深入理解Socket編程：構建簡單的計算器服務器

一、Socket通信基礎

1. Socket通信基本流程

服務器端流程：

  1. 創建Socket (socket())

  2. 綁定地址和端口 (bind())

  3. 監聽連接 (listen())

  4. 接受連接 (accept())

  5. 數據通信 (read()/write())

  6. 關閉連接 (close())

客戶端流程：

  1. 創建Socket (socket())

  2. 連接服務器 (connect())

  3. 數據通信 (read()/write())

  4. 關閉連接 (close())

2. 關鍵數據結構

struct sockaddr_in 用于存儲IPv4地址信息：

struct sockaddr_in {short            sin_family;   // 地址族，如AF_INETunsigned short   sin_port;     // 端口號struct in_addr   sin_addr;     // IP地址char             sin_zero[8];  // 填充字段
};struct in_addr {unsigned long s_addr;  // 32位IPv4地址
};

二、服務器代碼詳解

1. 頭文件引入

#include <stdio.h>    // 標準輸入輸出
#include <stdlib.h>   // 標準庫函數
#include <string.h>   // 字符串處理
#include <unistd.h>   // POSIX系統調用
#include <sys/types.h> // 系統數據類型
#include <sys/socket.h> // Socket相關函數
#include <netinet/in.h> // Internet地址族

這些頭文件提供了Socket編程所需的基本功能。

2. 錯誤處理函數

void error(const char *msg) {perror(msg);    // 打印錯誤信息exit(1);        // 異常退出
}

perror()會根據全局變量errno打印描述性錯誤信息。

3. 主函數結構

int main(int argc, char *argv[]) {if(argc < 2) {fprintf(stderr,"Port no not provided, Program terminated");exit(1);}// ... 其余代碼
}

檢查命令行參數，確保提供了端口號。

4. 變量聲明

int sockfd, newsockfd, portno;
char buffer[255];
struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
socklen_t clilen;

  • sockfd: 監聽Socket的文件描述符

  • newsockfd: 與客戶端通信的Socket文件描述符

  • serv_addr/cli_addr: 服務器/客戶端地址信息

  • clilen: 客戶端地址結構長度

5. 創建Socket

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sockfd < 0) {error("Error opening Socket.");
}

socket()函數參數：

  • AF_INET: IPv4地址族

  • SOCK_STREAM: 面向連接的TCP Socket

  • 0: 默認協議(TCP)

6. 初始化服務器地址

bzero((char *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
portno = atoi(argv[1]);serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
serv_addr.sin_port = htons(portno);

  • bzero(): 清零內存區域

  • INADDR_ANY: 監聽所有網絡接口

  • htons(): 將端口號轉換為網絡字節序(大端)

7. 綁定Socket

if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)error("Binding Failed.");

bind()將Socket與地址和端口綁定。

8. 監聽連接

listen(sockfd,5);

listen()開始監聽連接，參數5指定等待連接隊列的最大長度。

9. 接受連接

newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&cli_addr,&clilen);
if(newsockfd < 0)error("Error on Accept");

accept()接受客戶端連接，返回新的Socket文件描述符用于通信。

10. 計算器業務邏輯

int num1, num2, ans, choice,n;
S: n = write(newsockfd,"Enter Number 1 : ",strlen("Enter Number 1")); 
if (n < 0) error("Error writing to socket");
read(newsockfd, &num1, sizeof(int));
printf("Client - Number 1 is : %d \n",num1);// ... 類似處理num2和choiceswitch (choice) {
case 1:ans = num1 + num2;break;
case 2:ans = num1 - num2;break;
case 3:ans = num1 * num2;break;
case 4:ans = num1 / num2;break;
case 5:goto Q;break;
}write(newsockfd,&ans,sizeof(int));
if(choice != 5)goto S;

這里實現了簡單的計算器功能，使用goto實現循環邏輯。

11. 關閉連接

Q:    
close(newsockfd);
close(sockfd);
return 0;

