Socket

C 语言中文网 Socket 教程

关键词

• IP 地址 (IP Address)
  
  • IPv4(10进制): xxx.xxx.xxx.xxx
  • IPv6(16进制): xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx
• 端口 (Port)
  
  • Web: 80
  • FTP: 21
  • SMTP: 25
• 协议 (Protocol)
  
  • TCP
  • UDP
• 传输方式
  
  • SOCK_STREAM - TCP 准确传输
  • SOCK_DGRAM - UDP 高效但有一定几率丢失
• 特殊 IP 地址
  
  • 127.0.0.1 表示本机地址

Socket 交互流程

• 创建准备阶段
  
  • 服务器或客户端: 使用 gethostbyname() 来通过域名获取 IP 地址和端口
  • 服务器: 创建 Socket
  • 服务器: 使用 bind() 将套接字与特定的 IP 地址和端口绑定
  • 客户端: 创建 Socket
• 连接阶段(UDP 不需要建立连接)
  
  • 服务器: 使用 listen() 进入监听状态
  • 服务器: 使用 accpet() 接收客服端的请求，返回客户端 Socket。(如无请求，会阻塞程序进行等待)
  • 客户端: 使用 connect() 建立连接，并获得服务器 Socket。
• 数据交互阶段
  
  • 服务器或客户端: 使用 wirte() 对对方 Socket 进行数据写入。
  • 服务器或客户端: 使用 read() 对对方 Socket 进行数据读取。
  • UDP 情况下使用 sendto() 发送数据。
  • UDP 情况下使用 recvfrom() 接收数据。
• 关闭阶段
  
  • 服务器或客户端: 使用 close() 关闭套接字
  • 服务器或客户端: 使用 shutdow() 关闭连接(但不会关闭套接字)

Socket 常用函数

socket 创建

int socket(int af, int type, int protocol)

• 返回 Socket 描述符
• af: 地址类型
  
  • AF_INET: ipv4 地址
  • AF_INET6: ipv6 地址
• type: 传输方式
  
  • SOCK_STREAM: 面向连接 (TCP)
  • SOCK_DERAM: 无连接 (UDP)
• protocol: 协议
  
  • IPPROTO_TCP
  • IPPTOTO_UDP

// 示例int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

bind() 绑定地址

int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 返回值: 0 正常 / -1 错误
• sock: Socket 文件描述符
• addr: sockaddr 结构体变量指针(一般用 sockaddr_in / sockaddr_in6 强转)
• addrlent: arrd 结构体大小(一般用 sizeof() 计算得出)

// 示例//将创建的套接字与IP地址 127.0.0.1、端口 1234 绑定：//创建套接字int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);//创建sockaddr_in结构体变量struct sockaddr_in serv_addr;memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));            //每个字节都用0填充serv_addr.sin_family = AF_INET;                      //使用IPv4地址serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址serv_addr.sin_port = htons(1234);                    //端口//将套接字和IP、端口绑定 使用 sockaddr_in 强转成 sockaddrbind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

connect() 客户端建立连接

int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);

• 返回值: 正常返回 0
• sock: Socket
• serv_addr:
• addrlen:

listen() 服务器端进入监听状态

int listen(int sock, int backlog);

• 返回值: 正常返回 0 / 否则 -1
• sock:
• backlog: 最大请求队列长度
  
  • 如果请求的时候队列满了，客户端会收到 ECONNREFUSED。
  • 监听状态下并不对客户端做出响应，也不会堵塞线程

accept() 服务器在监听状态下获取客户端请求

int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• 返回值: 新的套接字，表示客户端的套接字
• sock: 服务器端的 Socket
• addr: 新建的用来接收地址信息的结构体指针
• addrlen: 接收地址信息的结构体大小

accpet 会阻塞当前线程直到有新的请求到来。

write() 写数据到缓冲区

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);

