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[Linux] 再谈 Linux Socket 编程技术（代码示例）

news 来源：原创 2025/5/25 12:06:25

再谈 Linux Socket 编程技术

文章目录

  • 再谈 Linux Socket 编程技术
        • 1. 简介
          • Socket 编程的基本概念
          • 网络通信模型（TCP/IP、UDP）
          • Socket 在 Linux 中的角色
        • 2. Socket 类型与协议
        • 3. 基本 Socket 函数
        • 4. TCP Socket 编程示例
        • 5. UDP Socket 编程示例
        • 6. 高级 Socket 编程技术
          • 多路复用（`select()`、`poll()`、`epoll()`）
          • 非阻塞 Socket（`fcntl()`）
          • Socket 超时设置
          • 综合实例（高并发 Echo 服务器）
        • 8. 实际应用案例
          • 简单的 HTTP Server
          • 实时聊天程序
        • 9. 总结
          • 文章知识结构
          • Socket 编程的核心要点
          • 进一步学习资源推荐

1. 简介
Socket 编程的基本概念

Socket 编程是指利用操作系统提供的套接字（Socket）接口，实现网络通信的编程方法。Socket 可以看作是两个网络应用程序之间进行双向通信的端点，类似于现实生活中的电话插座。它封装了底层网络协议的复杂性，为开发者提供了简单易用的接口，使得不同主机上的进程能够通过网络交换数据。

在 Socket 编程中，通信的两端通常分为客户端（Client）和服务器端（Server）。客户端主动发起连接请求，而服务器端被动监听并接受连接。Socket 支持多种协议，包括可靠的面向连接的 TCP（传输控制协议）和不可靠的无连接 UDP（用户数据报协议）。

网络通信模型（TCP/IP、UDP）

  1. TCP/IP 通信模型

    • TCP（Transmission Control Protocol）：是一种面向连接的、可靠的传输协议。它通过三次握手建立连接，确保数据按序传输，并提供错误检测和重传机制。适用于需要高可靠性的应用，如网页浏览（HTTP）、文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）等。
    • IP（Internet Protocol）：负责数据包的路由和寻址，确保数据能够从源主机传输到目标主机。

  2. UDP 通信模型

    • UDP（User Datagram Protocol）：是一种无连接的、不可靠的传输协议。它不保证数据包的顺序或可靠性，但传输效率高，延迟低。适用于实时性要求高的应用，如视频流（RTP）、在线游戏、DNS 查询等。
Socket 在 Linux 中的角色

在 Linux 系统中，Socket 是内核提供的一种文件描述符（File Descriptor），开发者可以通过标准的文件 I/O 操作（如 read、write）来读写 Socket。Linux 提供了丰富的系统调用（System Calls）支持 Socket 编程，例如：

  • socket()：创建一个新的 Socket。
  • bind()：将 Socket 绑定到一个特定的 IP 地址和端口。
  • listen()：使服务器端 Socket 进入监听状态。
  • accept()：接受客户端的连接请求。
  • connect()：客户端发起连接请求。
  • send()/recv()：发送和接收数据。

Linux 的 Socket 接口遵循 POSIX 标准，具有良好的跨平台兼容性，使得基于 Socket 开发的网络程序能够在不同 UNIX/Linux 系统上运行。此外，Linux 内核还支持多种 Socket 类型，如流式 Socket（SOCK_STREAM，对应 TCP）和数据报 Socket（SOCK_DGRAM，对应 UDP），以及原始 Socket（SOCK_RAW）用于直接访问底层协议。

Socket 编程是 Linux 网络应用程序开发的基础，广泛应用于 Web 服务器、数据库、即时通讯、分布式系统等领域。

2. Socket 类型与协议

  1. 流式 Socket (SOCK_STREAM，TCP)

    • 提供面向连接的、可靠的字节流传输服务
    • 保证数据按顺序到达且无重复
    • 典型应用场景：
      • Web 浏览 (HTTP/HTTPS)
      • 文件传输 (FTP)
      • 电子邮件 (SMTP/POP3)
    • 建立连接需要三次握手，断开需要四次挥手
    • TCP 头部包含序列号、确认号等控制字段

  2. 数据报 Socket (SOCK_DGRAM，UDP)

    • 提供无连接的、不可靠的数据报传输服务
    • 不保证数据顺序和可靠性，但传输效率高
    • 典型应用场景：
      • 实时音视频传输
      • DNS 查询
      • 在线游戏
    • 每个数据包独立路由，头部仅包含源/目标端口和长度

  3. 原始 Socket (SOCK_RAW)

