Socket网络编程（服务端和客户端代码示例）

╰+攻爆jí腚メ 2024-05-24 02:03 83阅读 0赞

> 本文主要讲解Socket网络编程。  
> 首先介绍socket，包括TCP和UDP通信过程；然后介绍常用的函数；最后编写client-server例子，并进行测试。

#### 文章目录 ####

*  Socket介绍
 *   *  TCP通信过程
     *   *  服务器端通信过程：
         *  客户端通信过程：
     *  UDP通信过程
     *   *  服务器端通信过程：
         *  客户端通信过程：
 *  常用函数介绍
 *   *  socket
     *   *  函数原型
         *  参数介绍
     *  bind
     *   *  函数原型
         *  参数介绍
     *  listen
     *   *  函数原型
         *  参数介绍
     *  connect
     *   *  函数原型
         *  参数介绍
     *  accept
     *   *  函数原型
         *  参数介绍
     *  close
     *   *  函数原型
         *  参数介绍
     *  recv
     *   *  函数原型
         *  参数介绍
     *  send
     *   *  函数原型
         *  参数介绍
     *  recvmsg
     *   *  函数原型
         *  参数介绍
     *  sendmsg
     *   *  函数原型
         *  参数介绍
         *  msghdr
         *  flag
     *  setsockopt
     *   *  函数原型
         *  参数介绍
 *  demo
 *   *  服务端代码
     *  客户端代码
     *  测试结果

## Socket介绍 ##

C 语言中的 socket 编程是一种用于在网络上进行通信的编程接口。通过 socket，程序可以在不同的计算机之间进行数据交换，实现网络通信的功能。

### TCP通信过程 ###

![在这里插入图片描述][a9ac816e38544a6787893e91b4a7065b.png]

#### 服务器端通信过程： ####

1.  创建 Socket：使用 socket() 函数创建一个套接字，指定地址族为 AF\_INET，类型为 SOCK\_STREAM（表示流式套接字），协议为 IPPROTO\_TCP。这一步通常会得到一个套接字描述符。
2.  绑定 Socket：调用 bind() 函数将套接字与服务器所在主机的 IP 地址和端口号绑定。这样服务器就可以监听来自该端口的连接请求。
3.  监听连接请求：使用 listen() 函数开始监听客户端的连接请求，并设置最大连接数。
4.  接受连接：当有客户端发起连接请求时，使用 accept() 函数接受连接，返回一个新的套接字描述符用于与该客户端进行通信。
5.  数据通信：通过新的套接字描述符，使用 send() 和 recv() 函数发送和接收数据。通常在一个循环中进行数据交换，直到通信结束。
6.  关闭连接：通信结束后，关闭新的套接字描述符，释放资源。

#### 客户端通信过程： ####

1.  创建 Socket：同样使用 socket() 函数创建套接字，地址族为 AF\_INET，类型为 SOCK\_STREAM，协议为 IPPROTO\_TCP。
2.  连接服务器：使用 connect() 函数向服务器发起连接请求，指定服务器的 IP 地址和端口号。
3.  数据通信：连接建立后，使用 send() 和 recv() 函数发送和接收数据，通常也是在一个循环中进行数据交换，直到通信结束。
4.  关闭连接：通信结束后，关闭套接字描述符，释放资源。

### UDP通信过程 ###

![在这里插入图片描述][4e349b42db6b4007b40d060cb80987f1.png]

#### 服务器端通信过程： ####

1.  创建 Socket：调用socket()函数创建一个套接字，指定地址族为AF\_INET，类型为SOCK\_DGRAM（数据报套接字），协议为IPPROTO\_UDP。这一步通常会得到一个套接字描述符。
2.  绑定 Socket：使用bind()函数将套接字与服务器所在主机的IP地址和端口号绑定。这样服务器就可以监听来自该端口的数据报。
3.  数据通信：通过绑定的套接字描述符，使用sendto()和recvfrom()函数发送和接收数据报。UDP是无连接的协议，因此每次发送数据时都需要指定目标的IP地址和端口号。
4.  关闭连接：通信结束后，关闭套接字描述符，释放资源。

