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C++网络编程 2.TCP套接字（socket）编程详解

news 2025/7/18 6:06:13

TCP套接字编程详解：从API到实战细节

一、TCP通信整体流程

TCP是面向连接的可靠传输协议，其通信流程需严格遵循“服务器绑定监听→客户端连接→数据交互→断开连接”的步骤。以下是服务器和客户端的核心流程对比：

角色核心流程（常用API）
服务器创建套接字 socket() → 绑定地址端口 bind() → 监听连接 listen() → 接受连接 accept() → 数据交互 read()/write() → 关闭连接 close()
客户端创建套接字 socket() → 连接服务器 connect() → 数据交互 read()/write() → 关闭连接 close()

二、核心API详解（Linux环境）

1. 创建套接字：socket()

功能：创建一个网络套接字（文件描述符），用于后续网络通信。

#include <sys/socket.h>  
int socket(int domain, int type, int protocol);
参数说明：
  • domain（协议族）：指定网络协议类型
    • AF_INET：IPv4协议（最常用）；AF_INET6：IPv6协议；AF_UNIX：本地套接字（进程间通信）。
  • type（套接字类型）：指定传输方式
    • SOCK_STREAM：流式套接字（对应TCP协议，可靠连接）；
    • SOCK_DGRAM：数据报套接字（对应UDP协议，无连接）。
  • protocol（协议）：一般填 0，表示使用 type 对应的默认协议（TCP用 IPPROTO_TCP，UDP用 IPPROTO_UDP，但通常省略）。
示例：创建TCP套接字
int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  
if (server_fd == -1) {  perror("socket创建失败");  exit(1);  
}

2. 绑定地址和端口：bind()

功能：将套接字与本地IP地址和端口号绑定（服务器必须绑定，客户端通常由系统自动分配端口）。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数说明：
  • sockfd：socket() 返回的套接字描述符。
  • addr：指向地址结构体的指针（需填充IP、端口等信息）。
    • IPv4使用 struct sockaddr_in（需强制转换为 sockaddr*）：
    struct sockaddr_in serv_addr;  
serv_addr.sin_family = AF_INET;                  // 协议族（IPv4）  
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   // 绑定所有本地IP（INADDR_ANY）  
serv_addr.sin_port = htons(8080);                // 端口号（需转换为网络字节序）
  • addrlen：地址结构体的大小（sizeof(struct sockaddr_in)）。
关键细节：
  • INADDR_ANY：表示绑定本地所有网络接口的IP（如服务器有多个网卡时，可接收任意网卡的连接）。
  • 端口号范围：0~65535，其中 0~1023 是知名端口（如HTTP 80），建议使用 1024~65535 避免冲突。

3. 监听连接：listen()

功能：将套接字设置为监听状态，允许接收客户端连接请求。

int listen(int sockfd, int backlog);
参数说明：
  • sockfd：已绑定的套接字描述符（监听套接字）。
  • backlog：未完成连接队列的最大长度（处于 SYN_RCVD 状态的连接数），超过则新连接被拒绝（Linux通常建议设为 5~10，具体受系统限制）。
注意：

listen() 仅标记套接字为监听状态，不主动接收连接，需配合 accept() 使用。

4. 接受连接：accept()

功能：从监听队列中取出一个已完成的连接请求，返回一个新的套接字描述符（用于与该客户端通信）。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
参数说明：
  • sockfd：监听套接字描述符（listen() 后的套接字）。
  • addr：输出参数，存储客户端的IP和端口信息（需提前分配空间）。
  • addrlen：输入输出参数，传入 addr 大小，返回实际存储的地址长度。
核心特性：
  • 阻塞性：若没有客户端连接，accept() 会一直阻塞等待。
  • 新套接字：返回的新描述符是“通信套接字”，用于与客户端收发数据；原监听套接字仍继续监听新连接。

5. 客户端连接：connect()

功能：客户端向服务器发起连接请求，完成TCP三次握手。

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数说明：
  • sockfd：客户端创建的套接字描述符。
  • addr：服务器的地址信息（需填充服务器IP和端口，端口和IP需转换为网络字节序）。
  • addrlen：服务器地址结构体的大小。
示例：客户端连接服务器
struct sockaddr_in serv_addr;  
serv_addr.sin_family = AF_INET;  
serv_addr.sin_port = htons(8080);  
// 将点分十进制IP转换为网络字节序二进制  
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr);  // 发起连接  
if (connect(client_fd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1) {  perror("连接失败");  exit(1);  
}