• 返回值: 成功则返回字节数，否则返回 -1
• fd: Socket
• buf: 写入数据的缓冲区地址指针
• nbytes: 写入数据的字节数

数据只是写入到缓冲区，但是什么时候发送不由程序员控制。

read() 从缓冲区中读取数据

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);

• 返回值: 成功则返回字节数，文件尾则返回 0，失败返回 -1
• fd: Socket
• buf: 用来接收数据的缓冲区地址指针
• nbytes: 要读取数据的字节数

只是读取缓冲区数据

shutdown() 关闭连接

int shutdown(int sock, int howto);

• 返回值: 成功 0 / 失败 -1
• sock: Socket
• howto: 断开方式
  
  • SHUT_RD: 断开输入流。无法接收数据了。
  • SHUT_WR: 断开输出流。无法发送数据了。
  • SHUT_RDWR: 同事断开 I/O 流。相当于调用了 RD 和 WR

close() 关闭套接字

int close(int fd);

• 返回值: 成功 0 / 失败 -1
• fd: Socket

Socket 其他

TCP

简单的在服务器端建立 Socket 并开始监听，然后在客户端进行连接并接收数据。

• 服务器端

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>int main(){    //创建套接字    int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);    //将套接字和IP、端口绑定    struct sockaddr_in serv_addr;    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充    serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址    serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口    bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));    //进入监听状态，等待用户发起请求    listen(serv_sock, 20);    //接收客户端请求    struct sockaddr_in clnt_addr;    socklen_t clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);    int clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);    //向客户端发送数据    char str[] = "Hello World!";    write(clnt_sock, str, sizeof(str));    //关闭套接字    close(clnt_sock);    close(serv_sock);    return 0;}

• 客户端

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/socket.h>#include <netdb.h>int main(){    //创建套接字    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);    //向服务器（特定的IP和端口）发起请求    struct sockaddr_in serv_addr;    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));  //每个字节都用0填充    serv_addr.sin_family = AF_INET;  //使用IPv4地址    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址    serv_addr.sin_port = htons(1234);  //端口    connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));    //读取服务器传回的数据    char buffer[40];    read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);    printf("Message form server: %s\n", buffer);    //关闭套接字    close(sock);    return 0;}

UDP

创建一个 UDP 连接的 Socket，服务器不断的接收客户端的消息，然后返回回去。

• 服务器

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/socket.h>#include <sys/types.h>#include <netinet/in.h>#define BUF_SIZE 100int main(){    // 创建套接字    int serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);    // 绑定套接字    sockaddr_in serv_addr;    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));    serv_addr.sin_family = PF_INET;    serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 自动获取 ip 地址    serv_addr.sin_port = htons(1234);    bind(serv_sock, (sockaddr *)&serv_addr, sizeof(sockaddr));    // 接收客户端请求    sockaddr clin_addr;    socklen_t clin_size = sizeof(sockaddr);    char buffer[BUF_SIZE];    while (1) {        int str_len = recvfrom(serv_sock, buffer, BUF_SIZE, 0, &clin_addr, &clin_size);        printf("Message form clinet: %s\n", buffer);        sendto(serv_sock, buffer, str_len, 0, &clin_addr, clin_size);    }    close(serv_sock);    return 0;}

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <arpa/inet.h>#include <sys/socket.h>#include <netdb.h>#define BUF_SIZE 100int main() {    // 创建套接字    int clin_sock = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);    // 服务器地址    sockaddr_in serv_addr;    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));    serv_addr.sin_family = PF_INET;    serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");    serv_addr.sin_port = htons(1234);    //不断获取用户输入并发送给服务器，然后接受服务器数据    sockaddr fromAddr;    socklen_t addrLen = sizeof(fromAddr);    while(1){        char buffer[BUF_SIZE] = {0};        printf("Input a string: ");        gets(buffer);        sendto(clin_sock, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));        int strLen = recvfrom(clin_sock, buffer, BUF_SIZE, 0, &fromAddr, &addrLen);        buffer[strLen] = 0;        printf("Message form server: %s\n", buffer);    }    close(clin_sock);    return 0;}

