGSize size = [msg boundingRectWithSize:CGSizeMake(W, CGFLOAT_MAX) options:NSStringDrawingUsesLineFragmentOrigin attributes:@{NSFontAttributeName:self.msgLabel.font} context:nil].size;
    W = size.width;
    CGFloat H = size.height;
    CGFloat X = (screenW - W)/2;
    CGFloat Y = (screenH - H)/2;

    self.msgLabel.frame = CGRectMake(X, Y, W, H);
    self.msgLabel.text = msg;
    [self.view addSubview:self.msgLabel];

    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(2.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
        [self.msgLabel removeFromSuperview];
    });
}

#pragma mark - <NSStreamDelegate>代理方法
- (void)stream:(NSStream *)aStream handleEvent:(NSStreamEvent)eventCode
{
    switch (eventCode) {
        case NSStreamEventNone:
            break;
        case NSStreamEventOpenCompleted:
            break;
        case NSStreamEventHasBytesAvailable:
        {
            uint8_t buf[1024];
            NSInteger len = 0;
            NSInputStream *inputStream = (NSInputStream *)aStream;
            len = [inputStream read:buf maxLength:1024];
            if (len) {
                [self showMessage:[NSString stringWithCString:(const char *)buf encoding:NSUTF8StringEncoding]];
            }
            break;
        }
        case NSStreamEventHasSpaceAvailable:
            break;
        case NSStreamEventErrorOccurred:
        {
            [aStream close];
            break;
        }
        case NSStreamEventEndEncountered:
        {
            [aStream close];
            [aStream removeFromRunLoop:[NSRunLoop currentRunLoop] forMode:NSDefaultRunLoopMode];
            aStream = nil;
            break;
        }

        default:
            break;
    }
}