6. 数据交互：send()/recv() 与 read()/write()

TCP通信中，数据通过套接字的读写缓冲区传输，常用函数如下：

函数原型功能
send()ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);发送数据到套接字缓冲区
recv()ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);从套接字缓冲区接收数据
write()ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);等同于 send(flags=0)
read()ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);等同于 recv(flags=0)
参数说明：
  • sockfd/fd：通信套接字描述符（accept() 或 connect() 返回的描述符）。
  • buf：数据缓冲区（发送时存数据，接收时存结果）。
  • len/count：数据长度（字节）。
  • flags：传输标志（通常为 0，表示默认行为）。
核心特性：
  • 阻塞性：若缓冲区满（发送）或空（接收），函数会阻塞等待。
  • 返回值：成功返回实际传输的字节数；0 表示连接关闭；-1 表示出错。

7. 关闭连接：close()

功能：关闭套接字，释放资源，触发TCP四次挥手。

int close(int fd);
  • 服务器需关闭 通信套接字（与客户端的连接）和 监听套接字（停止接收新连接）。
  • 客户端关闭套接字后，会向服务器发送 FIN 包，终止连接。

三、核心基础概念

1. 网络字节序

不同计算机的字节存储顺序（大端/小端）不同，TCP协议规定网络中必须使用 大端字节序（高位字节存低地址），需通过转换函数统一格式：

函数功能适用场景
htons()主机字节序 → 网络字节序（16位）端口号转换（short）
htonl()主机字节序 → 网络字节序（32位）IP地址转换（int）
ntohs()网络字节序 → 主机字节序（16位）解析端口号
ntohl()网络字节序 → 主机字节序（32位）解析IP地址
示例：端口和IP转换
uint16_t port = 8080;  
uint16_t net_port = htons(port);  // 主机→网络（端口）  uint32_t ip = inet_addr("192.168.1.1");  // 点分十进制→网络字节序（IPv4）

2. IP地址格式转换

IP地址在代码中需在“点分十进制字符串”和“二进制整数”间转换，常用函数：

函数功能适用协议
inet_addr()点分十进制字符串 → 网络字节序整数IPv4（过时）
inet_ntoa()网络字节序整数 → 点分十进制字符串IPv4（非线程安全）
inet_pton()字符串 → 二进制（支持IPv4/IPv6）现代推荐
inet_ntop()二进制 → 字符串（支持IPv4/IPv6）现代推荐
现代用法示例：
// 字符串→二进制（IPv4）  
struct in_addr ip_bin;  
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &ip_bin);  // 二进制→字符串（IPv4）  
char ip_str[INET_ADDRSTRLEN];  
inet_ntop(AF_INET, &ip_bin, ip_str, INET_ADDRSTRLEN);  
printf("IP: %s\n", ip_str);  // 输出 "127.0.0.1"

3. 文件描述符与缓冲区

  • 服务器的两个套接字描述符：
    • 监听套接字（listen() 后的fd）：仅用于接收新连接，不参与数据交互。
    • 通信套接字（accept() 返回的fd）：每个客户端连接对应一个，用于收发数据。
  • 缓冲区机制：每个套接字对应内核中的 读缓冲区 和 写缓冲区：
    • 发送数据：send()/write() 将数据写入写缓冲区，内核异步发送到网络。
    • 接收数据：内核将网络数据存入读缓冲区，recv()/read() 从缓冲区读取。
    • 缓冲区满时：send() 阻塞（直到有空间）；缓冲区空时：recv() 阻塞（直到有数据）。

四、TCP粘包问题及解决方案

什么是粘包？

TCP是流式传输，数据无边界，若发送方连续发送小数据包，接收方可能将多个数据包合并为一个“大数据块”，导致无法区分边界（如发送“hi”和“jack”，接收方可能收到“hijack”）。