#### 客户端通信过程： ####

1.  创建 Socket：同样使用socket()函数创建套接字，地址族为AF\_INET，类型为SOCK\_DGRAM，协议为IPPROTO\_UDP。
2.  数据通信：通过创建的套接字描述符，使用sendto()和recvfrom()函数发送和接收数据报。UDP是无连接的协议，因此每次发送数据时都需要指定目标的IP地址和端口号。
3.  关闭连接：通信结束后，关闭套接字描述符，释放资源。

## 常用函数介绍 ##

### socket ###

#### 函数原型 ####

创建一个新的套接字，返回一个 int 类型的套接字文件描述符，用于后续的网络连接操作。

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

#### 参数介绍 ####

*  domain：指定 Socket AF（Address Family，地址族）可选：AF\_INET（IPv4）或AF\_INET6（IPv6）

*  type：指定数据传输方式，可选：
    
     *  SOCK\_STREAM（面向连接的 TCP）
     *  SOCK\_DGRAM（无连接的 UDP）
     *  SOCK\_RAW（原始 IP 数据包）

*  protocol：指定具体的传输层协议，可选：
    
     *  IPPROTO\_TCP
     *  IPPTOTO\_UDP
 *  函数返回值：
    
     *  成功：返回 Socket fd。
     *  失败：返回 -1。

### bind ###

#### 函数原型 ####

将套接字与一个本地 IP:Port 绑定。通常用于服务端，以便在本地监听网络连接

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

#### 参数介绍 ####

*  socket：指定 Server socket 文件描述符。
 *  addr：指定 Server sockaddr 结构体变量，指针类型。
 *  addrlen：指定 addr 变量的大小，使用 sizeof() 计算得出。
 *  函数返回值：
    
     *  成功：返回 0。
     *  失败：返回 -1。

### listen ###

#### 函数原型 ####

开始监听来自远程主机的连接请求。通常用于服务器端，在套接字上等待来自客户端的连接请求。

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

#### 参数介绍 ####

*  socket：指定需要进入监听状态的 Server socket 文件描述符。
 *  backlog：指定请求队列的最大长度，当队列满了之后，就不再接收请求。
 *  函数返回值：
    
     *  成功：返回 0。
     *  失败：返回 -1。

### connect ###

#### 函数原型 ####

建立与远程主机的连接。通常用于客户端，以便连接到远程服务器

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

#### 参数介绍 ####

*  socket：指定 Client socket 文件描述符。
 *  serv\_addr：指定 Server sockaddr 结构体变量，指针类型。
 *  addrlen：指定 addr 变量的大小，使用 sizeof() 计算得出。
 *  函数返回值：
    
     *  成功：返回 0。
     *  失败：返回 -1。

### accept ###

#### 函数原型 ####

接受一个连接请求，返回一个新的、表示客户端的 Socket 文件描述符，作为服务端和客户端之间发送与接收操作的句柄。通常用于服务器端，用于接收客户端的连接请求。

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

#### 参数介绍 ####

*  socket：指定 Server socket 文件描述符。
 *  addr：指定 Client sockaddr 结构体变量，指针类型。
 *  addrlen：指定 addr 变量的大小，使用 sizeof() 计算得出。
 *  函数返回值：
    
     *  成功：返回 Client socket fd。
     *  失败：返回 -1。

### close ###

#### 函数原型 ####

关闭套接字连接。

#include <unistd.h>
    
    int close(int fildes);

#### 参数介绍 ####

*  fd：指定要关闭的 Socket 的文件描述符。
 *  函数返回值：
    
     *  成功：返回0。
     *  失败：返回 -1。

### recv ###

#### 函数原型 ####

从套接字接收数据

#include <sys/socket.h>
    
    ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

#### 参数介绍 ####

*  sockfd：指定要接收 TCP 数据的 Socket 文件描述符。
 *  buf：指定接收数据缓冲区的入口地址。
 *  len：指定要接收的数据的 Byte 数目。
 *  flags：指定接收数据时的选项，常设为 0。
 *  函数返回值：
    
