【探索Linux】—— 强大的命令行工具 P.26（网络编程套接字基本概念—— socket编程接口

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引言

本文将深入探讨使用套接字进行网络通信的基本步骤，包括创建套接字、绑定地址、监听连接（对于服务器端）、连接远程主机（对于客户端）、以及发送和接收数据等操作。套接字编程涉及一系列系统调用和函数，如 socket()、bind()、listen()、connect()、send()、recv() 等。开发人员可以利用这些接口实现各种网络应用。通过本文，读者将了解如何使用套接字进行网络通信，并掌握关键步骤和函数调用，为构建网络应用打下坚实基础。

一、socket 常见API表

函数	描述
socket()	创建一个新的套接字
bind()	将套接字绑定到特定的IP地址和端口号上
listen()	将套接字标记为被动套接字，用于监听连接请求
accept()	接受客户端的连接请求，并返回一个新的套接字用于通信
connect()	建立与服务器端的连接
send()	发送数据
recv()	接收数据
sendto()	用于UDP协议中发送数据
recvfrom()	用于UDP协议中接收数据
close()	关闭套接字连接
select()	多路复用，同时监视多个套接字的状态
getaddrinfo()	主机名和服务名之间的转换
setsockopt()	设置套接字选项
getsockopt()	获取套接字选项的值
inet_pton()	IP地址的转换
inet_ntop()	IP地址的转换
htons()	主机字节序和网络字节序之间的转换(16位整数)
ntohs()	主机字节序和网络字节序之间的转换(16位整数)
htonl()	主机字节序和网络字节序之间的转换(32位整数)
ntohl()	主机字节序和网络字节序之间的转换(32位整数)

二、函数详细介绍

01. socket()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：int socket(int domain, int type, int protocol);
参数类型：
- domain：协议族（如AF_INET、AF_INET6等）
- type：套接字类型（如SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM等）
- protocol：具体使用的协议（如IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP等）

应用示例：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

02. bind()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数类型：
- sockfd：套接字描述符
- addr：指向要绑定的地址结构的指针
- addrlen：地址结构的长度

应用示例：

struct sockaddr_in server_address;
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_port = htons(12345);
server_address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address));

03. listen()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：int listen(int sockfd, int backlog);
参数类型：
- sockfd：套接字描述符
- backlog：未完成连接队列的最大长度
应用示例：
```
listen(sockfd, 5);
```

04. accept()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
参数类型：
- sockfd：套接字描述符
- addr：指向结构体的指针，用于存储客户端地址信息
- addrlen：地址结构的长度

应用示例：

int client_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_address, &addr_len);

05. connect()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数类型：
- sockfd：套接字描述符
- addr：指向要连接的目标地址结构的指针
- addrlen：地址结构的长度

应用示例：

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

06. send()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
参数类型：
- sockfd：套接字描述符
- buf：指向待发送数据的指针
- len：待发送数据的长度
- flags：传输控制标志

应用示例：

char *message = "Hello, server!";
send(sockfd, message, strlen(message), 0);

07. recv()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
参数类型：
- sockfd：套接字描述符
- buf：指向存储接收数据的缓冲区
- len：接收数据的最大长度
- flags：接收操作的附加选项

应用示例：

char buffer[1024];
ssize_t bytes_received = recv(sockfd, buffer, 1024, 0);

08. close()

头文件：#include <unistd.h>
函数原型：int close(int sockfd);
参数类型：
- sockfd：要关闭的套接字描述符
应用示例：
```
close(sockfd);
```

09. select()

头文件：#include <sys/select.h>
函数原型：int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
参数类型：
- nfds：所有文件描述符的范围（最大文件描述符+1）
- readfds：可读文件描述符集合
- writefds：可写文件描述符集合
- exceptfds：异常文件描述符集合
- timeout：超时时间

应用示例：

fd_set readfds;
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(sockfd, &readfds);
int activity = select(sockfd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);

10. getaddrinfo()

头文件：#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
函数原型：int getaddrinfo(const char *node, const char *service, const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **res);
参数类型：
- node：主机名或IP地址字符串
- service：服务名或端口号字符串
- hints：指向地址信息结构的指针，用于设置期望的返回结果
- res：指向存储结果的链表的指针

应用示例：

struct addrinfo hints, *res;
memset(&hints, 0, sizeof(hints));
hints.ai_family = AF_UNSPEC;
hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;
getaddrinfo("www.example.com", "http", &hints, &res);

11. sendto()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
参数类型：
- sockfd：套接字描述符
- buf：指向待发送数据的指针
- len：待发送数据的长度
- flags：传输控制标志
- dest_addr：目标地址结构
- addrlen：目标地址结构的长度

应用示例：

char *message = "Hello, server!";
sendto(sockfd, message, strlen(message), 0, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address));

12. recvfrom()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
参数类型：
- sockfd：套接字描述符
- buf：指向存储接收数据的缓冲区
- len：接收数据的最大长度
- flags：接收操作的附加选项
- src_addr：发送方地址结构
- addrlen：发送方地址结构的长度

应用示例：

char buffer[1024];
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t addr_len = sizeof(client_address);
ssize_t bytes_received = recvfrom(sockfd, buffer, 1024, 0, (struct sockaddr *)&client_address, &addr_len);

13. setsockopt()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
参数类型：
- sockfd：套接字描述符
- level：选项所在的协议层
- optname：选项名
- optval：指向设置选项值的指针
- optlen：选项值的长度

应用示例：

int reuse = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

14. getsockopt()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：int getsockopt(int sockfd, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);
参数类型：
- sockfd：套接字描述符
- level：选项所在的协议层
- optname：选项名
- optval：指向存储选项值的缓冲区
- optlen：输入时为缓冲区大小，输出时为实际选项值的长度

应用示例：

int buffer_size;
socklen_t optlen = sizeof(buffer_size);
getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &buffer_size, &optlen);

15. shutdown()

头文件：#include <sys/socket.h>
函数原型：int shutdown(int sockfd, int how);
参数类型：
- sockfd：套接字描述符
- how：关闭连接的方式，常用的取值为：
  - SHUT_RD：关闭读端
  - SHUT_WR：关闭写端
  - SHUT_RDWR：同时关闭读写端
应用示例：
```
shutdown(sockfd, SHUT_RDWR);
```

16. inet_pton()

头文件：#include <arpa/inet.h>
函数原型：int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
参数类型：
- af：地址族，如AF_INET（IPv4）或AF_INET6（IPv6）
- src：待转换的点分十进制字符串形式的地址
- dst：存储转换后的二进制格式地址的缓冲区

应用示例：

struct sockaddr_in server_address;
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &(server_address.sin_addr));

17. htons() / htonl() / ntohs() / ntohl()

这些函数用于主机字节序和网络字节序之间的转换，分别用于16位和32位整数的主机到网络字节序以及网络到主机字节序的转换。

头文件：#include <arpa/inet.h>
函数原型：
- uint16_t htons(uint16_t hostshort);
- uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
- uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
- uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

这些函数在实际网络编程中经常用于端口号和IP地址等数据的转换。

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