粘包原因

  • 发送方：数据太小，内核合并发送（Nagle算法）。
  • 接收方：数据到达速度快于处理速度，缓冲区累积多个数据包。

解决方案：固定格式分包

核心思路：先发送数据长度，再发送实际数据，接收方按长度解析。

步骤示例：

  1. 发送方：

    • 将数据长度（len）转换为网络字节序，先发送 len（4字节整数）。
    • 再发送长度为 len 的实际数据。
    // 发送"hello"（长度5）  
int len = htonl(5);  // 长度转换为网络字节序  
send(fd, &len, 4, 0);       // 先发送长度  
send(fd, "hello", 5, 0);    // 再发送数据

  2. 接收方：

    • 先读取4字节获取数据长度 len（转换为主机字节序）。
    • 再读取 len 字节的实际数据。
    int len;  
recv(fd, &len, 4, 0);       // 先读长度  
len = ntohl(len);           // 转换为主机字节序  
char buf[len];  
recv(fd, buf, len, 0);      // 再读实际数据

五、跨平台差异（Windows环境）

Windows套接字编程与Linux有以下核心区别：

  1. 头文件和库：

    #include <winsock2.h>       // 核心头文件  
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  // 链接套接字库

  2. 初始化和清理：

    // 初始化套接字库  
WSADATA wsaData;  
WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);  // 程序结束时清理  
WSACleanup();

  3. 函数差异：

    • 关闭套接字用 closesocket() 而非 close()。
    • 错误码获取用 WSAGetLastError() 而非 errno。

六、高频面试考点总结

  1. TCP通信核心流程：

    • 服务器：socket() 创建套接字 → bind() 绑定IP和端口 → listen() 监听连接 → accept() 阻塞等待客户端连接 → read()/write() 数据交互 → close() 关闭连接。
    • 客户端：socket() 创建套接字 → connect() 发起连接 → read()/write() 数据交互 → close() 关闭连接。

  2. INADDR_ANY 的作用：
    绑定服务器本地所有网络接口的IP地址（如服务器有多个网卡时），使服务器能接收来自任意网卡的连接请求，无需硬编码具体IP，增强灵活性。

  3. listen() 中 backlog 的含义：
    表示未完成连接队列（处于 SYN_RCVD 状态）的最大长度，超过该值的新连接会被拒绝。实际有效长度可能受系统内核参数（如 net.core.somaxconn）限制。

  4. accept() 的特性：

    • 阻塞性：无新连接时会一直阻塞，直到有客户端连接或被信号中断。
    • 返回新套接字：accept() 返回的是与客户端通信的套接字，原监听套接字仍可继续接收其他连接（实现多客户端通信需多线程/多进程）。

  5. 网络字节序与转换函数：

    • 网络字节序为 大端字节序，主机字节序可能为大端或小端（取决于CPU架构）。
    • 必须转换的场景：端口号（htons()/ntohs()）、IP地址（htonl()/ntohl()）。
    • 现代推荐用 inet_pton()/inet_ntop() 转换IP地址（支持IPv4/IPv6，线程安全）。

  6. TCP粘包问题：

    • 原因：TCP是流式传输，无数据边界，多个小数据包可能被合并传输。
    • 解决方案：长度前缀法（先发送数据长度，再发送实际数据，接收方按长度解析）。

  7. 套接字缓冲区机制：

    • 每个套接字对应内核中的读缓冲区和写缓冲区，数据通过缓冲区间接传输。
    • send()/write() 成功仅表示数据写入写缓冲区，不代表已发送到对端；recv()/read() 从读缓冲区取数据，缓冲区为空时阻塞。

  8. 文件描述符的角色：

    • 服务器有两类描述符：监听描述符（负责接收连接）和 通信描述符（每个客户端一个，负责数据交互）。
    • 描述符是内核管理套接字的索引，关闭描述符会触发TCP四次挥手释放连接。

总结

TCP套接字编程的核心是理解“连接建立→数据交互→连接关闭”的全流程，掌握 socket()/bind()/listen()/accept()/connect() 等API的参数和特性，以及网络字节序、粘包处理等细节。实际开发中需注意跨平台差异（如Windows的 WSAStartup()），并通过多线程/IO复用等技术实现高效的多客户端通信。这些基础是网络编程的核心。

http://www.dtcms.com/a/283936.html

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