     *  成功：返回接收的字节数。
     *  失败：返回 -1。

### send ###

#### 函数原型 ####

向套接字发送数据。

#include <sys/socket.h>
     
     ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

#### 参数介绍 ####

*  sockfd：指定要发送 TCP 数据的 Socket 文件描述符。
 *  buf：指定发送数据缓冲区入的口地址。
 *  len：指定要发送数据的 Byte 数目。
 *  flags：指定发送数据时的选项，常设为 0。
 *  函数返回值：
    
     *  成功：返回发送的字节数。
     *  失败：返回 -1。

### recvmsg ###

#### 函数原型 ####

#include <sys/socket.h>
    
    ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

#### 参数介绍 ####

*  sock：指定要接收 TCP 或 UDP 数据的 Socket 文件描述符。
 *  msg：指示将接收的数据存储到 msghdr 结构体中。
 *  flags：支持函数的行为，可选 0 或者 MSG\_DONTWAIT 等标志位。
 *  函数返回值：
    
     *  成功：返回接收的字节数。
     *  失败：返回 -1。

### sendmsg ###

#### 函数原型 ####

#include <sys/socket.h>
    
    ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

#### 参数介绍 ####

*  sock：指定要发送 TCP 或 UDP 数据的 Socket 文件描述符。
 *  msg：指示 msghdr 结构体中包含了要发送的数据、数据长度等信息。
 *  flags：支持函数的行为，可选 0 或者 MSG\_DONTWAIT 等标志位。
 *  函数返回值：
    
     *  成功：返回发送的字节数。
     *  失败：返回 -1。

#### msghdr ####

struct msghdr {
        
        /* 指定接收或发送数据的对端地址，可以为 NULL 或 0，表示不需要使用对端地址。*/
        void         *msg_name;       /* optional address */
        socklen_t     msg_namelen;    /* size of address */
    
        /* 指定接收或发送数据的缓冲区和缓冲区大小，可以使用多个缓冲区同时接收或发送数据。*/
        struct iovec *msg_iov;        /* scatter/gather array */
        size_t        msg_iovlen;     /* # elements in msg_iov */
    
     /* 指定一些附加的控制信息，可以为 NULL 或 0。*/
        void         *msg_control;    /* ancillary data, see below */
        size_t        msg_controllen; /* ancillary data buffer len */
    
     /* 指定函数的行为，例如是否需要接收带外数据等。*/
        int           msg_flags;      /* flags on received message */
    };

#### flag ####

*  **MSG\_PEEK**：允许从接收队列中查看数据而不将其删除。这意味着，如果接收队列中有数据，recv() 函数将返回数据的一个副本，但是该数据仍将留在接收队列中。这对于查看接收队列中的数据而不实际处理它们非常有用。此外，使用 MSG\_PEEK 选项，我们可以检查套接字缓冲区中是否有足够的数据可供读取，以便稍后调用 recv() 函数。
 *  **MSG\_WAITALL**：如果套接字缓冲区中没有足够的数据，则 recv() 函数将一直等待，直到收到请求的数据量。
 *  **MSG\_DONTWAIT**：指定此标志后，recv() 函数将立即返回，即使没有收到数据也不会阻塞。如果没有数据可用，则 recv() 将返回 -1，并将 errno 设置为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。
 *  **MSG\_OOB**：用于处理带外数据，即紧急数据。带外数据不遵循正常的传输控制协议（如 TCP），可以使用此标志将其标记为紧急数据并将其与其他数据分开处理。
 *  **MSG\_TRUNC**：如果接收缓冲区中的数据比接收缓冲区长度长，则截断数据并返回。
 *  **MSG\_CTRUNC**：如果接收缓冲区中的控制消息（例如带外数据或错误消息）比接收缓冲区长度长，则截断消息并返回。

### setsockopt ###

#### 函数原型 ####

设置socket选项值

#include <sys/socket.h>
    
    int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

#### 参数介绍 ####

*  sockfd：指定 socket fd。
 *  level：指定选项的协议层，可选 SOL\_SOCKET、IPPROTO\_TCP、IPPROTO\_IP 等。
 *  optname：指定要设置的选项名。
    