三、關鍵函數深度解析

1. socket()

int socket(int domain, int type, int protocol);

  • 功能：創建通信端點

  • 參數：

    • domain: 通信域(AF_INET, AF_INET6等)

    • type: 通信語義(SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM等)

    • protocol: 通常為0，表示默認協議

  • 返回值：成功返回文件描述符，失敗返回-1

2. bind()

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

  • 功能：將Socket與地址綁定

  • 參數：

    • sockfd: Socket文件描述符

    • addr: 指向地址結構的指針

    • addrlen: 地址結構大小

  • 返回值：成功返回0，失敗返回-1

3. listen()

int listen(int sockfd, int backlog);

  • 功能：開始監聽連接請求

  • 參數：

    • sockfd: Socket文件描述符

    • backlog: 等待連接隊列的最大長度

  • 返回值：成功返回0，失敗返回-1

4. accept()

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

  • 功能：接受連接請求

  • 參數：

    • addr: 用于存儲客戶端地址

    • addrlen: 地址結構大小

  • 返回值：成功返回新的Socket文件描述符，失敗返回-1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>void error(const char *msg)
{perror(msg);exit(1);
}
int main(int argc, char *argv[])
{if(argc < 2){fprintf(stderr,"Port no not provided, Program terminated");exit(1);}int sockfd, newsockfd, portno;char buffer[255];struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;socklen_t clilen;sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd < 0){error ("Error opening Socket.");}bzero((char *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));portno = atoi(argv[1]);serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;serv_addr.sin_port = htons(portno);if(bind(sockfd , (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)error("Binding Failed.");listen(sockfd,5);clilen = sizeof(cli_addr);newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&cli_addr,&clilen);if(newsockfd < 0)error("Error on Accept");int num1, num2, ans, choice,n;S: n = write(newsockfd,"Enter Number 1 : ",strlen("Enter Number 1")); if (n < 0) error("Error writing to socket");read(newsockfd, &num1, sizeof(int));printf("Client - Number 1 is : %d \n",num1);n = write(newsockfd,"Enter Number 2 : ",strlen("Enter Number 2")); if (n < 0) error("Error writing to socket");read(newsockfd, &num2, sizeof(int));printf("Client - Number 2 is : %d \n",num2);n = write(newsockfd,"Enter your choice: \n1.Addition\n2.subtraction\n3.Multiplication\n4.Division\n5.Exit\n",strlen("Enter your choice: \n1.Addition\n2.subtraction\n3.Multiplication\n4.Division\n5.Exit\n"));if(n < 0) error("ERROR writing to socket");read(newsockfd, &choice, sizeof(int));printf("Client - choice is :%d\n",choice);switch (choice){case 1:ans = num1 + num2;break;case 2:ans = num1 - num2;break;case 3:ans = num1 * num2;break;case 4:ans = num1 / num2;break;case 5:goto Q;break;}write(newsockfd,&ans,sizeof(int));if(choice != 5)goto S;Q:    close(newsockfd);close(sockfd);return 0;}
/*
filename server_ipaddress portnoargc[0] filename
argv[1] serve_ipaddress
argv[2] portno
*/#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netdb.h>void error(const char *msg)
{perror(msg);exit(0);
}
int main(int argc, char *argv[])
{int sockfd, portno, n;char buffer[256];struct sockaddr_in serv_addr;struct hostent *server;if (argc < 3){fprintf(stderr, "usage %s hostname port\n", argv[0]);exit(1);}portno = atoi(argv[2]);sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd < 0){error ("Error opening Socket.");}server = gethostbyname(argv[1]);if(server == NULL){fprintf(stderr, "Error,no such host");}bzero((char *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;bcopy((char *)server->h_addr, (char *)&serv_addr.sin_addr.s_addr, server->h_length);serv_addr.sin_port = htons(portno);if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0){error("Connection Failed");}int num1, num2, choice, ans;S:bzero(buffer,256);n = read (sockfd, buffer, 255);if( n < 0 )error("ERROR reading from socket");printf("Server - %s\n",buffer);scanf("%d",&num1);write(sockfd, &num1,sizeof(int));bzero(buffer,256);n = read (sockfd, buffer, 255);if( n < 0 )error("ERROR reading from socket");printf("Server - %s\n",buffer);scanf("%d",&num2);write(sockfd, &num2,sizeof(int));bzero(buffer,256);n = read (sockfd, buffer, 255);if( n < 0 )error("ERROR reading from socket");printf("Server - %s\n",buffer);scanf("%d",&choice);write(sockfd, &choice,sizeof(int));if (choice == 5)goto Q;read(sockfd, &ans ,sizeof(int));printf("Server- The answer is :%d\n",ans);if(choice !=5)goto S;Q:printf("You have selected to exit.Exit Successful");close(sockfd);return 0;}

