快速入門Socket編程——封裝一套便捷的Socket編程——導論

前言

? 這里是筆者打算做的Socket編程的第二部分，也就是核心的討論我們Socket編程本身。

導論

? 我們知道，一個經典的服務器套接字的處理流程是如下的：

1. 創建一個指定傳輸層和網絡層協議的套接字（socket）
2. 申請和綁定操作系統到指定的端口上（bind）
3. 運行使能申請到的資源，也就是監聽（listen）
4. 接受和開啟對客戶端之間的通信（accept后做read && write。完成業務后如果需要關閉則關閉之）

? 對于客戶端，事情就會簡單一些，我們只需要創建套接字（socket）后指定要連接的遠程對象就好（connect），之后就可以跟服務器之間做IO通信了。

? 那么，我們就是準備好做封裝。封裝之前就需要了解一下基本的系統API，這里需要注意的是，我們只討論Linux系列的Socket API，盡管Windows在一定層次上對我們的Socket編程接口存在兼容，但是仍有不少的差距（比如說必須加載Socket編程庫，完事后還有Cleanup，關閉套接字的API也跟Linux的存在差距）

socket創建一個套接字

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

? 這個API實際上就是創建了一個指定了IP版本協議，傳輸層協議簇和傳輸層協議的API，

? domain參數描述的是我們的IP網絡層協議采用的決定，這個參數指定了套接字使用的地址族（Address Family），它決定了套接字可以與哪種類型的網絡進行通信。最常見的選項有：

• AF_INET：用于 IPv4 協議。這是目前最常用的選項，它允許您使用 32 位的 IP 地址進行通信。
• AF_INET6：用于 IPv6 協議。如果您需要使用 128 位的 IP 地址，則應選擇此選項。
• AF_UNIX：用于 本地進程間通信（IPC）。它不涉及網絡，而是在同一臺機器的不同進程間進行通信，效率更高。

? 一般而言，我們會采用的是AF_INET，這個我想大家最熟悉。

? type定義了套接字的服務類型，也就是數據傳輸的方式。這里說的是傳輸層我們采納的協議控制。

• SOCK_STREAM：流式套接字。它提供可靠的、面向連接的通信服務，使用 TCP (Transmission Control Protocol) 協議。數據會按順序、無差錯地傳輸，適用于網頁瀏覽、文件傳輸等需要高可靠性的場景。（面向連接的）
• SOCK_DGRAM：數據報套接字。它提供不可靠的、無連接的通信服務，使用 UDP (User Datagram Protocol) 協議。數據報可能會丟失、重復或亂序到達，但它具有低延遲的特點，適用于實時音視頻、在線游戲等對實時性要求高但允許少量數據丟失的場景。（面向數據的）
• SOCK_RAW：原始套接字。這種類型的套接字允許您直接訪問 IP 層，可以自己構造 IP 數據包，常用于網絡協議分析工具（如 ping）或一些特殊的網絡應用。

? 對于protocol這個參數用于指定在特定的協議族和套接字類型下的具體協議。通常情況下，咱都是將其設置為 0。

當 protocol 為 0 時，系統會根據 domain 和 type 的組合自動選擇最合適的默認協議。例如：

• socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)：系統會自動選擇 TCP 協議。
• socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)：系統會自動選擇 UDP 協議。

只有在某些特殊情況下（例如使用 SOCK_RAW），您才需要顯式指定協議編號。

bind監聽一個端口

? bind在我導論的時候就說過，實際上就是申請且綁定應用程序需要的端口。它負責將一個創建好的套接字（Socket）與一個特定的本地 IP 地址和端口號關聯起來。簡單來說，就是給你的套接字在網絡世界中“分配一個門牌號”。

?

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

? bind函數的接口比較復雜，第一個填入的就是套接字的文件描述符，這個沒啥可說的，因為我們就是需要我們的套接字具備可用的端口。

? 需要知道的是這類API都會返回負數表示失敗，所以可以檢查一下，這個函數很容易失敗，因為我們要是退出服務的時候沒有正確的釋放端口資源（或者說，存在比較長的TIME_WAIT的端口），就會沒辦法進行再次綁定。

? struct sockaddr *addr是一個指向 struct sockaddr 類型常量的指針。struct sockaddr 是一個通用的套接字地址結構體，但它是一個泛型結構，實際使用中，我們通常會將其轉換為更具體的地址結構體，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（本地進程間通信）。

這個結構體中包含了我們希望綁定的 IP 地址和端口號。

#include <netinet/in.h> // 包含 sockaddr_in 的定義
#include <arpa/inet.h>  // 包含 inet_addr() 和 htons()struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family; // 地址族，通常設置為 AF_INETin_port_t      sin_port;   // 端口號，必須是網絡字節序struct in_addr sin_addr;   // IP 地址，必須是網絡字節序// char           sin_zero[8]; // 填充字節，通常不需要顯式設置
};
struct in_addr {in_addr_t s_addr; // 32位IPv4地址
};

