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【Linux网络编程】socket套接字的基础API接口

news 来源：原创 2025/5/27 22:05:01

前言

1. 网络字节序

2. socket编程接口

2.1 socket

2.2 bind

2.3 地址转换函数

2.4 recvfrom

2.5 sendto

2.6 TCP socket API

2.6.1 listen()

2.6.2 accept()

2.6.3 close()

2.6.4 connect()

总结

前言

了解了计算机网络的基础知识，想要快速上手网络编程，那就很有必要了解一下网络套接字相关的接口；本文主要介绍一些socket编程必须的一些接口介绍；

在这里插入图片描述

1. 网络字节序

为使网络程序具有可移植性,使同样的C代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行,可以调用以下库函数做网络字节序和主机字节序的转换。

#include <arpa/inet.h>

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);

uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

这些函数名很好记,h表示host,n表示network,l表示32位长整数,s表示16位短整数。

比如：htonl表示将32位的长整数从主机字节序转换为网络字节序,例如将IP地址转换后准备发送。

如果主机是小端字节序，这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回；
如果主机是大端字节序,这些函数不做转换,将参数原封不动地返回。

2. socket编程接口

套接字也分很多种：

Unix socket：域间socket；不使用ip，使用的是同一台机器上的文件路径，很像命名管道，主要用于本主机内部进行通信
网络 socket：ip + port 用于网络通信，接口和上述使用的接口一样;
原始socket：编写一些网络工具

// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);
 
// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器) 
int bind(int socket, const struct sockaddr *address, socklen_t address_len);
 
// 开始监听socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);
 
// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);
 
// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

socket API是一层抽象的网络编程接口,适用于各种底层网络协议,如IPv4、IPv6,以及后面要讲的UNIX Domain Socket. 然而, 各种网络协议的地址格式并不相同；

想要把他们绑定在一起，所以都统一使用struct socketaddr类型；在判断时只需根据前两个字节进行判断是网络通信，还是域间 socket 识别后在接口内部，将struct socketaddr类型强转成对应的类型也就是C风格的多态；

struct sockaddr {
    sa_family_t     sa_family;      /* Address family */
    char            sa_data[];      /* Socket address */
};


struct sockaddr_in {
    sa_family_t     sin_family;     /* AF_INET */
    in_port_t       sin_port;       /* Port number */
    struct in_addr  sin_addr;       /* IPv4 address */
};

struct sockaddr_un {
    sa_family_t     sun_family;     /* Address family */
    char            sun_path[];     /* Socket pathname */
};

struct in_addr {
    in_addr_t s_addr;
};

typedef uint32_t in_addr_t;

2.1 socket

函数原型：

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

返回值：

参数：

domain（地址域）：
- 这个参数指定了使用的地址族，常见的值有：
  - AF_INET：表示 IPv4 协议。
  - AF_INET6：表示 IPv6 协议。
  - AF_UNIX：表示 Unix 域套接字，用于同一主机上的进程间通信。
- 选取合适的地址域以符合所需的网络协议。
type（套接字类型）：
- 这个参数指定套接字的类型，常见的值有：
  - SOCK_STREAM：表示流式套接字，基于 TCP，提供可靠的、面向连接的通信。
  - SOCK_DGRAM：表示数据报套接字，基于 UDP，提供无连接的、不可靠的数据传输。
  - SOCK_RAW：表示原始套接字，允许直接访问传输层协议，通常需要超级用户权限。
- 选择合适的套接字类型来匹配通信协议的需求。
protocol（协议）：
- 这个参数通常指定协议类型。在许多情况下，可以设置为 0，让系统自动选择合适的协议（例如，选择 TCP 对于流套接字）。
- 对于原始套接字，可以指定特定的协议（如 IPPROTO_TCP）。

使用示例：创建udp套接字

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

2.2 bind

函数原型：

#include <sys/socket.h>

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

为了在通信中，能够让其他主机找到socket就需要绑定网络信息；

返回值：

参数：

sockfd：这是要绑定的套接字的文件描述符。它必须先通过 socket() 函数创建。
addr：这是指向 struct sockaddr（或更具体的类型，比如用于 IPv4 地址的 struct sockaddr_in）的指针，指明套接字应绑定到哪个地址。该结构包含地址族、端口号和 IP 地址。
addrlen：该参数指定 addr 指向的地址结构的大小。通常可以使用 sizeof(struct sockaddr_in) 或者你所使用的地址结构的适当大小。

使用示例：

//绑定指定网络信息
struct sockaddr_in local;
bzero(&local, sizeof(local));
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(_port); //不能直接传，要本地主机转网络字节序
local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());// ip地址要转换成4字节整形

int n = ::bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));

sockaddr_in 结构体对象是在函数内定义的，只存在栈上，并没有设置到内核中，所以要使用bind把数据加载到内核中；

对结构体对象进行初始化，可以调用这个接口，作用是将数据置为0，s开始的n个字节；

#include <strings.h>
void bzero(void s[.n], size_t n);