    • 允许直接访问底层协议（如IP/ICMP）
    • 可以自定义协议头部字段
    • 典型用途：
      • 网络嗅探工具开发
      • 自定义协议实现
      • 网络安全测试
    • 需要管理员权限才能创建
    • 可以接收所有经过网卡的数据包（包括异常包）

注：选择 Socket 类型时应根据应用场景的需求权衡可靠性（TCP）与实时性（UDP）

3. 基本 Socket 函数

以下是网络编程中常用的基本 Socket 函数及其详细说明：

  1. socket()：创建 Socket

    • 功能：创建一个新的 Socket 描述符，指定通信域（如 IPv4/IPv6）、Socket 类型（如流式 TCP 或数据报 UDP）和协议（通常为 0，表示自动选择）。
    • 示例：
      int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建 TCP Socket

  2. bind()：绑定 IP 和端口

    • 功能：将 Socket 绑定到特定的 IP 地址和端口号，通常用于服务器端。
    • 示例：
      struct sockaddr_in serv_addr;
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定所有可用 IP
serv_addr.sin_port = htons(8080); // 绑定端口 8080
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

  3. listen()：监听连接（TCP）

    • 功能：将 Socket 设置为被动监听模式，等待客户端连接请求，仅适用于 TCP。
    • 参数：backlog 指定等待连接队列的最大长度。
    • 示例：
      listen(sockfd, 5); // 允许最多 5 个未处理的连接请求

  4. accept()：接受连接（TCP）

    • 功能：从监听队列中接受一个客户端连接请求，返回一个新的 Socket 描述符用于通信。
    • 示例：
      struct sockaddr_in cli_addr;
socklen_t clilen = sizeof(cli_addr);
int newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &clilen);

  5. connect()：发起连接（TCP/UDP）

    • 功能：客户端调用此函数向服务器发起连接（TCP）或直接发送数据（UDP）。
    • 示例（TCP）：
      struct sockaddr_in serv_addr;
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(8080);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr);
connect(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

  6. send()/recv()：数据收发（TCP）

    • 功能：在已建立的 TCP 连接上发送或接收数据。
    • 示例：
      char buffer[1024];
recv(newsockfd, buffer, sizeof(buffer), 0); // 接收数据
send(newsockfd, "Hello, client!", 14, 0); // 发送数据

  7. sendto()/recvfrom()：数据收发（UDP）

    • 功能：用于无连接的 UDP 通信，指定目标地址或获取来源地址。
    • 示例：
      struct sockaddr_in cli_addr;
char buffer[1024];
socklen_t len = sizeof(cli_addr);
recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&cli_addr, &len);
sendto(sockfd, "Reply", 6, 0, (struct sockaddr*)&cli_addr, len);

  8. close()：关闭 Socket

    • 功能：释放 Socket 资源，终止通信。
    • 示例：
      close(sockfd); // 关闭 Socket

这些函数是网络编程的基础，适用于构建客户端-服务器模型或点对点通信。

4. TCP Socket 编程示例

以下是一个完整的TCP服务器端实现示例，展示了基本的Socket编程流程，包括创建Socket、绑定端口、监听连接、收发数据等关键步骤：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>#define PORT 8080       // 定义服务器监听端口
#define BUFFER_SIZE 1024 // 定义缓冲区大小int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int addrlen = sizeof(address);char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};  // 初始化接收缓冲区char *response = "Hello from server"; // 定义服务器响应消息// 1. 创建Socket文件描述符// AF_INET表示IPv4协议，SOCK_STREAM表示TCP协议if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 配置服务器地址结构address.sin_family = AF_INET;         // 使用IPv4地址族address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听任意网卡地址address.sin_port = htons(PORT);       // 设置端口号(转换为网络字节序)// 3. 绑定Socket到指定IP和端口if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 4. 开始监听连接请求// 第二个参数3表示等待连接队列的最大长度if (listen(server_fd, 3) < 0) {perror("listen");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Server listening on port %d...\n", PORT);// 5. 接受客户端连接，创建新的Socket用于通信if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {perror("accept");exit(EXIT_FAILURE);}// 6. 读取客户端发送的数据int valread = read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE);printf("Received from client: %s\n", buffer);// 7. 向客户端发送响应数据send(new_socket, response, strlen(response), 0);printf("Response sent to client\n");// 8. 关闭Socket连接close(new_socket);close(server_fd);return 0;
}

应用场景说明：

  1. 这个示例可作为简单的TCP服务器基础框架
  2. 可用于开发网络聊天程序的基础通信模块
  3. 适用于需要实现基本请求-响应模型的网络服务
  4. 可作为学习网络编程的入门示例

扩展建议：

  1. 可以添加多线程处理以支持多个客户端连接
  2. 可以增加错误处理的健壮性
  3. 可以扩展为支持HTTP协议的简单Web服务器
  4. 可以添加日志记录功能