     *  SO\_REUSEADDR：int 类型，表示重用 IP 地址。
     *  SO\_KEEPALIVE：int 类型，用于启用/禁用 Keepalive（保持连接）功能。
     *  SO\_LINGER：struct linger 类型，用于指定关闭套接字时的行为。
     *  TCP\_NODELAY：int 类型，用于禁用 Nagle 算法，从而实现数据的实时传输。
 *  optval：指定存放选项值的缓冲区入口。
 *  optlen：指定选项值缓冲区的长度。
 *  函数返回值：
    
     *  成功：0。
     *  失败：-1，并设置了 errno 错误码。

## demo ##

### 服务端代码 ###

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <sys/socket.h>
    
    #define PORT 8888
    #define MAXLINE 1024
    
    int main() {
        
        int sockfd, connfd;
        char buffer[MAXLINE];
        struct sockaddr_in servaddr, cli;
    
        sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        // 创建TCP套接字
        if (sockfd == -1) {
        
            printf("socket creation failed");
            return EXIT_FAILURE;
        }
    
        // 设置服务器地址结构
        servaddr.sin_family = AF_INET; // IPv4
        servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
        servaddr.sin_port = htons(PORT);
    
        // 绑定服务器套接字
        if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) != 0) {
        
            printf("socket bind failed");
            return EXIT_FAILURE;
        }
    
        // 监听连接
        if (listen(sockfd, 5) != 0) {
        
            printf("listen failed");
            return EXIT_FAILURE;
        }
    
        socklen_t len = sizeof(cli);
    
        // 接受连接
        connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&cli, &len);
        if (connfd < 0) {
        
            printf("server accept failed");
            return EXIT_FAILURE;
        }
    
        // 读取客户端消息
        ssize_t num = recv(connfd, buffer, sizeof(buffer),0);
        if (num < 0){
        
            printf("read data from client fail, num=%ld\n", num);
            return EXIT_FAILURE;
        }
        printf("Client message: %s, size: %ld\n", buffer, num);
    
        char * data = "hello world";
        // 发送消息给客户端
        num = send(connfd, data, strlen(data),0);
        if (num < 0){
        
            printf("write data to client fail, num=%ld\n", num);
            return EXIT_FAILURE;
        }
        // 关闭连接
        close(sockfd);
        return 0;
    }

### 客户端代码 ###

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <sys/socket.h>
    
    #define PORT 8888
    #define MAXLINE 1024
    
    int main() {
        
        int sockfd;
        char buffer[MAXLINE];
        struct sockaddr_in servaddr;
    
        // 创建TCP套接字
        sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (sockfd == -1) {
        
            printf("socket creation failed\n");
            return EXIT_FAILURE;
        }
    
        // 设置服务器地址结构
        servaddr.sin_family = AF_INET; // IPv4
        servaddr.sin_port = htons(PORT);
        servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    
        // 连接服务器
        if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) != 0 ) {
        
            printf("connection with server failed\n");
            return EXIT_FAILURE;
        }
        char *data = "client send data";
        // 发送消息给服务器
        ssize_t num = send(sockfd, data, strlen(data),0);
        if (num < 0 )
        {
        
            printf("write data to server fail\n");
            return EXIT_FAILURE;
        }
        // 读取服务器响应
        num = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer),0);
        if (num < 0 )
        {
        
            printf("read data from client fail\n");
            return EXIT_FAILURE;
        }
        printf("Server response: %s\n", buffer);
    
        // 关闭连接
        close(sockfd);
        return 0;
    }

### 测试结果 ###

编译和运行服务端：![在这里插入图片描述][bc8f059a59be427b9c7d6669890e5164.png]  
编译和运行客户端：  
![在这里插入图片描述][fc1fb784bdd04aee8e12ec9c7b4ae81b.png]

[a9ac816e38544a6787893e91b4a7065b.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/05/24/4c1f9b5fc0024000a161e3a8dc05c55c.png
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[bc8f059a59be427b9c7d6669890e5164.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/05/24/1d69eea7b47541d0ae752b2e159c5807.png
[fc1fb784bdd04aee8e12ec9c7b4ae81b.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/05/24/9384762f4b754cbdb30045af446e895e.png