快速入门Socket编程——封装一套便捷的Socket编程——导论

快速入门Socket编程——封装一套便捷的Socket编程——导论

前言

​ 这里是笔者打算做的Socket编程的第二部分，也就是核心的讨论我们Socket编程本身。

导论

​ 我们知道，一个经典的服务器套接字的处理流程是如下的：

  1. 创建一个指定传输层和网络层协议的套接字（socket）
  2. 申请和绑定操作系统到指定的端口上（bind）
  3. 运行使能申请到的资源，也就是监听（listen）
  4. 接受和开启对客户端之间的通信（accept后做read && write。完成业务后如果需要关闭则关闭之）

​ 对于客户端，事情就会简单一些，我们只需要创建套接字（socket）后指定要连接的远程对象就好（connect），之后就可以跟服务器之间做IO通信了。

​ 那么，我们就是准备好做封装。封装之前就需要了解一下基本的系统API，这里需要注意的是，我们只讨论Linux系列的Socket API，尽管Windows在一定层次上对我们的Socket编程接口存在兼容，但是仍有不少的差距（比如说必须加载Socket编程库，完事后还有Cleanup，关闭套接字的API也跟Linux的存在差距）

socket创建一个套接字

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

​ 这个API实际上就是创建了一个指定了IP版本协议，传输层协议簇和传输层协议的API，

​ domain参数描述的是我们的IP网络层协议采用的决定，这个参数指定了套接字使用的地址族（Address Family），它决定了套接字可以与哪种类型的网络进行通信。最常见的选项有：

  • AF_INET：用于 IPv4 协议。这是目前最常用的选项，它允许您使用 32 位的 IP 地址进行通信。
  • AF_INET6：用于 IPv6 协议。如果您需要使用 128 位的 IP 地址，则应选择此选项。
  • AF_UNIX：用于 本地进程间通信（IPC）。它不涉及网络，而是在同一台机器的不同进程间进行通信，效率更高。

​ 一般而言，我们会采用的是AF_INET，这个我想大家最熟悉。

​ type定义了套接字的服务类型，也就是数据传输的方式。这里说的是传输层我们采纳的协议控制。

  • SOCK_STREAM：流式套接字。它提供可靠的、面向连接的通信服务，使用 TCP (Transmission Control Protocol) 协议。数据会按顺序、无差错地传输，适用于网页浏览、文件传输等需要高可靠性的场景。（面向连接的）
  • SOCK_DGRAM：数据报套接字。它提供不可靠的、无连接的通信服务，使用 UDP (User Datagram Protocol) 协议。数据报可能会丢失、重复或乱序到达，但它具有低延迟的特点，适用于实时音视频、在线游戏等对实时性要求高但允许少量数据丢失的场景。（面向数据的）
  • SOCK_RAW：原始套接字。这种类型的套接字允许您直接访问 IP 层，可以自己构造 IP 数据包，常用于网络协议分析工具（如 ping）或一些特殊的网络应用。

​ 对于protocol这个参数用于指定在特定的协议族和套接字类型下的具体协议。通常情况下，咱都是将其设置为 0。

当 protocol 为 0 时，系统会根据 domain 和 type 的组合自动选择最合适的默认协议。例如：

  • socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)：系统会自动选择 TCP 协议。
  • socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)：系统会自动选择 UDP 协议。

只有在某些特殊情况下（例如使用 SOCK_RAW），您才需要显式指定协议编号。

bind监听一个端口

​ bind在我导论的时候就说过，实际上就是申请且绑定应用程序需要的端口。它负责将一个创建好的套接字（Socket）与一个特定的本地 IP 地址和端口号关联起来。简单来说，就是给你的套接字在网络世界中“分配一个门牌号”。

​

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

​ bind函数的接口比较复杂，第一个填入的就是套接字的文件描述符，这个没啥可说的，因为我们就是需要我们的套接字具备可用的端口。

​ 需要知道的是这类API都会返回负数表示失败，所以可以检查一下，这个函数很容易失败，因为我们要是退出服务的时候没有正确的释放端口资源（或者说，存在比较长的TIME_WAIT的端口），就会没办法进行再次绑定。

​ struct sockaddr *addr是一个指向 struct sockaddr 类型常量的指针。struct sockaddr 是一个通用的套接字地址结构体，但它是一个泛型结构，实际使用中，我们通常会将其转换为更具体的地址结构体，例如：

  • struct sockaddr_in：用于 IPv4 地址。
  • struct sockaddr_in6：用于 IPv6 地址。
  • struct sockaddr_un：用于 UNIX 域套接字（本地进程间通信）。

