[C高手编程] Socket编程、套接字选项与多路复用：深入探索网络通信

2024-11-03 11:00:52

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概述

本章将详细介绍C语言中的socket编程，包括socket的创建、配置、连接和数据传输等关键概念。通过本章的学习，读者将能够掌握socket编程的基础知识，并能够在实际项目中应用这些知识构建可靠的网络应用程序。

1. Socket编程基础

1.1 Socket定义

定义：Socket（套接字）是用于网络通信的一种抽象接口，它允许一个进程与另一个进程进行通信，无论这两个进程是否在同一台机器上。

1.2 Socket地址结构

地址结构：不同的地址族（如AF_INET和AF_INET6）使用不同的地址结构。
- struct sockaddr_in：IPv4地址结构。
- struct sockaddr_in6：IPv6地址结构。

1.3 Socket类型

类型：SOCK_STREAM（流式套接字）、SOCK_DGRAM（数据报套接字）。

2. Socket创建与配置

2.1 创建Socket

2.1.1 `socket`函数

函数原型：int socket(int domain, int type, int protocol);
头文件：<sys/socket.h>
参数：
- domain：地址家族（AF_INET, AF_INET6等）。
- type：套接字类型（SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM等）。
- protocol：协议（通常为0，表示使用默认协议）。
返回值：成功返回一个整数（文件描述符），失败返回-1。
描述：此函数用于创建一个新的套接字。

2.2 配置Socket

2.2.1 `bind`函数

函数原型：int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
头文件：<sys/socket.h>
参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- addr：指向struct sockaddr的指针。
- addrlen：地址结构的长度。
返回值：成功返回0，失败返回-1。
描述：此函数用于将套接字与本地地址绑定。

2.3 监听连接

2.3.1 `listen`函数

函数原型：int listen(int sockfd, int backlog);
头文件：<sys/socket.h>
参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- backlog：监听队列的最大长度。
返回值：成功返回0，失败返回-1。
描述：此函数用于将套接字设置为监听模式。

3. 客户端连接

3.1 连接服务器

3.1.1 `connect`函数

函数原型：int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
头文件：<sys/socket.h>
参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- addr：指向struct sockaddr的指针。
- addrlen：地址结构的长度。
返回值：成功返回0，失败返回-1。
描述：此函数用于建立与服务器的连接。

4. 接收客户端连接

4.1 接受连接

4.1.1 `accept`函数

函数原型：int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
头文件：<sys/socket.h>
参数：
- sockfd：监听套接字文件描述符。
- addr：指向struct sockaddr的指针。
- addrlen：地址结构的长度。
返回值：成功返回新的套接字文件描述符，失败返回-1。
描述：此函数用于接受客户端的连接请求。

5. 数据传输

5.1 发送数据

5.1.1 `send`函数

函数原型：ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
头文件：<sys/socket.h>
参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- buf：指向要发送的数据的指针。
- len：要发送的数据长度。
- flags：标志位。
返回值：成功返回发送的字节数，失败返回-1。
描述：此函数用于发送数据。

5.2 接收数据

5.2.1 `recv`函数

函数原型：ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
头文件：<sys/socket.h>
参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- buf：指向接收数据的指针。
- len：接收数据的最大长度。
- flags：标志位。
返回值：成功返回接收的字节数，失败返回-1。
描述：此函数用于接收数据。

6. 完整示例：服务器端

下面是一个完整的服务器端示例，该示例展示了如何使用上述函数来创建一个简单的TCP服务器，它监听一个端口并处理来自客户端的连接请求。

#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 100

int main() {
    // 创建socket
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("Socket creation failed");
        return 1;
    }

    // 配置socket
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("Bind failed");
        return 1;
    }

    // 开始监听
    if (listen(sockfd, 5) == -1) {
        perror("Listen failed");
        return 1;
    }

    printf("Server listening on port %d\n", PORT);

    while (1) {
        // 接受连接
        socklen_t client_len = sizeof(struct sockaddr_in);
        int client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, &client_len);
        if (client_fd == -1) {
            perror("Accept failed");
            continue;
        }

