Socket 函数及其配套函数详解

Socket 函数及其配套函数详解

在C语言的网络编程中，套接字（Socket） 是实现进程间通信的核心机制。除了 socket() 函数外，还有一系列配套函数用于管理和操作套接字，如 bind()、listen()、accept()、connect()、send()、recv()、sendto()、recvfrom()、setsockopt()、getsockopt() 等。本文将详细讲解这些函数的用途、参数及其使用方法，通过代码片段辅助说明，帮助您全面理解套接字编程。

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目录

1. socket() 函数详解
2. bind() 函数详解
3. listen() 函数详解
4. accept() 函数详解
5. connect() 函数详解
6. send() 和 recv() 函数详解
7. sendto() 和 recvfrom() 函数详解
8. setsockopt() 和 getsockopt() 函数详解
9. close() 函数详解
10. 常见套接字选项
11. 总结

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1. socket() 函数详解

函数原型

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

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

参数详解

1. domain：协议族，用于指定通信协议的地址族。

   • 常用值：
     • AF_INET：IPv4协议族。
     • AF_INET6：IPv6协议族。
     • AF_UNIX（或 AF_LOCAL）：本地通信协议族，适用于同一主机内的进程间通信（IPC）。
     • AF_PACKET：用于访问数据链路层，主要用于Linux。

2. type：套接字类型，定义了套接字的通信模式。

   • 常用值：
     • SOCK_STREAM：流套接字，提供面向连接、可靠的字节流服务，通常用于TCP。
     • SOCK_DGRAM：数据报套接字，提供无连接、不可靠的消息传输，通常用于UDP。
     • SOCK_RAW：原始套接字，允许直接访问网络层协议，适用于高级网络应用和工具。
     • SOCK_SEQPACKET：顺序数据包套接字，提供面向连接的可靠消息传输。
     • SOCK_RDM：可靠数据报套接字，提供可靠但无序的数据传输。

3. protocol：具体协议，通常可以设为0以自动选择。

   • 常用值：
     • IPPROTO_TCP：传输控制协议（TCP）。
     • IPPROTO_UDP：用户数据报协议（UDP）。
     • IPPROTO_ICMP：互联网控制消息协议（ICMP）。
     • IPPROTO_RAW：原始IP协议，用于原始套接字。
     • 0：让系统自动选择合适的协议。

返回值

• 成功：返回一个非负的套接字描述符（文件描述符），用于后续的网络操作。
• 失败：返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。

示例片段

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
    perror("socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

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2. bind() 函数详解

函数原型

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

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

参数详解

1. sockfd：套接字描述符，由 socket() 函数返回。
2. addr：指向 sockaddr 结构体的指针，包含要绑定的地址信息。
   • 具体协议族对应的结构体：
     • 对于 AF_INET，使用 struct sockaddr_in。
     • 对于 AF_INET6，使用 struct sockaddr_in6。
3. addrlen：地址结构体的长度，以字节为单位。

返回值

• 成功：返回 0。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例片段

struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定到所有可用接口
server_addr.sin_port = htons(8080); // 端口号

if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
    perror("bind failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

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3. listen() 函数详解

函数原型

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

int listen(int sockfd, int backlog);

参数详解

1. sockfd：已绑定地址的套接字描述符。
2. backlog：指定在套接字接受队列中的最大连接数。
   • 作用：定义在套接字被 accept() 调用前可以排队的最大连接数。
   • 注意：实际允许的连接数可能受操作系统限制。

返回值

• 成功：返回 0。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例片段

if (listen(sockfd, 10) == -1) { // 允许最多10个排队连接
    perror("listen failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

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4. accept() 函数详解

函数原型

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

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

参数详解

1. sockfd：正在监听连接的套接字描述符。
2. addr：指向 sockaddr 结构体的指针，用于存储连接的客户端地址信息。
   • 具体协议族对应的结构体：
     • 对于 AF_INET，使用 struct sockaddr_in。
     • 对于 AF_INET6，使用 struct sockaddr_in6。
   • 可选：如果不需要客户端地址信息，可以设置为 NULL。
3. addrlen：指向 socklen_t 变量的指针，表示 addr 结构体的大小。
   • 可选：如果 addr 为 NULL，可以设置为 NULL。