2.3 地址转换函数

我们使用的是ip都是字符串风格，系统中使用的是32位整形，所以我们需要进行转换，并且需要将ip转换为网络字节序我们自己转换就有点麻烦了，库里给我们提供了一系列的接口：

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

in_addr_t inet_addr(const char *cp);

除此之外还有许多其他的接口比如：

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

感兴趣可以去了解一下；

2.4 recvfrom

recvfrom() 用于接收网络数据报套接字（UDP）的系统调用;

函数原型：

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,  
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

sockfd: 套接字描述符，代表一个已创建并绑定到特定地址和端口的套接字。通常通过 socket() 函数创建。
buf: 指向用来存储接收到的数据的缓冲区的指针。接收到的数据将被写入这个缓冲区。
len: 接收缓冲区的大小（以字节为单位）。这是最大可以接收的数据量。
flags: 控制接收操作的选项。可以使用以下标志：
- MSG_CONFIRM: 确认接收的消息，通常在处理同一套接字中的重复消息时使用。
- MSG_DONTWAIT: 非阻塞模式下接收数据。
- 0 阻塞等待。
src_addr: 一个指向 sockaddr 结构的指针，用于存储发送方的地址信息。如果不需要地址信息，可以将其设为 NULL。
addrlen: 指向 socklen_t 类型的变量的指针，表示 src_addr 的长度。在调用 recvfrom() 之前应该初始化为 sizeof(struct sockaddr)，接收到数据后，该值将会被更新为实际接收的地址长度。

返回值：

返回值为接收到的字节数。如果返回值为 -1，表示发生错误，可以通过 errno 获取错误信息。

除此之外可以获取接收到的消息接口还有：

recv（通常用于TCP）

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

read（通用的系统调用，可以从文件描述符中读取数据，也反映出套接字本质就是文件描述符）

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

2.5 sendto

用于在网络编程中发送数据的系统调用，适用于不同的协议和场景。通常用于 UDP 套接字，适合于无连接的通信场景，可以发送数据至任何指定的地址。它适用于实时应用、广播或多播等。

函数原型：

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

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                      const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

参数：

flags: 控制发送操作的选项。常见的标志包括：
- MSG_OOB: 发送紧急数据。
- MSG_DONTWAIT: 非阻塞模式。
dest_addr: 指向 sockaddr 结构的指针，表示目标地址（对于 UDP 等无连接协议时必需）。

其余参数和 recvfrom 相同；

返回值：

成功时返回已发送的字节数，失败时返回 -1，并设置 errno；

除此之外可以用于发送消息的接口还有：

send()

send() 主要用于 TCP 套接字，适用于已经建立连接的场景，保证了数据的顺序和完整性

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

flag以及返回值和sendto一样；

write()

write() 是一个通用的写入系统调用，可以用于多种类型的文件描述符，也可以用于发送数据的系统调用，对于套接字，特别是 TCP 套接字，可以使用 write() 来发送数据。

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

返回值：

成功时返回实际写入的字节数。如果返回值是 0，则表示没有数据写入。如果返回 -1，则表示发生错误，并且可以使用 errno 来获取错误信息

2.6 TCP socket API

socket、bind、以及发送（send）和接收（recv）相关的接口都可以参考上述内容；接下来这些接口属于TCP专属的网络接口；

TCP和UDP不同，是面向连接的，UDP是无连接的；这些后续会专门出一期来详细介绍UDP和TCP；本文主要介绍他们的socket API；

2.6.1 listen()

在指定的套接字上开始监听传入连接；

函数原型：

int listen(int sockfd, int backlog);

参数：

sockfd: 套接字描述符。
backlog: 指定等待连接的队列长度。

返回值: 成功返回 0，失败返回 -1。

2.6.2 accept()

接受来自客户端的连接请求

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数:

sockfd: 套接字描述符。
addr: 可选，指向一个用于存储客户端地址的结构体。
addrlen: 指向地址长度变量的指针。

返回值: 成功返回新的套接字描述符，失败返回 -1。

2.6.3 close()

关闭套接字

函数原型：

int close(int fd);

参数:fd: 套接字描述符。

返回值: 成功返回 0，失败返回 -1

2.6.4 connect()

该接口主要是客户端使用，将客户端套接字连接到服务器；

函数原型：

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数：

sockfd: 客户端的套接字描述符，这个描述符应当是通过 socket() 创建的。
addr: 指向包含服务器地址信息的 struct sockaddr 结构的指针。通常，对于 IPv4，使用 struct sockaddr_in。
addrlen: 地址结构的长度，通常用 sizeof(struct sockaddr_in) 来获取

返回值：功时返回 0，失败则返回 -1，并设置 errno 以指明错误类型。