        // 接收数据
        char buffer[BUFFER_SIZE];
        ssize_t bytes_received = recv(client_fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
        if (bytes_received == -1) {
            perror("Receive failed");
            continue;
        }
        buffer[bytes_received] = '\0'; // Null-terminate the string
        printf("Received from %s:%d: %s\n",
               inet_ntoa(server_addr.sin_addr), ntohs(server_addr.sin_port), buffer);

        // 发送响应
        const char *response = "Hello, client!";
        ssize_t bytes_sent = send(client_fd, response, strlen(response), 0);
        if (bytes_sent == -1) {
            perror("Send failed");
            continue;
        }
        printf("Sent %zd bytes\n", bytes_sent);

        // 关闭连接
        close(client_fd);
    }

    // 关闭socket
    close(sockfd);
    return 0;
}

7. 完整示例：客户端端

接下来是一个客户端示例，它展示了如何使用上述函数来创建一个简单的TCP客户端，该客户端连接到服务器并发送消息。

#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define SERVER_PORT 8080
#define BUFFER_SIZE 100

int main() {
    // 创建socket
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("Socket creation failed");
        return 1;
    }

    // 配置server address
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);

    // 连接服务器
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("Connect failed");
        return 1;
    }

    // 发送数据
    const char *message = "Hello, server!";
    ssize_t bytes_sent = send(sockfd, message, strlen(message), 0);
    if (bytes_sent == -1) {
        perror("Send failed");
        return 1;
    }
    printf("Sent %zd bytes\n", bytes_sent);

    // 接收数据
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    ssize_t bytes_received = recv(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0);
    if (bytes_received == -1) {
        perror("Receive failed");
        return 1;
    }
    buffer[bytes_received] = '\0'; // Null-terminate the string
    printf("Received %zd bytes: %s\n", bytes_received, buffer);

    // 关闭socket
    close(sockfd);
    return 0;
}

8. 套接字选项

8.1 设置套接字选项

8.1.1 `setsockopt`函数

函数原型：int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
头文件：<sys/socket.h>
参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- level：选项级别。
- optname：选项名称。
- optval：指向选项值的指针。
- optlen：选项值的长度。
返回值：成功返回0，失败返回-1。
描述：此函数用于设置套接字选项。

8.2 获取套接字选项

8.2.1 `getsockopt`函数

函数原型：int getsockopt(int sockfd, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);
头文件：<sys/socket.h>
参数：
- sockfd：套接字文件描述符。
- level：选项级别。
- optname：选项名称。
- optval：指向选项值的指针。
- optlen：选项值的长度。
返回值：成功返回0，失败返回-1。
描述：此函数用于获取套接字选项。

8.3 常见套接字选项

SO_REUSEADDR：允许重新绑定到仍在TIME_WAIT状态的地址。
SO_KEEPALIVE：保持连接活动状态。
SO_LINGER：控制关闭套接字时的行为。
SO_RCVBUF 和 SO_SNDBUF：设置接收和发送缓冲区大小。

8.3.1 示例

#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("Socket creation failed");
        return 1;
    }

    int optval = 1;
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval)) == -1) {
        perror("Setsockopt failed");
        return 1;
    }

    return 0;
}

9. 多路复用

9.1 使用`select`函数

9.1.1 `select`函数

函数原型：int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
头文件：<sys/select.h>
参数：
- nfds：文件描述符的最大值加1。
- readfds：读事件的文件描述符集合。
- writefds：写事件的文件描述符集合。
- exceptfds：异常事件的文件描述符集合。
- timeout：超时时间。
返回值：成功返回就绪的文件描述符数量，超时返回0，失败返回-1。
描述：此函数用于监控多个文件描述符的就绪状态，包括读、写和异常事件。

9.2 使用`poll`函数

9.2.1 `poll`函数

函数原型：int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
头文件：<sys/poll.h>
参数：
- fds：文件描述符集合。
- nfds：文件描述符的数量。
- timeout：超时时间。
返回值：成功返回就绪的文件描述符数量，超时返回0，失败返回-1。
描述：此函数用于监控多个文件描述符的就绪状态，与select类似但更为高效。