一、函數參數記憶框架（TCP Socket版）

1. 核心思維："3W1H"模型

  • Where (地址相關)：sockaddr_in, addrlen

  • What (數據相關)：buffer, strlen

  • Which (標識符)：sockfd, newsockfd

  • How (方式)：flags (通常填0)

2. 函數參數速記表
函數參數順序助記口訣必須記住的參數
socket()"家-門-鑰匙"AF_INET, SOCK_STREAM, 0
bind()"門牌-地址本-地址長度"sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)
listen()"門牌-候客室大小"sockfd, 5 (backlog)
accept()"門牌-客戶登記表-表長度"sockfd, cli_addr, &clilen
connect()"門牌-目的地地址-地址長度"sockfd, serv_addr, sizeof(serv_addr)
read()/write()"信箱-紙條-紙條大小"newsockfd, buffer, sizeof(buffer)

二、參數分類記憶法

1. 地址家族三件套

serv_addr.sin_family = AF_INET;        // IPv4
serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 所有IP
serv_addr.sin_port = htons(portno);    // 端口轉換

  • 記憶口訣："家-門-方向牌"（family-address-port）

2. 類型轉換四重奏

// 指針轉換
(struct sockaddr*)&serv_addr// 字節序轉換
htons()    // host to network short
htonl()    // host to network long
ntohs()    // network to host short
ntohl()    // network to host long

  • 記憶技巧："h→n是出門，n→h是回家"

三、實戰填參模板

1. 服務端標準流程

// 1. 創建socket（三固定參數）
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 2. 綁定地址（結構體強制轉換）
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));// 3. 接受連接（注意&clilen）
accept(sockfd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &clilen);
2. 客戶端連接模板

connect(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

四、常見參數填錯場景

錯誤場景正確寫法記憶要點
忘記地址結構體轉換(struct sockaddr*)&serv_addr"套外套"法則
傳值 vs 傳地址混淆&clilen 而不是 clilenaccept()要修改長度值
字節序未轉換htons(portno)所有網絡傳輸的數據都要轉換
buffer大小計算錯誤read(fd, buf, sizeof(buf))用sizeof而不是strlen

五、調試技巧

  1. 參數檢查清單：

    • 所有網絡字節序轉換了嗎？

    • 地址結構體轉換了嗎？

    • 長度參數傳地址了嗎？

    • 錯誤處理都寫了嗎？

  2. GDB調試命令：

    bash

    復制

    (gdb) p serv_addr  # 查看地址結構體
(gdb) p &serv_addr # 確認指針類型

六、類比記憶法

函數現實類比關鍵參數對應關系
socket()買手機手機類型=AF_INET
bind()辦手機卡電話號碼=portno
listen()開機最大未接來電=backlog
accept()接聽來電來電顯示=cli_addr
connect()撥打電話對方號碼=serv_addr

七、進階記憶法（協議棧層次）

應用層：buffer數據
傳輸層：SOCK_STREAM/SOCK_DGRAM
網絡層：AF_INET/AF_INET6
鏈路層：系統自動處理

記住：從上到下越來越底層，從下到上越來越抽象

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