这个结构体中包含了我们希望绑定的 IP 地址和端口号。

#include <netinet/in.h> // 包含 sockaddr_in 的定义
#include <arpa/inet.h>  // 包含 inet_addr() 和 htons()struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family; // 地址族，通常设置为 AF_INETin_port_t      sin_port;   // 端口号，必须是网络字节序struct in_addr sin_addr;   // IP 地址，必须是网络字节序// char           sin_zero[8]; // 填充字节，通常不需要显式设置
};
struct in_addr {in_addr_t s_addr; // 32位IPv4地址
};

在设置 sin_port 和 sin_addr 时，请务必注意字节序转换。网络上的数据传输通常使用网络字节序（大端字节序），而我们的主机可能使用主机字节序（大端或小端）。为了确保不同系统间的兼容性，必须进行转换：

  • htons() (host to network short): 将主机字节序的短整型（通常是端口号）转换为网络字节序。
  • htonl() (host to network long): 将主机字节序的长整型（通常是 IP 地址）转换为网络字节序。
  • inet_addr() 或 inet_pton(): 将点分十进制的 IP 地址字符串转换为网络字节序的二进制形式，并存储到 in_addr.s_addr 中。

​ 所以，我们可能需要正确的转换排序的大小端格式，这个时候，咱们的确需要做的就是htons或者是htonl。

​ 剩下的参数填写的是采用的结构体的大小，这个是纯粹方便正确的转换的，填写sizeof的结果就完事了

题外话：避免“地址已使用”错误 (EADDRINUSE)：

在服务器程序中，当程序崩溃或异常退出时，操作系统可能不会立即释放绑定的端口，导致在短时间内重新启动程序时报告“地址已使用”错误。为了避免这个问题，通常会在 bind() 之前设置套接字的SO_REUSEADDR 选项，允许重新使用处于 TIME_WAIT 状态的本地地址。这通过 setsockopt() 函数实现。

int optval = 1;
if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval)) < 0) {perror("setsockopt SO_REUSEADDR failed");// 处理错误
}

这样的话，我们就不会再次触发端口已经绑定的问题。

bind的本质是为服务器指定监听地址和端口：对于服务器程序而言，bind() 是必不可少的一步。它告诉操作系统，这个套接字将监听哪个 IP 地址上的哪个端口号。只有绑定了地址和端口，客户端才能找到并连接到服务器。

  • IP 地址：
    • 如果您想让服务器监听所有可用的网络接口（即所有本机 IP 地址），可以将 sin_addr.s_addr 设置为 INADDR_ANY（通常是 0.0.0.0，经过 htonl() 转换后）。
    • 如果您想让服务器只监听特定的一个 IP 地址，可以将其设置为该 IP 地址的 inet_addr() 转换结果。
  • 端口号：
    • 端口号范围是 0 到 65535。
    • 0-1023 是知名端口，通常由系统服务占用，需要 root 权限才能绑定。
    • 1024-49151 是注册端口。
    • 49152-65535 是动态/私有端口，通常用于客户端的临时端口。
    • 作为服务器，您通常会选择一个大于 1023 的固定端口号。

listen：将通信激活到监听状态

​ 我们知道，下一步就是驱动我们的网卡监听外部信息，去尝试捕捉潜在的客户端的连接。

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

​ 这是我们的API接口，sockfd是已经通过 socket() 函数创建并通过 bind() 函数绑定了本地地址和端口号的套接字文件描述符。listen() 函数将使这个特定的套接字开始监听网络连接。

注意： 只有流式套接字（SOCK_STREAM）才需要调用 listen()。数据报套接字（SOCK_DGRAM）是无连接的，因此不需要监听。这个算是一个需要注意的点！

backlog（待处理连接队列的最大长度）

​ 这个参数是 listen() 函数的核心，它指定了系统可以为这个套接字排队等待接受的连接请求数量。为了理解 backlog，我们需要知道 TCP 连接建立的三次握手过程。当一个客户端发起连接请求时，它会向服务器发送一个 SYN 报文。此时，操作系统会创建一个连接，并将其放在一个半连接队列（SYN queue）中。当服务器收到客户端的 ACK 报文，完成三次握手后，这个连接会被从半连接队列移动到全连接队列（accept queue）。

backlog 参数的真正作用就是限制这个“全连接队列”的最大长度。

  • 如果全连接队列已满：当有新的客户端连接完成三次握手时，操作系统会忽略其 ACK 报文，导致客户端最终超时，认为连接失败。
  • backlog 的值：
    • 历史上，不同的操作系统对 backlog 的解释和实现有所不同。在现代 Linux 系统中，backlog 参数主要控制的就是全连接队列的最大长度。
    • 如何选择 backlog 的值？ 应该根据你的服务器性能和预期的并发连接数来决定。如果你的服务器可能在短时间内收到大量的连接请求，一个较大的 backlog 值可以防止新连接被拒绝，直到你的程序有时间调用 accept() 来处理它们。
    • 如果 backlog 值设置为 0，某些系统可能将其视为默认值，而另一些系统则可能导致无法接受任何连接。因此，最好设置一个合理的值，例如 10、128 或 SOMAXCONN（通常是系统定义的最大值）。

