Socket 套接字常用方法

Socket 套接字常用方法

在 Linux C++ 套接字（Socket）编程中，理解函数参数的含义和类型是正确实现网络通信的关键。以下是对常用方法的参数细节、类型说明及使用场景的详细补充：

一、核心数据类型与常量

在深入函数参数前，先明确几个基础类型和重要的数据结构与头文件：

• 使用套接字需包含以下头文件：

#include <sys/socket.h>   // 核心套接字函数
#include <netinet/in.h>   // 网络地址结构（如sockaddr_in）
#include <arpa/inet.h>    // 地址转换函数（如inet_pton）
#include <unistd.h>       // 关闭套接字（close）

• 关键数据结构sockaddr_in：用于存储 IPv4 地址信息（IP + 端口 + 协议族）

  struct sockaddr_in {
      sa_family_t     sin_family;   // 协议族（AF_INET 表示IPv4）
      uint16_t        sin_port;     // 端口号（需用htons()转换为网络字节序）
      struct in_addr  sin_addr;     // IP地址（需用inet_pton()转换）
      char            sin_zero[8];  // 填充字段，通常设为0
  };
  

二、TCP 套接字方法及参数详解

1. 创建套接字：socket()

int socket(int domain, int type, int protocol);

• 参数详解：
  • domain（协议族）：
    • AF_INET：IPv4 协议（最常用）。
    • AF_INET6：IPv6 协议（支持更大地址空间）。
    • AF_UNIX/AF_LOCAL：本地进程间通信（不通过网络，用于同一台机器的进程）。
  • type（套接字类型）：
    • SOCK_STREAM：流式套接字，对应 TCP 协议（可靠、面向连接、字节流）。
    • SOCK_DGRAM：数据报套接字，对应 UDP 协议（不可靠、无连接、数据报）。
    • SOCK_RAW：原始套接字，可直接操作底层协议（如 ICMP，需 root 权限）。
  • protocol（协议）：
    • 通常设为 0，表示根据 domain 和 type 自动选择默认协议（如 SOCK_STREAM 对应 IPPROTO_TCP）。
    • 特殊场景需显式指定（如 IPPROTO_ICMP 用于 ping 程序）。
• 返回值：成功返回非负套接字描述符，失败返回 -1（需用 perror() 查看错误原因）。

2. 绑定地址：bind()

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

• 参数详解：
  • sockfd：socket() 返回的套接字描述符。
  • addr：指向通用地址结构 sockaddr 的指针（需强制转换具体地址类型）：
    • IPv4 用 struct sockaddr_in（需转换为 sockaddr*）。
    • IPv6 用 struct sockaddr_in6。
    • 本地通信用 struct sockaddr_un。
  • addrlen：addr 指向的地址结构的字节长度（如 sizeof(struct sockaddr_in)）。
• 常见错误：
  • 端口被占用：bind 失败，错误码 EADDRINUSE（可通过 setsockopt() 加 SO_REUSEADDR 选项解决）。
  • 权限不足：绑定端口 < 1024 需 root 权限，错误码 EACCES。

3. 监听连接：listen()

int listen(int sockfd, int backlog);

• 参数详解：
  • sockfd：已绑定的服务器套接字描述符（仅 TCP 有效）。
  • backlog：未完成连接队列（处于 SYN_RCVD 状态）的最大长度。
    注意：实际最大等待连接数可能受系统限制（如 /proc/sys/net/core/somaxconn，默认 128），超过后新连接会被拒绝。
• 作用：将套接字从“主动”状态转为“被动”状态，使其能接收客户端连接请求。

4. 接受连接：accept()

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

• 参数详解：
  • sockfd：处于监听状态的服务器套接字描述符。
  • addr：输出参数，用于存储客户端的地址信息（需预先分配内存，如 struct sockaddr_in client_addr）。
    若不需要客户端地址，可设为 NULL。
  • addrlen：输入输出参数：
    • 输入：addr 指向的地址结构长度（如 sizeof(client_addr)）。
    • 输出：实际存储的客户端地址长度（可能小于输入值）。
• 特性：
  • 阻塞模式下，accept() 会一直等待，直到有新连接到达。
  • 返回值是新的套接字描述符，用于与该客户端单独通信（原 sockfd 仍用于监听新连接）。

5. 发起连接：connect()

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

• 参数详解：
  • sockfd：客户端套接字描述符（socket() 创建，无需 bind()，系统会自动分配端口）。
  • addr：服务器的地址结构（包含 IP 和端口，与 bind() 的 addr 格式一致）。
  • addrlen：服务器地址结构的长度。
• 错误场景：
  • 服务器未启动或端口错误：ECONNREFUSED。
  • 网络不可达：ENETUNREACH。
  • 超时（默认约 75 秒）：ETIMEDOUT。