返回值

• 成功：返回一个新的套接字描述符，用于与客户端通信。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例片段

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);

int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
if (connfd == -1) {
    perror("accept failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 可选：获取客户端IP和端口
char client_ip[INET_ADDRSTRLEN];
inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, client_ip, INET_ADDRSTRLEN);
int client_port = ntohs(client_addr.sin_port);
printf("Connection from %s:%d\n", client_ip, client_port);

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5. connect() 函数详解

函数原型

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

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

参数详解

1. sockfd：已创建的套接字描述符。
2. addr：指向 sockaddr 结构体的指针，包含要连接的服务器地址信息。
   • 具体协议族对应的结构体：
     • 对于 AF_INET，使用 struct sockaddr_in。
     • 对于 AF_INET6，使用 struct sockaddr_in6。
3. addrlen：地址结构体的长度，以字节为单位。

返回值

• 成功：返回 0。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例片段

struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);

if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr) <= 0) {
    fprintf(stderr, "Invalid address/ Address not supported\n");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
    perror("connect failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Connected to the server.\n");

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6. send() 和 recv() 函数详解

send() 函数

函数原型

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

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

参数详解

1. sockfd：套接字描述符，通常是已连接的套接字。
2. buf：指向要发送数据的缓冲区。
3. len：要发送的数据长度，以字节为单位。
4. flags：发送标志，控制发送行为。
   • 常用值：
     • 0：默认，无特殊标志。
     • MSG_DONTWAIT：非阻塞发送。
     • MSG_CONFIRM：用于确认目的地。
     • MSG_MORE：表示数据后面还有更多数据。

返回值

• 成功：返回实际发送的字节数。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例片段

const char *message = "Hello, Server!";
ssize_t bytes_sent = send(sockfd, message, strlen(message), 0);
if (bytes_sent == -1) {
    perror("send failed");
} else {
    printf("Sent %zd bytes to server.\n", bytes_sent);
}

recv() 函数

函数原型

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

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

参数详解

1. sockfd：套接字描述符，通常是已连接的套接字。
2. buf：指向接收数据的缓冲区。
3. len：缓冲区的大小，以字节为单位。
4. flags：接收标志，控制接收行为。
   • 常用值：
     • 0：默认，无特殊标志。
     • MSG_DONTWAIT：非阻塞接收。
     • MSG_PEEK：窥视数据，不从缓冲区移除。
     • MSG_WAITALL：等待所有数据到达。

返回值

• 成功：返回实际接收的字节数。0 表示对方关闭了连接。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例片段

char buffer[1024];
ssize_t bytes_received = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0);
if (bytes_received == -1) {
    perror("recv failed");
} else if (bytes_received == 0) {
    printf("Server closed the connection.\n");
} else {
    buffer[bytes_received] = '\0'; // 确保字符串终止
    printf("Received from server: %s\n", buffer);
}

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7. sendto() 和 recvfrom() 函数详解

这些函数通常用于无连接的套接字（如UDP），允许在发送和接收数据时指定目标地址或获取源地址。

sendto() 函数

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);

参数详解

1. sockfd：套接字描述符，通常是UDP套接字。
2. buf：指向要发送数据的缓冲区。
3. len：要发送的数据长度，以字节为单位。
4. flags：发送标志，控制发送行为。
5. dest_addr：指向目标地址的 sockaddr 结构体指针。
6. addrlen：地址结构体的长度，以字节为单位。

返回值

• 成功：返回实际发送的字节数。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例片段

struct sockaddr_in dest_addr;
memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
dest_addr.sin_family = AF_INET;
dest_addr.sin_port = htons(8080);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &dest_addr.sin_addr);

const char *message = "Hello, UDP Server!";
ssize_t bytes_sent = sendto(sockfd, message, strlen(message), 0,
                            (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
if (bytes_sent == -1) {
    perror("sendto failed");
} else {
    printf("Sent %zd bytes to server.\n", bytes_sent);
}

recvfrom() 函数

函数原型

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

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

参数详解

1. sockfd：套接字描述符，通常是UDP套接字。
2. buf：指向接收数据的缓冲区。
3. len：缓冲区的大小，以字节为单位。
4. flags：接收标志，控制接收行为。
5. src_addr：指向源地址的 sockaddr 结构体指针，用于存储发送方的地址信息。
6. addrlen：指向 socklen_t 变量的指针，表示 src_addr 结构体的大小。

