Linux Socket编程：从API到实战

Linux Socket编程完全指南：从API到实战

1. 概述

Socket（套接字）是网络编程的基础，它允许不同主机或同一主机上的不同进程之间进行通信。在Linux系统中，Socket编程主要通过一系列系统调用来实现，这些API提供了创建、连接、发送和接收数据的能力。

2. 核心概念

2.1 套接字类型

• 流式套接字(SOCK_STREAM)：提供面向连接的、可靠的数据传输服务（TCP）

• 数据报套接字(SOCK_DGRAM)：提供无连接的服务（UDP）

• 原始套接字(SOCK_RAW)：允许对底层协议的直接访问

2.2 地址结构

Linux网络编程中常用的地址结构有三种：

通用地址结构 sockaddr

struct sockaddr {sa_family_t sa_family;  // 地址族char sa_data[14];       // 协议地址
};

IPv4地址结构 sockaddr_in

struct sockaddr_in {sa_family_t sin_family; // 地址族(AF_INET)in_port_t sin_port;     // 端口号(网络字节序)struct in_addr sin_addr; // IPv4地址unsigned char sin_zero[8]; // 填充
};struct in_addr {in_addr_t s_addr; // IPv4地址(网络字节序)
};

IPv6地址结构 sockaddr_in6

struct sockaddr_in6 {sa_family_t sin6_family;   // 地址族(AF_INET6)in_port_t sin6_port;       // 端口号(网络字节序)uint32_t sin6_flowinfo;    // IPv6流信息struct in6_addr sin6_addr; // IPv6地址uint32_t sin6_scope_id;    // 接口范围ID
};struct in6_addr {unsigned char s6_addr[16]; // IPv6地址
};

3. 核心API详解

3.1 socket() - 创建套接字

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

参数说明：
• domain: 协议族(AF_INET/AF_INET6/AF_UNIX)

• type: 套接字类型(SOCK_STREAM/SOCK_DGRAM/SOCK_RAW)

• protocol: 通常为0，表示自动选择

返回值：成功返回文件描述符，失败返回-1

3.2 bind() - 绑定地址

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

参数说明：
• sockfd: socket()返回的文件描述符

• addr: 指向要绑定的地址结构

• addrlen: 地址结构长度

常见错误：
• EADDRINUSE: 地址已被使用

• EACCES: 权限不足(如绑定知名端口)

3.3 listen() - 监听连接

int listen(int sockfd, int backlog);

参数说明：
• sockfd: 已绑定的套接字描述符

• backlog: 等待连接队列的最大长度

最佳实践：
• backlog值通常设为5-10，实际最大值为/proc/sys/net/core/somaxconn

3.4 accept() - 接受连接

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

参数说明：
• sockfd: 监听套接字描述符

• addr: 用于存储客户端地址

• addrlen: 地址结构长度指针

返回值：成功返回新的连接描述符，失败返回-1

3.5 connect() - 建立连接

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

参数说明：
• sockfd: 套接字描述符

• addr: 服务器地址结构

• addrlen: 地址结构长度

常见错误：
• ECONNREFUSED: 连接被拒绝

• ETIMEDOUT: 连接超时

3.6 send()/recv() - 数据收发

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);

常用flags：
• MSG_DONTWAIT: 非阻塞操作

• MSG_OOB: 发送/接收带外数据

3.7 close()/shutdown() - 关闭连接

int close(int sockfd);
int shutdown(int sockfd, int how);

shutdown()参数how：
• SHUT_RD: 关闭读端

• SHUT_WR: 关闭写端

• SHUT_RDWR: 关闭读写

4. TCP通信实战

4.1 服务器端实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUFSIZE 1024
#define BACKLOG 5void error_handling(char *message);int main(int argc, char *argv[])
{int serv_sock, clnt_sock;struct sockaddr_in serv_addr, clnt_addr;socklen_t clnt_addr_size;char message[BUFSIZE];int str_len;if(argc != 2) {printf("Usage: %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}// 1. 创建套接字serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(serv_sock == -1)error_handling("socket() error");// 2. 绑定地址memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)error_handling("bind() error");// 3. 监听if(listen(serv_sock, BACKLOG) == -1)error_handling("listen() error");// 4. 接受连接clnt_addr_size = sizeof(clnt_addr);clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_addr, &clnt_addr_size);if(clnt_sock == -1)error_handling("accept() error");printf("Connected client IP: %s\n", inet_ntoa(clnt_addr.sin_addr));// 5. 数据交换while((str_len = read(clnt_sock, message, BUFSIZE)) != 0) {write(clnt_sock, message, str_len);write(1, message, str_len);}// 6. 关闭连接close(clnt_sock);close(serv_sock);return 0;
}void error_handling(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

4.2 客户端实现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>#define BUFSIZE 1024void error_handling(char *message);int main(int argc, char *argv[])
{int sock;struct sockaddr_in serv_addr;char message[BUFSIZE];int str_len;if(argc != 3) {printf("Usage: %s <IP> <port>\n", argv[0]);exit(1);}// 1. 创建套接字sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sock == -1)error_handling("socket() error");// 2. 连接服务器memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);serv_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == -1)error_handling("connect() error");// 3. 数据交换while(1) {fputs("Input message(Q to quit): ", stdout);fgets(message, BUFSIZE, stdin);if(!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))break;write(sock, message, strlen(message));str_len = read(sock, message, BUFSIZE-1);message[str_len] = 0;printf("Message from server: %s", message);}// 4. 关闭连接close(sock);return 0;
}void error_handling(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

5. 高级主题

5.1 多进程服务器

通过fork()实现并发服务器：

pid_t pid = fork();
if(pid == 0) { // 子进程close(serv_sock); // 关闭监听套接字// 处理客户端请求while((str_len = read(clnt_sock, buf, BUFSIZE)) != 0) {write(clnt_sock, buf, str_len);}close(clnt_sock);exit(0);
} else { // 父进程close(clnt_sock); // 关闭客户端套接字continue;
}

5.2 多路复用(I/O复用)

使用select()实现：

fd_set reads, cpy_reads;
FD_ZERO(&reads);
FD_SET(serv_sock, &reads);while(1) {cpy_reads = reads;timeout.tv_sec = 5;timeout.tv_usec = 5000;int fd_num = select(fd_max+1, &cpy_reads, NULL, NULL, &timeout);if(FD_ISSET(serv_sock, &cpy_reads)) {// 处理新连接}for(i = 0; i < fd_max+1; i++) {if(FD_ISSET(i, &cpy_reads)) {// 处理数据}}
}

5.3 非阻塞I/O

通过fcntl()设置非阻塞模式：

int flag = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
fcntl(fd, F_SETFL, flag|O_NONBLOCK);

6. 常见问题与解决方案

6.1 地址已在使用(Address already in use)

解决方案：

1. 设置SO_REUSEADDR选项：

int option = 1;
setsockopt(serv_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &option, sizeof(option));

2. 等待TIME_WAIT状态结束(通常2MSL时间)

6.2 粘包问题

解决方案：

1. 固定长度消息
2. 特殊分隔符
3. 消息头+消息体(包含长度信息)

6.3 连接重置(Connection reset by peer)

可能原因：
• 对端进程崩溃

• 网络中断

• 协议不匹配

解决方案：
• 添加错误处理逻辑

• 实现重连机制

7. 性能优化建议

8. 缓冲区大小调整：

int buff_size = 64*1024; // 64KB
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &buff_size, sizeof(buff_size));
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &buff_size, sizeof(buff_size));

2. 禁用Nagle算法：

int opt_val = 1;
setsockopt(sock, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, &opt_val, sizeof(opt_val));