结构体sockaddr、sockaddr_in、sockaddr_in6之间的区别和联系

前言

最近在学习网络相关的知识，虽然之前代码写了不少，但是长时间不写难免会忘记，简单地复习了一下IO多路复用的方式，对比了解了一下epoll模式和select模式的异同，不过写代码的时候发现，这个socket连接中有几个结构还是挺让人头大的，用着用着突然就强转成其他的类型了，加上年前改了半天IPv6的连接，这几个结构体更加混乱，所以今天角色放到一起，从源码的角度看一下sockaddr、sockaddr_in、sockaddr_in6这三个结构体之间的联系，以及为什么有些情况可以直接强转。

代码分析

1. 看一下这三个结构的定义，先说明一下版本，操作系统为CentOS，头文件版本应该挺古老了，在’/usr/include/netinet/in.h’ 中发现版权信息：Copyright (C) 1991, 1992, 1994-2001, 2004, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010，看着很古老，但之后的版本应该没有改动很大吧，反正不太清楚，我们就分析当前这一个版本吧。

   /* /usr/include/bits/socket.h */
   /* Structure describing a generic socket address.  */
   struct sockaddr
   {
       __SOCKADDR_COMMON (sa_);    /* Common data: address family and length.  */
       char sa_data[14];           /* Address data.  */
   };
   
   /* /usr/include/netinet/in.h */
   /* Structure describing an Internet socket address.  */
   struct sockaddr_in
   {
       __SOCKADDR_COMMON (sin_);
       in_port_t sin_port;         /* Port number.  */
       struct in_addr sin_addr;    /* Internet address.  */
   
       /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
       unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
                  __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
                  sizeof (in_port_t) -
                  sizeof (struct in_addr)];
   };
   
   /* /usr/include/netinet/in.h */
   #ifndef __USE_KERNEL_IPV6_DEFS
   /* Ditto, for IPv6.  */
   struct sockaddr_in6
   {
       __SOCKADDR_COMMON (sin6_);
       in_port_t sin6_port;        /* Transport layer port # */
       uint32_t sin6_flowinfo;     /* IPv6 flow information */
       struct in6_addr sin6_addr;  /* IPv6 address */
       uint32_t sin6_scope_id;     /* IPv6 scope-id */
   };
   #endif /* !__USE_KERNEL_IPV6_DEFS */

2. 看到3个结构的定义想到了什么？只是看着有点像吧，真正的区别我们往下看，其中3个结构里都包含了 __SOCKADDR_COMMON 这个宏，我们先把它的定义找到，最后在’usr/inlcue/bits/sockaddr.h’中找到如下代码，

   /* POSIX.1g specifies this type name for the `sa_family' member.  */
   typedef unsigned short int sa_family_t;
   
   /* This macro is used to declare the initial common members
      of the data types used for socket addresses, `struct sockaddr',
      `struct sockaddr_in', `struct sockaddr_un', etc.  */
   
   #define __SOCKADDR_COMMON(sa_prefix) \
     sa_family_t sa_prefix##family
   
   #define __SOCKADDR_COMMON_SIZE  (sizeof (unsigned short int))

   由此我们知道，这三个结构的第一个字段都是一个unsigned short int 类型，只不过用宏来定义了三个不同的名字，至此第一个结构就清楚了，在一般环境下（short一般为2个字节），整个结构占用16个字节，变量sa_family占用2个字节，变量sa_data 保留14个字节用于保存IP地址信息。

3. 接着我们发现第二个结构中还有in_port_t和struct in_addr两个类型没有定义，继续找下去吧，在文件
   ‘/usr/include/netinet/in.h’发现以下定义

   /* Type to represent a port.  */
   typedef uint16_t in_port_t;
   
   /* Internet address.  */
   typedef uint32_t in_addr_t;
   struct in_addr
   {
       in_addr_t s_addr;
   };

   这么看来sockaddr_in这个结构也不复杂，除了一开始的2个字节表示sin_family，然后是2个字节的变量sin_port表示端口，接着是4个字节的变量sin_addr表示IP地址，最后是8个字节变量sin_zero填充尾部，用来与结构sockaddr对齐