返回值

• 成功：返回实际接收的字节数。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例片段

char buffer[1024];
struct sockaddr_in src_addr;
socklen_t src_len = sizeof(src_addr);

ssize_t bytes_received = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0,
                                  (struct sockaddr *)&src_addr, &src_len);
if (bytes_received == -1) {
    perror("recvfrom failed");
} else {
    buffer[bytes_received] = '\0';
    char src_ip[INET_ADDRSTRLEN];
    inet_ntop(AF_INET, &src_addr.sin_addr, src_ip, INET_ADDRSTRLEN);
    int src_port = ntohs(src_addr.sin_port);
    printf("Received from %s:%d - %s\n", src_ip, src_port, buffer);
}

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8. setsockopt() 和 getsockopt() 函数详解

这些函数用于设置和获取套接字选项，控制套接字的行为和性能。

setsockopt() 函数

函数原型

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

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

参数详解

1. sockfd：套接字描述符。
2. level：设置选项的协议层级。
   • 常用值：
     • SOL_SOCKET：套接字层选项。
     • IPPROTO_TCP：TCP协议层选项。
     • IPPROTO_IP：IP协议层选项。
3. optname：选项名称，指定要设置的选项。
   • 常用选项：
     • SO_REUSEADDR：允许重用本地地址。
     • SO_KEEPALIVE：启用心跳检测。
     • SO_BROADCAST：允许发送广播消息。
     • TCP_NODELAY：禁用Nagle算法，减少延迟。
4. optval：指向包含新选项值的缓冲区的指针。
5. optlen：选项值的大小，以字节为单位。

返回值

• 成功：返回 0。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例片段

启用地址重用：

int opt = 1;
if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)) < 0) {
    perror("setsockopt SO_REUSEADDR failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

禁用Nagle算法：

int flag = 1;
if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (char *)&flag, sizeof(int)) < 0) {
    perror("setsockopt TCP_NODELAY failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

getsockopt() 函数

函数原型

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

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

参数详解

1. sockfd：套接字描述符。
2. level：获取选项的协议层级。
3. optname：选项名称，指定要获取的选项。
4. optval：指向用于接收选项值的缓冲区的指针。
5. optlen：指向一个变量的指针，该变量应包含 optval 缓冲区的大小。成功后，该变量将包含实际的选项值长度。

返回值

• 成功：返回 0。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例片段

获取套接字选项：

int opt;
socklen_t optlen = sizeof(opt);
if (getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, &optlen) == -1) {
    perror("getsockopt SO_REUSEADDR failed");
} else {
    printf("SO_REUSEADDR is %s\n", (opt ? "ON" : "OFF"));
}

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9. close() 函数详解

函数原型

#include <unistd.h>

int close(int fd);

参数详解

1. fd：要关闭的文件描述符，包括套接字描述符。

返回值

• 成功：返回 0。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

示例片段

if (close(sockfd) == -1) {
    perror("close failed");
}

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10. 常见套接字选项

了解常用的套接字选项有助于更好地控制套接字行为和性能。

SO_REUSEADDR

• 描述：允许重新使用本地地址，尤其是在服务器重启后，可以立即重新绑定到相同的端口。

• 类型：布尔型（int）。

• 设置示例：

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

SO_KEEPALIVE

• 描述：启用或禁用心跳检测，确保连接的有效性。

• 类型：布尔型（int）。

• 设置示例：

  int opt = 1;
  setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &opt, sizeof(opt));
  

TCP_NODELAY

• 描述：禁用Nagle算法，减少延迟，适用于实时应用。

• 类型：布尔型（int）。

• 设置示例：

  int flag = 1;
  setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (char *)&flag, sizeof(int));
  

SO_BROADCAST

• 描述：允许发送广播消息。

• 类型：布尔型（int）。

• 设置示例：

  int opt = 1;
  setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &opt, sizeof(opt));
  

SO_RCVBUF 和 SO_SNDBUF

• 描述：设置接收和发送缓冲区的大小。

• 类型：整数（int）。

• 设置示例：

  int rcvbuf = 65536; // 64KB
  setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &rcvbuf, sizeof(rcvbuf));
  
  int sndbuf = 65536; // 64KB
  setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &sndbuf, sizeof(sndbuf));
  