注意事项：

  1. 需要root权限才能绑定1024以下的端口
  2. 实际应用中应考虑设置SO_REUSEADDR选项
  3. 网络字节序转换(htons)是必须的
  4. 生产环境需要更完善的错误处理机制
5. UDP Socket 编程示例

UDP (User Datagram Protocol) 是一种无连接的传输协议，适用于对实时性要求高但允许少量丢包的应用场景，如视频会议、在线游戏等。下面是一个完整的UDP服务器实现示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>#define BUFFER_SIZE 1024
#define SERVER_PORT 8080int main() {int sockfd;struct sockaddr_in server_addr, client_addr;char buffer[BUFFER_SIZE];char *response_message = "Hello from UDP server";// 1. 创建Socket// AF_INET表示IPv4协议族// SOCK_DGRAM指定使用数据报套接字(UDP)// 0表示使用默认协议if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {perror("Socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 配置服务器地址结构memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;  // IPv4server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 监听所有网卡server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);  // 设置端口号，htons确保网络字节序// 3. 绑定Socket到指定端口if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {perror("Bind failed");close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("UDP server is running on port %d...\n", SERVER_PORT);// 4. 接收客户端数据socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0,(struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);if (recv_len < 0) {perror("Receive failed");} else {buffer[recv_len] = '\0';  // 确保字符串以null结尾printf("Received %zd bytes from %s:%d\n", recv_len,inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));printf("Message: %s\n", buffer);}// 5. 发送响应数据if (sendto(sockfd, response_message, strlen(response_message), 0,(struct sockaddr *)&client_addr, client_addr_len) < 0) {perror("Send failed");}// 6. 关闭Socketclose(sockfd);return 0;
}

应用场景说明：

  1. 实时音视频传输：UDP的低延迟特性使其适合视频会议应用
  2. DNS查询：DNS协议通常使用UDP进行域名解析
  3. 在线游戏：多数网络游戏使用UDP传输玩家位置等实时数据

使用注意事项：

  1. UDP不保证数据包的顺序和可靠性
  2. 单个UDP数据包最大长度通常为65507字节(IPv4)
  3. 需要应用层自己实现超时重传等可靠性机制
  4. 可以使用setsockopt()设置接收缓冲区大小

该示例展示了UDP服务器端的基本工作流程：创建socket->绑定地址->接收数据->发送响应->关闭socket。客户端实现类似，只是不需要bind操作。

6. 高级 Socket 编程技术
多路复用（select()、poll()、epoll()）

多路复用技术允许单个线程同时监控多个 Socket 文件描述符，提高网络程序的并发性能。

  • select()：通过轮询方式检查多个文件描述符的状态，支持跨平台但有 1024 个描述符的限制。

    fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(sockfd, &read_fds);
select(sockfd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);

  • poll()：改进 select() 的限制，使用链表结构存储文件描述符，但效率仍依赖轮询。

    struct pollfd fds[1];
fds[0].fd = sockfd;
fds[0].events = POLLIN;
poll(fds, 1, timeout_ms);

  • epoll()（Linux 特有）：基于事件驱动的回调机制，适用于高并发场景。

    int epfd = epoll_create1(0);
struct epoll_event ev;
ev.events = EPOLLIN;
ev.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);
epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, timeout);
非阻塞 Socket（fcntl()）

通过设置 Socket 为非阻塞模式，可以避免 accept()、recv() 等操作阻塞线程。

int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
  • 应用场景：适用于需要异步处理连接或数据的程序，如游戏服务器、实时通信系统。
Socket 超时设置

可通过 setsockopt() 设置 Socket 操作的超时时间，防止长时间阻塞。

struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 5;  // 5秒超时
timeout.tv_usec = 0;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, sizeof(timeout));
综合实例（高并发 Echo 服务器）

以下是一个结合 epoll() 和非阻塞 Socket 实现的 Echo 服务器框架：

// 初始化 epoll
int epfd = epoll_create1(0);
struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];// 设置监听 Socket 为非阻塞
fcntl(listen_fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;  // 边缘触发模式
ev.data.fd = listen_fd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, listen_fd, &ev);while (1) {int nfds = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);for (int i = 0; i < nfds; i++) {if (events[i].data.fd == listen_fd) {// 处理新连接int conn_fd = accept(listen_fd, ...);fcntl(conn_fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;ev.data.fd = conn_fd;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_fd, &ev);} else {// 处理客户端数据char buffer[1024];ssize_t n = recv(events[i].data.fd, buffer, sizeof(buffer), 0);if (n > 0) {send(events[i].data.fd, buffer, n, 0);} else {close(events[i].data.fd);}}}
}
  • 适用场景：适用于需要高并发、低延迟的网络服务，如即时聊天、在线游戏服务器等。
8. 实际应用案例
简单的 HTTP Server