在設置 sin_port 和 sin_addr 時，請務必注意字節序轉換。網絡上的數據傳輸通常使用網絡字節序（大端字節序），而我們的主機可能使用主機字節序（大端或小端）。為了確保不同系統間的兼容性，必須進行轉換：

• htons() (host to network short): 將主機字節序的短整型（通常是端口號）轉換為網絡字節序。
• htonl() (host to network long): 將主機字節序的長整型（通常是 IP 地址）轉換為網絡字節序。
• inet_addr() 或 inet_pton(): 將點分十進制的 IP 地址字符串轉換為網絡字節序的二進制形式，并存儲到 in_addr.s_addr 中。

? 所以，我們可能需要正確的轉換排序的大小端格式，這個時候，咱們的確需要做的就是htons或者是htonl。

? 剩下的參數填寫的是采用的結構體的大小，這個是純粹方便正確的轉換的，填寫sizeof的結果就完事了

題外話：避免“地址已使用”錯誤 (EADDRINUSE)：

在服務器程序中，當程序崩潰或異常退出時，操作系統可能不會立即釋放綁定的端口，導致在短時間內重新啟動程序時報告“地址已使用”錯誤。為了避免這個問題，通常會在 bind() 之前設置套接字的SO_REUSEADDR 選項，允許重新使用處于 TIME_WAIT 狀態的本地地址。這通過 setsockopt() 函數實現。

int optval = 1;
if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval)) < 0) {perror("setsockopt SO_REUSEADDR failed");// 處理錯誤
}

這樣的話，我們就不會再次觸發端口已經綁定的問題。

bind的本質是為服務器指定監聽地址和端口：對于服務器程序而言，bind() 是必不可少的一步。它告訴操作系統，這個套接字將監聽哪個 IP 地址上的哪個端口號。只有綁定了地址和端口，客戶端才能找到并連接到服務器。

• IP 地址：
  • 如果您想讓服務器監聽所有可用的網絡接口（即所有本機 IP 地址），可以將 sin_addr.s_addr 設置為 INADDR_ANY（通常是 0.0.0.0，經過 htonl() 轉換后）。
  • 如果您想讓服務器只監聽特定的一個 IP 地址，可以將其設置為該 IP 地址的 inet_addr() 轉換結果。
• 端口號：
  • 端口號范圍是 0 到 65535。
  • 0-1023 是知名端口，通常由系統服務占用，需要 root 權限才能綁定。
  • 1024-49151 是注冊端口。
  • 49152-65535 是動態/私有端口，通常用于客戶端的臨時端口。
  • 作為服務器，您通常會選擇一個大于 1023 的固定端口號。

listen：將通信激活到監聽狀態

? 我們知道，下一步就是驅動我們的網卡監聽外部信息，去嘗試捕捉潛在的客戶端的連接。

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

? 這是我們的API接口，sockfd是已經通過 socket() 函數創建并通過 bind() 函數綁定了本地地址和端口號的套接字文件描述符。listen() 函數將使這個特定的套接字開始監聽網絡連接。

注意： 只有流式套接字（SOCK_STREAM）才需要調用 listen()。數據報套接字（SOCK_DGRAM）是無連接的，因此不需要監聽。這個算是一個需要注意的點！

backlog（待處理連接隊列的最大長度）

? 這個參數是 listen() 函數的核心，它指定了系統可以為這個套接字排隊等待接受的連接請求數量。為了理解 backlog，我們需要知道 TCP 連接建立的三次握手過程。當一個客戶端發起連接請求時，它會向服務器發送一個 SYN 報文。此時，操作系統會創建一個連接，并將其放在一個半連接隊列（SYN queue）中。當服務器收到客戶端的 ACK 報文，完成三次握手后，這個連接會被從半連接隊列移動到全連接隊列（accept queue）。

backlog 參數的真正作用就是限制這個“全連接隊列”的最大長度。

• 如果全連接隊列已滿：當有新的客戶端連接完成三次握手時，操作系統會忽略其 ACK 報文，導致客戶端最終超時，認為連接失敗。
• backlog 的值：
  • 歷史上，不同的操作系統對 backlog 的解釋和實現有所不同。在現代 Linux 系統中，backlog 參數主要控制的就是全連接隊列的最大長度。
  • 如何選擇 backlog 的值？ 應該根據你的服務器性能和預期的并發連接數來決定。如果你的服務器可能在短時間內收到大量的連接請求，一個較大的 backlog 值可以防止新連接被拒絕，直到你的程序有時間調用 accept() 來處理它們。
  • 如果 backlog 值設置為 0，某些系統可能將其視為默認值，而另一些系統則可能導致無法接受任何連接。因此，最好設置一個合理的值，例如 10、128 或 SOMAXCONN（通常是系統定義的最大值）。