SO_LINGER

• 描述：控制套接字关闭时的行为，决定是否等待未发送的数据发送完成。

• 类型：struct linger。

• 设置示例：

  struct linger so_linger;
  so_linger.l_onoff = 1;    // 启用 linger
  so_linger.l_linger = 10;  // 超时时间，单位秒
  setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_LINGER, &so_linger, sizeof(so_linger));
  

IP_TTL

• 描述：设置IP数据包的生存时间（TTL），控制数据包在网络中的跳数。

• 类型：整数（int）。

• 设置示例：

  int ttl = 64;
  setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_TTL, &ttl, sizeof(ttl));
  

IP_MULTICAST_TTL

• 描述：设置多播数据包的TTL。

• 类型：整数（int）。

• 设置示例：

  int multicast_ttl = 1;
  setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_TTL, &multicast_ttl, sizeof(multicast_ttl));
  

SO_RCVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO

• 描述：设置接收和发送操作的超时时间。

• 类型：struct timeval。

• 设置示例：

  struct timeval timeout;
  timeout.tv_sec = 5;  // 5秒
  timeout.tv_usec = 0;
  
  setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, sizeof(timeout));
  setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &timeout, sizeof(timeout));
  

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11. 总结

套接字编程是C语言中实现网络通信的基础，通过 socket() 函数创建套接字，并结合一系列配套函数（如 bind()、listen()、accept()、connect()、send()、recv() 等）实现不同类型的网络应用。以下是关键要点的总结：

• 创建套接字：使用 socket(domain, type, protocol)，指定协议族、套接字类型和协议。
• 绑定地址：服务器端使用 bind() 将套接字与特定IP地址和端口号关联。
• 监听连接：服务器端使用 listen() 准备接受客户端的连接请求。
• 接受连接：服务器端使用 accept() 接受客户端的连接，返回新的套接字描述符用于通信。
• 连接到服务器：客户端使用 connect() 连接到服务器的套接字。
• 数据传输：
  • 使用 send() 和 recv() 在已连接的套接字上发送和接收数据。
  • 使用 sendto() 和 recvfrom() 在无连接的套接字（如UDP）上发送和接收数据，指定目标或获取源地址。
• 设置套接字选项：使用 setsockopt() 和 getsockopt() 控制套接字行为，如缓冲区大小、超时、重用地址等。
• 关闭套接字：使用 close() 释放套接字资源。

选择合适的套接字类型

• SOCK_STREAM (TCP)：

  • 适用于需要可靠、顺序传输的数据，如HTTP、FTP、SMTP等。
  • 面向连接，确保数据的完整性和顺序。

• SOCK_DGRAM (UDP)：

  • 适用于对实时性要求高、能容忍数据丢失的应用，如视频流、在线游戏、DNS查询等。
  • 无连接，不保证数据的可靠传输。

• SOCK_RAW (原始套接字)：

  • 适用于需要直接访问网络层协议的数据包，如开发网络工具（ping、traceroute）、网络监控、安全应用等。
  • 需要超级用户权限，涉及高级网络编程和安全性考虑。

错误处理与资源管理

• 错误检查：每次调用套接字函数后，应检查返回值是否为错误，并根据 errno 进行相应处理。
• 资源释放：使用完套接字后，务必调用 close() 释放资源，避免资源泄漏。
• 权限管理：操作原始套接字等需要高权限的功能时，确保应用程序的安全性和权限控制。

安全性考虑

• 数据验证：确保所有接收的数据经过严格验证，防止缓冲区溢出和注入攻击。
• 权限控制：限制应用程序的权限，避免未经授权的网络访问。
• 使用安全的套接字选项：如启用 SO_REUSEADDR、禁用 TCP_NODELAY 等，根据应用需求进行优化。

高级应用

• 多套接字管理：在需要同时处理多个套接字时，使用 select()、poll()、epoll() 等I/O复用机制高效管理。
• 非阻塞模式：将套接字设置为非阻塞模式，适用于需要并发处理的应用，如高性能服务器。

通过深入理解和正确使用这些套接字函数及其参数，您可以构建功能丰富、高效且安全的网络应用程序。掌握套接字编程不仅有助于开发网络服务和客户端，还为进一步学习网络协议和系统编程奠定坚实基础。

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