accept：接受一个客户端的连接

在 Linux 网络编程中，accept() 函数是服务器程序接收客户端连接的“握手”操作。在 listen() 函数使套接字进入监听状态并准备好连接队列后，accept() 的作用就是从这个队列中取出最靠前的一个连接请求，并创建一个新的套接字专门用于与该客户端进行通信。

accept() 函数的原型定义在 <sys/socket.h> 头文件中：

#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept() 是一个阻塞函数。这意味着如果当前全连接队列中没有等待的连接，它会一直阻塞在那里，直到有新的客户端连接完成三次握手。如果 sockfd 被设置为非阻塞模式，accept() 会立即返回 -1，并设置 errno 为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。成功时，它返回一个新的套接字文件描述符，这个描述符专门用来与发起连接的客户端进行数据传输。失败时，它返回 -1。

1. sockfd（监听套接字文件描述符）

这是通过 socket() 和 bind() 创建，并用 listen() 进入监听状态的服务器监听套接字。accept() 不会在这个套接字上进行数据收发，它只是用它来接收连接请求。

2. addr（客户端地址结构体）

这是一个指向 struct sockaddr 类型结构体的指针。accept() 函数会填充这个结构体，存储发起连接的客户端的地址信息，包括其 IP 地址和端口号。

通常，您会声明一个 struct sockaddr_in（用于 IPv4）类型的变量，然后将其地址强制转换为 struct sockaddr * 传递给 accept()。

3. addrlen（地址结构体长度）

这是一个指向 socklen_t 类型的指针。在调用 accept() 之前，您需要将 addrlen 指向的变量设置为 addr 结构体的初始大小。accept() 函数执行完毕后，它会更新 addrlen 指向的值，使其反映出 addr 结构体中实际存储的有效字节数。

​ 下面的代码就是一个最简单的服务器端的通信代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define PORT 8080int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;socklen_t addrlen = sizeof(address);char buffer[1024] = {0};// ... socket() 和 bind() 和 listen() ...if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// ... bind and listen ...if (listen(server_fd, 10) < 0) {perror("listen failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Server listening on port %d\n", PORT);// 4. 持续接受连接while (1) {printf("Waiting for a connection...\n");// 接受一个连接，如果队列为空则阻塞if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, &addrlen)) < 0) {perror("accept failed");// 可以选择继续循环或者退出continue;}// 打印客户端信息printf("Connection accepted from %s:%d\n", inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));// 在这里，服务器可以使用 new_socket 与客户端进行通信read(new_socket, buffer, 1024);printf("Client sent: %s\n", buffer);const char *hello = "Hello from server";send(new_socket, hello, strlen(hello), 0);printf("Hello message sent\n");// 通信结束后，关闭新套接字close(new_socket);printf("Connection closed.\n");}close(server_fd);return 0;
}

题外话：TCP 三次握手与 Linux Socket API

客户端 (Client)

  1. connect() 函数调用：当客户端调用 connect() 函数时，操作系统会发送第一个 SYN 包给服务器，请求建立连接。此时，客户端进入 SYN_SENT 状态，等待服务器的回应。
  2. connect() 函数返回：客户端的 connect() 函数会阻塞（在默认情况下），直到收到服务器的 SYN-ACK 包和客户端自己的 ACK 包成功发送后，也就是三次握手完成，connect() 函数才会返回。此时，连接已经建立，客户端进入 ESTABLISHED 状态。

服务器端 (Server)

  1. listen() 函数调用：listen() 函数本身只是告诉操作系统，这个套接字已准备好接受连接。它会设置一个待处理连接队列，但并不会立即开始三次握手。
  2. 接收 SYN 包：当客户端调用 connect() 发送第一个 SYN 包后，服务器端的操作系统内核会被动地接收这个 SYN 包。内核会回应一个 SYN-ACK 包，并创建连接的半连接状态，将其放入半连接队列中。这个过程是由内核自动完成的，不涉及任何应用程序级别的 API 调用。
  3. 接收 ACK 包并移动到全连接队列：当服务器收到客户端发来的最后一个 ACK 包后，三次握手完成。操作系统会将该连接从半连接队列中移动到全连接队列（backlog）。这个过程也是由内核自动完成的。
  4. accept() 函数调用：服务器调用 accept() 函数时，它会从全连接队列中取出一个已经完成三次握手的连接。如果队列为空，accept() 会阻塞等待。当 accept() 成功返回时，就意味着它已经拿到一个建立好的连接，可以开始进行数据通信了。