9.3 使用`epoll`函数

9.3.1 `epoll_create`函数

函数原型：int epoll_create(int size);
头文件：<sys/epoll.h>
参数：
- size：初始事件表的大小。
返回值：成功返回一个整数（文件描述符），失败返回-1。
描述：此函数用于创建一个epoll实例。

9.3.2 `epoll_ctl`函数

函数原型：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
头文件：<sys/epoll.h>
参数：
- epfd：epoll文件描述符。
- op：操作类型（EPOLL_CTL_ADD, EPOLL_CTL_MOD, EPOLL_CTL_DEL）。
- fd：文件描述符。
- event：指向struct epoll_event的指针。
返回值：成功返回0，失败返回-1。
描述：此函数用于添加、修改或删除监控的文件描述符。

9.3.3 `epoll_wait`函数

函数原型：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
头文件：<sys/epoll.h>
参数：
- epfd：epoll文件描述符。
- events：事件数组。
- maxevents：数组的最大大小。
- timeout：超时时间。
返回值：成功返回就绪的文件描述符数量，超时返回0，失败返回-1。
描述：此函数用于等待文件描述符就绪。

9.3.4 示例

#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#define MAX_EVENTS 10
#define MAX_FDS 10

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("Socket creation failed");
        return 1;
    }

    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("Bind failed");
        return 1;
    }

    if (listen(sockfd, 5) == -1) {
        perror("Listen failed");
        return 1;
    }

    int epoll_fd = epoll_create(MAX_FDS);
    if (epoll_fd == -1) {
        perror("Epoll create failed");
        return 1;
    }

    struct epoll_event ev;
    ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    ev.data.fd = sockfd;
    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev) == -1) {
        perror("Epoll add failed");
        return 1;
    }

    while (1) {
        struct epoll_event events[MAX_EVENTS];
        int num_events = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1);
        if (num_events == -1) {
            perror("Epoll wait failed");
            break;
        }

        for (int i = 0; i < num_events; i++) {
            if (events[i].data.fd == sockfd) {
                // 接受连接
                socklen_t client_len = sizeof(struct sockaddr_in);
                int client_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, &client_len);
                if (client_fd == -1) {
                    perror("Accept failed");
                    continue;
                }

                // 添加客户端到epoll
                ev.data.fd = client_fd;
                ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
                if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, client_fd, &ev) == -1) {
                    perror("Epoll add failed");
                    close(client_fd);
                    continue;
                }
            } else {
                // 接收数据
                char buffer[100];
                ssize_t bytes_received = recv(events[i].data.fd, buffer, sizeof(buffer), 0);
                if (bytes_received == -1) {
                    perror("Receive failed");
                    close(events[i].data.fd);
                    continue;
                }
                buffer[bytes_received] = '\0'; // Null-terminate the string
                printf("Received %zd bytes: %s\n", bytes_received, buffer);
            }
        }
    }

    close(sockfd);
    close(epoll_fd);
    return 0;
}

10. 结论

本章详细介绍了C语言中的socket编程，涵盖了socket的创建、配置、连接、数据传输、套接字选项设置以及多路复用等多个方面。通过本章的学习，读者可以掌握socket编程的核心概念和技术，并能够在实际开发中构建可靠的网络应用程序。

Socket创建与配置：
- 使用socket函数创建套接字。
- 使用bind函数绑定套接字到特定地址。
- 使用listen函数使套接字进入监听状态。
客户端连接与接收：
- 使用connect函数建立客户端与服务器之间的连接。
- 使用accept函数接收客户端连接请求。
数据传输：
- 使用send函数从服务器发送数据给客户端。
- 使用recv函数从客户端接收数据。
套接字选项：
- 使用setsockopt函数设置套接字选项以优化网络通信。
- 使用getsockopt函数获取套接字选项的状态。
多路复用：
- 使用select函数实现非阻塞式的I/O多路复用，提高程序效率。
- select函数监控多个文件描述符的就绪状态，包括读、写和异常事件。

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