缓冲区

• I/O 缓冲区在每个 TCP Socket 中单独存在
• I/O 缓冲区在创建 Socket 时自动生成。
• 关闭 Socket 也会继续输出缓冲区中遗留的数据
• 关闭 Socket 会丢失输入缓冲区中的数据。
• 默认缓冲区大小是 8K，可以通过 getsockopt() 函数获取

// 示例unsigned optVal;int optLen = sizeof(int);getsockopt(servSock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (char*)&optVal, &optLen);printf("Buffer length: %d\n", optVal);

TCP Socket 堵塞模式

• write()
  
  • 检查缓冲区，如果缓冲区的可用空间长度小于要发送的数据，那么 write() 会被阻塞，直到缓冲区中的数据被发送到目标机器，腾出足够的空间，才继续写入数据。
  • 如果 TCP 协议正在向网络发送数据，那么输出缓冲区会被锁定，不允许写入，直到数据发送完毕缓冲区解锁，才被唤醒。
  • 如果要写入的数据大于缓冲区的最大长度，那么将分批写入。
  • 直到所有数据被写入缓冲区 write() 才能返回。
• read()
  
  • 检查缓冲区，如果缓冲区中有数据，那么就读取，否则函数会被阻塞，直到网络上有数据到来。
  • 如果要读取的数据长度小于缓冲区中的数据长度，那么就不能一次性将缓冲区中的所有数据读出，剩余数据将不断积压，直到再次读取。
  • 直到读取到数据后 read() 函数才会返回，否则就一直被阻塞。

Socket 常用数据结构

include

sockaddr - 通用 Ip 地址结构体

struct sockaddr {    __uint8_t   sa_len;         sa_family_t sa_family;      char        sa_data[14];    };

• sa_len: 结构体总长度
• sa_family: 地址族
  
  • AF_INET: ipv4 地址
  • AF_INET6: ipv6 地址
• char: IP 地址和端口号

sockaddr_in - Ipv4 地址结构

struct sockaddr_in {    __uint8_t   sin_len;    sa_family_t sin_family;    in_port_t   sin_port;    struct  in_addr sin_addr;    char        sin_zero[8];};

• sin_len: 结构体长度
• sin_family: 地址族(一般是 AF_INET)
• sin_port: 16位端口号，需要用 htons() 进行转换
• sin_addr: in_addr 类型的结构体，包含一个 32 位的 ip 地址，定义在

sockaddr_in6 - Ipv6 地址结构

struct sockaddr_in6 {    __uint8_t   sin6_len;       sa_family_t sin6_family;    in_port_t   sin6_port;      __uint32_t  sin6_flowinfo;      struct in6_addr sin6_addr;      __uint32_t  sin6_scope_id;  };

• sin6_len: 结构体长度
• sin6_family: 地址族(一般是 AF_INET6)
• sin6_port: 16 位端口号，需要用 htons() 进行转换
• sin6_flowinfo: Ipv6 流信息
• sin6_addr: Ipv6 地址
• sin6_scope_id: 接口范围 id

in_addr - Ipv4 地址

struct in_addr {    in_addr_t s_addr;};

in6_addr - Ipv6 地址

struct in6_addr {    union {        __uint8_t   __u6_addr8[16];        __uint16_t  __u6_addr16[8];        __uint32_t  __u6_addr32[4];    } __u6_addr;            /* 128-bit IP6 address */};``## hostent - 通过域名获取的 ip 地址结构

include

* h_name：官方域名* h_aliases：别名, 可以通过多个域名访问同一主机* h_addrtype：地址族, IPv4 对应 AF_INET, IPv6 对应 AF_INET6* h_length：保存IP地址长度. IPv4 的长度为4个字节，IPv6 的长度为16个字节* h_addr_list：以整数形式保存域名对应的IP地址, 可能会分配多个IP地址### 实例

// 代码

include

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