6. 数据传输：send() 与 recv()

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

• 参数详解：
  • sockfd：accept() 返回的客户端连接套接字（服务器）或 connect() 后的客户端套接字。
  • buf：
    • send()：待发送数据的缓冲区（如 char[] 或 std::string 的数据指针）。
    • recv()：接收数据的缓冲区（需预先分配足够空间）。
  • len：
    • send()：要发送的字节数（如 strlen(msg) 或 buf.size()）。
    • recv()：缓冲区的最大容量（避免溢出）。
  • flags：传输控制标志（通常为 0，表示默认行为）：
    • MSG_OOB：发送/接收带外数据（紧急数据，用于优先级高的信息）。
    • MSG_PEEK：recv() 专用，查看数据但不从缓冲区移除（可用于预览）。
    • MSG_WAITALL：recv() 专用，阻塞直到接收完 len 字节（但仍可能被信号中断）。
• 返回值：
  • 成功：实际发送/接收的字节数（send() 可能小于 len，需循环发送；recv() 可能小于 len，表示数据不足）。
  • 0：recv() 收到 0 表示对方正常关闭连接（send() 返回 0 通常无意义）。
  • -1：错误（如连接被重置 ECONNRESET）。

三、UDP 套接字方法及参数详解

UDP 无需连接，核心是 sendto() 和 recvfrom()，其他方法（socket()、bind()）参数与 TCP 类似，但 type 需为 SOCK_DGRAM。

1. 数据传输：sendto() 与 recvfrom()

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

• 新增参数详解：
  • dest_addr（sendto()）：目标主机的地址结构（包含 IP 和端口）。
  • src_addr（recvfrom()）：输出参数，存储发送方的地址信息（用于回复）。
  • addrlen（sendto()）：目标地址结构的长度；（recvfrom()）输入输出参数，同 accept()。
• 特性：
  • 每次发送都需指定目标地址（无需提前连接）。
  • 无确认机制，可能丢包、乱序，返回值仅表示数据已交给内核，不保证对方收到。

四、辅助函数：地址转换与选项设置

1. IP 地址转换（inet_pton() 与 inet_ntop()）

解决字符串 IP（如 "192.168.1.1"）与网络字节序二进制 IP 的转换：

// 字符串 → 二进制（网络字节序）
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
// 二进制 → 字符串
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

• 参数：
  • af：AF_INET 或 AF_INET6。
  • src/dst：源/目标缓冲区。
  • size（inet_ntop()）：dst 的最大长度（如 INET_ADDRSTRLEN 为 IPv4 字符串最大长度 16）。

示例：

struct sockaddr_in addr;
// 将 "127.0.0.1" 转换为网络字节序的二进制 IP
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &addr.sin_addr);

char ip_str[INET_ADDRSTRLEN];
// 将二进制 IP 转换为字符串
inet_ntop(AF_INET, &addr.sin_addr, ip_str, INET_ADDRSTRLEN);

2. 套接字选项：setsockopt() 与 getsockopt()

用于设置/获取套接字的属性（如端口复用、超时时间）：

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,
               const void *optval, socklen_t optlen);

• 常用参数：
  • level：选项级别（SOL_SOCKET 表示通用套接字选项，IPPROTO_TCP 表示 TCP 特有选项）。
  • optname（常用）：
    • SO_REUSEADDR：允许端口被立即复用（解决 EADDRINUSE 错误）。
    • SO_RCVTIMEO/SO_SNDTIMEO：设置接收/发送超时时间（需传入 struct timeval）。
    • TCP_NODELAY：禁用 Nagle 算法（减少小数据传输延迟）。

示例（允许端口复用）：

int opt = 1;
setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

五、总结

套接字函数的参数设计围绕“标识（描述符）、地址（IP+端口）、数据（缓冲区）、控制选项（标志）”四大核心要素：

• TCP 流程：socket() → bind() → listen() → accept()（服务器）；socket() → connect()（客户端）；之后用 send()/recv() 通信。

• UDP 流程：socket() → bind()（可选）；用 sendto()/recvfrom() 直接通信。

• 字节序转换（htons() 等）和地址转换（inet_pton() 等）是跨平台/网络通信的基础，必须正确使用。

→accept()（服务器）；socket()→connect()（客户端）；之后用 send()/recv()` 通信。

• UDP 流程：socket() → bind()（可选）；用 sendto()/recvfrom() 直接通信。

• 字节序转换（htons() 等）和地址转换（inet_pton() 等）是跨平台/网络通信的基础，必须正确使用。

理解这些参数的细节后，才能灵活应对不同场景（如高并发服务器、实时数据传输）的开发需求。