accept：接受一個客戶端的連接

在 Linux 網絡編程中，accept() 函數是服務器程序接收客戶端連接的“握手”操作。在 listen() 函數使套接字進入監聽狀態并準備好連接隊列后，accept() 的作用就是從這個隊列中取出最靠前的一個連接請求，并創建一個新的套接字專門用于與該客戶端進行通信。

accept() 函數的原型定義在 <sys/socket.h> 頭文件中：

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

accept() 是一個阻塞函數。這意味著如果當前全連接隊列中沒有等待的連接，它會一直阻塞在那里，直到有新的客戶端連接完成三次握手。如果 sockfd 被設置為非阻塞模式，accept() 會立即返回 -1，并設置 errno 為 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。成功時，它返回一個新的套接字文件描述符，這個描述符專門用來與發起連接的客戶端進行數據傳輸。失敗時，它返回 -1。

1. sockfd（監聽套接字文件描述符）

這是通過 socket() 和 bind() 創建，并用 listen() 進入監聽狀態的服務器監聽套接字。accept() 不會在這個套接字上進行數據收發，它只是用它來接收連接請求。

2. addr（客戶端地址結構體）

這是一個指向 struct sockaddr 類型結構體的指針。accept() 函數會填充這個結構體，存儲發起連接的客戶端的地址信息，包括其 IP 地址和端口號。

通常，您會聲明一個 struct sockaddr_in（用于 IPv4）類型的變量，然后將其地址強制轉換為 struct sockaddr * 傳遞給 accept()。

3. addrlen（地址結構體長度）

這是一個指向 socklen_t 類型的指針。在調用 accept() 之前，您需要將 addrlen 指向的變量設置為 addr 結構體的初始大小。accept() 函數執行完畢后，它會更新 addrlen 指向的值，使其反映出 addr 結構體中實際存儲的有效字節數。

? 下面的代碼就是一個最簡單的服務器端的通信代碼：

#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. 持續接受連接while (1) {printf("Waiting for a connection...\n");// 接受一個連接，如果隊列為空則阻塞if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, &addrlen)) < 0) {perror("accept failed");// 可以選擇繼續循環或者退出continue;}// 打印客戶端信息printf("Connection accepted from %s:%d\n", inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));// 在這里，服務器可以使用 new_socket 與客戶端進行通信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");// 通信結束后，關閉新套接字close(new_socket);printf("Connection closed.\n");}close(server_fd);return 0;
}

題外話：TCP 三次握手與 Linux Socket API

客戶端 (Client)

1. connect() 函數調用：當客戶端調用 connect() 函數時，操作系統會發送第一個 SYN 包給服務器，請求建立連接。此時，客戶端進入 SYN_SENT 狀態，等待服務器的回應。
2. connect() 函數返回：客戶端的 connect() 函數會阻塞（在默認情況下），直到收到服務器的 SYN-ACK 包和客戶端自己的 ACK 包成功發送后，也就是三次握手完成，connect() 函數才會返回。此時，連接已經建立，客戶端進入 ESTABLISHED 狀態。

服務器端 (Server)

1. listen() 函數調用：listen() 函數本身只是告訴操作系統，這個套接字已準備好接受連接。它會設置一個待處理連接隊列，但并不會立即開始三次握手。
2. 接收 SYN 包：當客戶端調用 connect() 發送第一個 SYN 包后，服務器端的操作系統內核會被動地接收這個 SYN 包。內核會回應一個 SYN-ACK 包，并創建連接的半連接狀態，將其放入半連接隊列中。這個過程是由內核自動完成的，不涉及任何應用程序級別的 API 調用。
3. 接收 ACK 包并移動到全連接隊列：當服務器收到客戶端發來的最后一個 ACK 包后，三次握手完成。操作系統會將該連接從半連接隊列中移動到全連接隊列（backlog）。這個過程也是由內核自動完成的。
4. accept() 函數調用：服務器調用 accept() 函數時，它會從全連接隊列中取出一個已經完成三次握手的連接。如果隊列為空，accept() 會阻塞等待。當 accept() 成功返回時，就意味著它已經拿到一個建立好的連接，可以開始進行數據通信了。