​ 换而言之，所有的三次握手不发生在accept中，对于服务器端，他早在accept返回之前就完成了连接（因为如果没有完成，他会等待直到连接完成后，才会取出来这个套接字返回进行IO操作，三次握手的主动方在客户端的connect上，connect调用发起的时候进行第一次SYN握手，等待服务器完成接受SYN报文且回复ACK-SYN报文，connect接受到这个报文后再次回复好ACK才会跳出connect函数准备进行通信

总结

三次握手步骤客户端 API服务器端 API备注
第一次握手connect() 内部发送 SYN 包内核被动接收客户端发起连接请求
第二次握手内核被动接收 SYN-ACK 包内核被动发送 SYN-ACK 包服务器确认收到，并回应确认和自己的连接请求
第三次握手内核被动发送 ACK 包 connect() 返回内核被动接收 ACK 包 连接进入全连接队列客户端确认，连接建立，服务器端可被 accept() 接收

因此，三次握手这个复杂的协议过程，在 Linux C Socket 编程中，被巧妙地封装在了 connect() 和 accept() 这两个 API 的阻塞行为中。connect() 阻塞直到连接建立，而 accept() 阻塞直到有完成握手的连接可以被接受。

客户端的connect函数

​ 我们这里再把最后的connect函数说一下：

connect() 函数的原型定义在 <sys/socket.h> 头文件中：

#include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

connect() 是一个阻塞函数（在默认情况下）。它会一直等待，直到连接建立成功或发生错误。成功时，它返回 0；失败时，返回 -1，并设置全局变量 errno。

1. sockfd（套接字文件描述符）

这是通过 socket() 函数创建的套接字文件描述符。connect() 函数将使用这个套接字来发起连接请求。

2. addr（服务器地址结构体）

这是一个指向 struct sockaddr 类型常量的指针。它包含了你想要连接的服务器的地址信息，包括其 IP 地址和端口号。

与 bind() 类似，实际使用中我们会用更具体的地址结构体，如 struct sockaddr_in（用于 IPv4），并将其地址强制转换为 struct sockaddr *。

struct sockaddr_in 结构体示例：

struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family; // 地址族，通常为 AF_INETin_port_t      sin_port;   // 服务器端口号，网络字节序struct in_addr sin_addr;   // 服务器IP地址，网络字节序
};

关键点： 在填充这个结构体时，必须使用网络字节序。你需要将服务器的端口号和 IP 地址从主机字节序转换过来，通常使用 htons() 和 inet_addr()/inet_pton() 函数。

3. addrlen（地址结构体长度）

这个参数指定了 addr 指向的地址结构体的实际大小。通常使用 sizeof(struct sockaddr_in)。

connect() 的作用和流程

当客户端调用 connect() 函数时，会触发以下一系列事件：

  1. 发送 SYN 包：connect() 函数内部，操作系统会向服务器端的 IP 地址和端口号发送一个 TCP SYN（同步）报文，发起三次握手。
  2. 等待 SYN-ACK：connect() 函数会阻塞，等待服务器端的 SYN-ACK（同步-确认）报文。
  3. 发送 ACK 包：当收到 SYN-ACK 后，客户端操作系统会发送一个 ACK（确认）报文给服务器。
  4. 连接建立：三次握手完成。此时，connect() 函数返回 0，表示连接已成功建立。

如果 connect() 失败了，通常会有以下原因：

  • ECONNREFUSED：服务器端没有监听该端口（即没有调用 listen()），或者该端口上有防火墙阻止连接。
  • ETIMEDOUT：连接超时。服务器可能因为网络问题无法到达，或者服务器没有回应。
  • ENETUNREACH：无法到达网络。
  • EADDRINUSE：客户端的本地地址或端口已被使用。

客户端的 bind() 和 connect()

一个有趣的细节是，客户端在调用 connect() 之前，通常不需要调用 bind()。

  • 如果未调用 bind()：操作系统会在 connect() 内部自动为客户端套接字分配一个可用的临时（匿名）端口号和本地 IP 地址。
  • 如果调用了 bind()：客户端可以指定一个特定的本地 IP 地址和端口号来发起连接。这在某些特殊应用场景下可能有用，但大部分情况下并不需要。

​ 客户端经典的通信流程：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define SERVER_IP "127.0.0.1" // 服务器IP地址
#define PORT 8080             // 服务器端口号int main() {int client_fd;struct sockaddr_in server_addr;// 1. 创建套接字if ((client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror("socket creation error");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 准备服务器地址结构体server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(PORT);// 将IP地址字符串转换为网络字节序if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr) <= 0) {perror("invalid address/address not supported");close(client_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 3. 连接到服务器if (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {perror("connection failed");close(client_fd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("Successfully connected to server at %s:%d\n", SERVER_IP, PORT);// 4. 在这里进行数据通信（send/recv）...const char *message = "Hello from client";send(client_fd, message, strlen(message), 0);printf("Message sent to server\n");// 5. 关闭套接字close(client_fd);return 0;
}

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