4. 现在我们该分析结构sockaddr_in6了，这里边只有一个未知的结构in6_addr，经过寻找发现其定义也在’/usr/include/netinet/in.h’中

   #ifndef __USE_KERNEL_IPV6_DEFS
   /* IPv6 address */
   struct in6_addr
   {
       union
       {
           uint8_t __u6_addr8[16];
   #if defined __USE_MISC || defined __USE_GNU
           uint16_t __u6_addr16[8];
           uint32_t __u6_addr32[4];
   #endif
       } __in6_u;
   #define s6_addr         __in6_u.__u6_addr8
   #if defined __USE_MISC || defined __USE_GNU
   # define s6_addr16      __in6_u.__u6_addr16
   # define s6_addr32      __in6_u.__u6_addr32
   #endif
   };
   #endif /* !__USE_KERNEL_IPV6_DEFS */

   这个结构看起来有点乱，但是如果抛开其中的预编译选项，其实就是8个字节，用来表示IPV6版本的IP地址，一共128位，只不过划分字节的段数有些不同，每段字节多一点那么段数就少一点，反义亦然。

5. 那接下来我们整理一下，为了看的清楚，部分结构使用伪代码，不能通过编译，主要是方便对比，整理如下

   /* Structure describing a generic socket address.  */
   struct sockaddr
   {
       uint16 sa_family;           /* Common data: address family and length.  */
       char sa_data[14];           /* Address data.  */
   };
   
   /* Structure describing an Internet socket address.  */
   struct sockaddr_in
   {
       uint16 sin_family;          /* Address family AF_INET */ 
       uint16 sin_port;            /* Port number.  */
       uint32 sin_addr.s_addr;     /* Internet address.  */
       unsigned char sin_zero[8];  /* Pad to size of `struct sockaddr'.  */
   };
   
   /* Ditto, for IPv6.  */
   struct sockaddr_in6
   {
       uint16 sin6_family;         /* Address family AF_INET6 */
       uint16 sin6_port;           /* Transport layer port # */
       uint32 sin6_flowinfo;       /* IPv6 flow information */
       uint8  sin6_addr[16];       /* IPv6 address */
       uint32 sin6_scope_id;       /* IPv6 scope-id */
   };

   这么来看是不是就清晰多了，由此我们发现结构 sockaddr 和 sockaddr_in 字节数完全相同，都是16个字节，所以可以直接强转，但是结构 sockaddr_in6 有28个字节，为什么在使用的时候也是直接将地址强制转化成(sockaddr*)类型呢？

强转的可能性

其实sockaddr 和 sockaddr_in 之间的转化很容易理解，因为他们开头一样，内存大小也一样，但是sockaddr和sockaddr_in6之间的转换就有点让人搞不懂了，其实你有可能被结构所占的内存迷惑了，这几个结构在作为参数时基本上都是以指针的形式传入的，我们拿函数bind()为例，这个函数一共接收三个参数，第一个为监听的文件描述符，第二个参数是sockaddr*类型，第三个参数是传入指针原结构的内存大小，所以有了后两个信息，无所谓原结构怎么变化，因为他们的头都是一样的，也就是uint16 sa_family，那么我们也能根据这个头做处理，原本我没有看过bind()函数的源代码，但是可以猜一下:

int bind(int socket_fd, sockaddr* p_addr, int add_size)
{
    if (p_addr->sa_family == AF_INET)
    {
        sockaddr_in* p_addr_in = (sockaddr_in*)p_addr;
        //...
    }
    else if (p_addr->sa_family == AF_INET6)
    {
        sockaddr_in6* p_addr_in = (sockaddr_in6*)p_addr;
        //...
    }
    else
    {
        //...
    }
}

由以上代码完全可以实现IPv4和IPv6的版本区分，所以不需要纠结内存大小的不同

总结

1. 通过等价替换的方式我们可以更好的了解sockaddr、sockaddr_in、sockaddr_in6之间的异同。
2. 网路接口函数针对于IPv4和IPv6虽然有不同的结构，但是接口基本相同，主要是为了用户（开发者）使用方便吧。
3. 有时间可以看一下bind()、accept()等函数，看看其中对于结构的使用到底是怎样的。