使用 Node.js 内置的 http 模块可以快速搭建一个基础的 HTTP 服务器。以下是一个完整的示例代码：

const http = require('http');const server = http.createServer((req, res) => {res.writeHead(200, { 'Content-Type': 'text/plain' });res.end('Hello, Node.js HTTP Server!\n');
});server.listen(3000, () => {console.log('Server running at http://localhost:3000/');
});

功能说明：

  1. http.createServer 创建一个服务器实例，接收请求并返回响应。
  2. res.writeHead 设置 HTTP 响应状态码和头部信息。
  3. res.end 发送响应内容并结束请求。
  4. server.listen 启动服务器，监听 3000 端口。

应用场景：

  • 快速测试 API 接口
  • 本地开发环境模拟后端服务
  • 学习 HTTP 协议和请求/响应机制
实时聊天程序

使用 Node.js 结合 socket.io 库可以轻松实现一个实时聊天应用。以下是关键实现步骤：

  1. 安装依赖

    npm install socket.io express

  2. 服务端代码

    const express = require('express');
const socketIO = require('socket.io');const app = express();
const server = app.listen(3000, () => {console.log('Chat server running on port 3000');
});const io = socketIO(server);io.on('connection', (socket) => {console.log('New user connected');socket.on('chat message', (msg) => {io.emit('chat message', msg); // 广播消息给所有客户端});socket.on('disconnect', () => {console.log('User disconnected');});
});

  3. 客户端代码（HTML + JavaScript）

    <script src="/socket.io/socket.io.js"></script>
<script>const socket = io();socket.on('chat message', (msg) => {// 接收并显示消息const messages = document.getElementById('messages');messages.innerHTML += `<li>${msg}</li>`;});// 发送消息document.getElementById('send').addEventListener('click', () => {const message = document.getElementById('message').value;socket.emit('chat message', message);});
</script>

核心功能：

  • 基于 WebSocket 实现双向实时通信
  • socket.emit 发送消息，socket.on 监听事件
  • 自动处理连接/断开事件

应用场景：

  • 在线客服系统
  • 多人在线游戏聊天
  • 协同办公工具的实时通知
9. 总结
文章知识结构

在这里插入图片描述

Socket 编程的核心要点

  1. 基本概念

    • Socket 本质：Socket 是网络通信的端点，用于实现不同主机或同一主机上不同进程间的数据传输。
    • 通信模型：常见的通信模型包括 TCP（面向连接、可靠传输）和 UDP（无连接、不可靠但高效）。
    • IP 地址与端口：Socket 通信依赖 IP 地址标识主机，端口号标识具体服务（如 HTTP 默认端口 80）。

  2. 核心步骤（以 TCP 为例）

    • 服务端流程：
      1. 创建 Socket（socket()）。
      2. 绑定 IP 和端口（bind()）。
      3. 监听连接请求（listen()）。
      4. 接受客户端连接（accept()）。
      5. 收发数据（send()/recv()）。
      6. 关闭连接（close()）。
    • 客户端流程：
      1. 创建 Socket。
      2. 连接服务端（connect()）。
      3. 收发数据。
      4. 关闭连接。

  3. 关键问题与优化

    • 粘包处理：TCP 是字节流协议，需自定义协议（如固定长度头或分隔符）解决粘包问题。
    • 并发模型：多线程/多进程（如 fork()）、IO 多路复用（如 select()/epoll）可提升服务端并发能力。
    • 错误处理：需捕获 ECONNRESET（连接重置）等异常，确保程序健壮性。
进一步学习资源推荐
  1. 书籍
    • 《UNIX 网络编程》（W. Richard Stevens）：经典教材，涵盖 Socket 编程深度实践。
    • 《TCP/IP 详解 卷1：协议》（W. Richard Stevens）：深入理解底层协议栈。
  2. 在线资源
    • Beej’s Guide to Network Programming：免费、易懂的 Socket 编程教程（中英文版均有）。
    • Linux man 手册：命令行输入 man socket 查看系统调用文档。
  3. 实践方向
    • 实现简易聊天程序（TCP/UDP 双版本）。
    • 结合 HTTP 协议实现微型 Web 服务器（如解析 GET 请求返回文件）。
    • 学习开源项目（如 Nginx、Redis）的网络模块设计。

（注：示例代码与工具推荐可根据读者基础选择性补充。）

研究学习不易，点赞易。
工作生活不易，收藏易，点收藏不迷茫 ：）

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