? 換而言之，所有的三次握手不發生在accept中，對于服務器端，他早在accept返回之前就完成了連接（因為如果沒有完成，他會等待直到連接完成后，才會取出來這個套接字返回進行IO操作，三次握手的主動方在客戶端的connect上，connect調用發起的時候進行第一次SYN握手，等待服務器完成接受SYN報文且回復ACK-SYN報文，connect接受到這個報文后再次回復好ACK才會跳出connect函數準備進行通信

總結

三次握手步驟	客戶端 API	服務器端 API	備注
第一次握手	connect() 內部發送 SYN 包	內核被動接收	客戶端發起連接請求
第二次握手	內核被動接收 SYN-ACK 包	內核被動發送 SYN-ACK 包	服務器確認收到，并回應確認和自己的連接請求
第三次握手	內核被動發送 ACK 包 connect() 返回	內核被動接收 ACK 包 連接進入全連接隊列	客戶端確認，連接建立，服務器端可被 accept() 接收

因此，三次握手這個復雜的協議過程，在 Linux C Socket 編程中，被巧妙地封裝在了 connect() 和 accept() 這兩個 API 的阻塞行為中。connect() 阻塞直到連接建立，而 accept() 阻塞直到有完成握手的連接可以被接受。

客戶端的connect函數

? 我們這里再把最后的connect函數說一下：

connect() 函數的原型定義在 <sys/socket.h> 頭文件中：

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

connect() 是一個阻塞函數（在默認情況下）。它會一直等待，直到連接建立成功或發生錯誤。成功時，它返回 0；失敗時，返回 -1，并設置全局變量 errno。

1. sockfd（套接字文件描述符）

這是通過 socket() 函數創建的套接字文件描述符。connect() 函數將使用這個套接字來發起連接請求。

2. addr（服務器地址結構體）

這是一個指向 struct sockaddr 類型常量的指針。它包含了你想要連接的服務器的地址信息，包括其 IP 地址和端口號。

與 bind() 類似，實際使用中我們會用更具體的地址結構體，如 struct sockaddr_in（用于 IPv4），并將其地址強制轉換為 struct sockaddr *。

struct sockaddr_in 結構體示例：

struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family; // 地址族，通常為 AF_INETin_port_t      sin_port;   // 服務器端口號，網絡字節序struct in_addr sin_addr;   // 服務器IP地址，網絡字節序
};

關鍵點： 在填充這個結構體時，必須使用網絡字節序。你需要將服務器的端口號和 IP 地址從主機字節序轉換過來，通常使用 htons() 和 inet_addr()/inet_pton() 函數。

3. addrlen（地址結構體長度）

這個參數指定了 addr 指向的地址結構體的實際大小。通常使用 sizeof(struct sockaddr_in)。

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connect() 的作用和流程

當客戶端調用 connect() 函數時，會觸發以下一系列事件：

1. 發送 SYN 包：connect() 函數內部，操作系統會向服務器端的 IP 地址和端口號發送一個 TCP SYN（同步）報文，發起三次握手。
2. 等待 SYN-ACK：connect() 函數會阻塞，等待服務器端的 SYN-ACK（同步-確認）報文。
3. 發送 ACK 包：當收到 SYN-ACK 后，客戶端操作系統會發送一個 ACK（確認）報文給服務器。
4. 連接建立：三次握手完成。此時，connect() 函數返回 0，表示連接已成功建立。

如果 connect() 失敗了，通常會有以下原因：

• ECONNREFUSED：服務器端沒有監聽該端口（即沒有調用 listen()），或者該端口上有防火墻阻止連接。
• ETIMEDOUT：連接超時。服務器可能因為網絡問題無法到達，或者服務器沒有回應。
• ENETUNREACH：無法到達網絡。
• EADDRINUSE：客戶端的本地地址或端口已被使用。

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客戶端的 bind() 和 connect()

一個有趣的細節是，客戶端在調用 connect() 之前，通常不需要調用 bind()。

• 如果未調用 bind()：操作系統會在 connect() 內部自動為客戶端套接字分配一個可用的臨時（匿名）端口號和本地 IP 地址。
• 如果調用了 bind()：客戶端可以指定一個特定的本地 IP 地址和端口號來發起連接。這在某些特殊應用場景下可能有用，但大部分情況下并不需要。

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? 客戶端經典的通信流程：

#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" // 服務器IP地址
#define PORT 8080             // 服務器端口號int main() {int client_fd;struct sockaddr_in server_addr;// 1. 創建套接字if ((client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {perror("socket creation error");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 準備服務器地址結構體server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(PORT);// 將IP地址字符串轉換為網絡字節序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. 連接到服務器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. 在這里進行數據通信（send/recv）...const char *message = "Hello from client";send(client_fd, message, strlen(message), 0);printf("Message sent to server\n");// 5. 關閉套接字close(client_fd);return 0;
}