第八章：Socket 网络编程

掌握 POSIX Socket API：TCP/UDP 编程、Unix 域套接字、地址解析、并发服务器模型。

8.1 Socket API 概述

8.1.1 什么是 Socket

Socket（套接字） 是 POSIX 中网络通信的抽象接口。它扩展了"一切皆文件"的哲学，使得网络通信也使用 read()/write() 操作。

Socket 由以下要素唯一标识：

Socket = {协议族, 地址族, IP地址, 端口号}
         或
Socket = {协议族, 文件路径}  (Unix 域套接字)

8.1.2 Socket 类型

类型	宏	传输方式	可靠性	典型协议
流式套接字	`SOCK_STREAM`	面向连接，字节流	✅ 可靠	TCP
数据报套接字	`SOCK_DGRAM`	无连接，数据报	❌ 不保证	UDP
原始套接字	`SOCK_RAW`	原始数据包	—	ICMP, 自定义协议

8.1.3 Socket 编程流程

TCP 服务器:                    TCP 客户端:
socket()                      socket()
bind()                        
listen()                      
accept() ←────── 三次握手 ──────→ connect()
read()/write() ←──── 数据 ────→ read()/write()
close()                       close()

8.2 TCP 服务器

/*
 * tcp_server.c - 基本 TCP 回声服务器
 * 编译: gcc -Wall -o tcp_server tcp_server.c
 * 测试: echo "hello" | nc localhost 8080
 */
#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>

#define PORT 8080
#define BUF_SIZE 4096

static volatile int g_running = 1;

static void handle_signal(int sig)
{
    (void)sig;
    g_running = 0;
}

static void handle_client(int client_fd, struct sockaddr_in *client_addr)
{
    char buf[BUF_SIZE];
    char addr_str[INET_ADDRSTRLEN];
    inet_ntop(AF_INET, &client_addr->sin_addr, addr_str, sizeof(addr_str));
    printf("客户端连接: %s:%d\n", addr_str, ntohs(client_addr->sin_port));

    ssize_t n;
    while ((n = read(client_fd, buf, sizeof(buf))) > 0) {
        printf("收到 %zd 字节: %.*s", n, (int)n, buf);
        write(client_fd, buf, n);  /* 回声 */
    }

    printf("客户端断开: %s:%d\n", addr_str, ntohs(client_addr->sin_port));
    close(client_fd);
}

int main(void)
{
    signal(SIGINT, handle_signal);
    signal(SIGTERM, handle_signal);

    /* 创建 socket */
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == -1) { perror("socket"); return 1; }

    /* 允许地址重用 */
    int opt = 1;
    setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    /* 绑定地址 */
    struct sockaddr_in addr = {
        .sin_family = AF_INET,
        .sin_port = htons(PORT),
        .sin_addr.s_addr = INADDR_ANY,
    };
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("bind"); close(server_fd); return 1;
    }

    /* 监听 */
    if (listen(server_fd, 128) == -1) {
        perror("listen"); close(server_fd); return 1;
    }

    printf("TCP 服务器启动，监听端口 %d\n", PORT);

    while (g_running) {
        struct sockaddr_in client_addr;
        socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
        int client_fd = accept(server_fd,
                               (struct sockaddr *)&client_addr,
                               &client_len);
        if (client_fd == -1) {
            if (errno == EINTR) continue;
            perror("accept");
            break;
        }

        handle_client(client_fd, &client_addr);
    }

    close(server_fd);
    printf("\n服务器已关闭\n");
    return 0;
}

8.3 TCP 客户端

/*
 * tcp_client.c - TCP 客户端
 * 编译: gcc -Wall -o tcp_client tcp_client.c
 * 用法: ./tcp_client [host] [port]
 */
#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    const char *host = argc > 1 ? argv[1] : "127.0.0.1";
    int port = argc > 2 ? atoi(argv[2]) : 8080;

    /* 解析主机名 */
    struct addrinfo hints = {
        .ai_family = AF_INET,
        .ai_socktype = SOCK_STREAM,
    }, *result;
    char port_str[16];
    snprintf(port_str, sizeof(port_str), "%d", port);

    int ret = getaddrinfo(host, port_str, &hints, &result);
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(ret));
        return 1;
    }

    /* 创建 socket 并连接 */
    int sockfd = socket(result->ai_family, result->ai_socktype,
                         result->ai_protocol);
    if (sockfd == -1) { perror("socket"); freeaddrinfo(result); return 1; }

    if (connect(sockfd, result->ai_addr, result->ai_addrlen) == -1) {
        perror("connect"); close(sockfd); freeaddrinfo(result); return 1;
    }
    freeaddrinfo(result);

    printf("已连接到 %s:%d\n", host, port);
    printf("输入消息（Ctrl+D 退出）:\n");

    /* 读取用户输入并发送 */
    char buf[1024];
    while (fgets(buf, sizeof(buf), stdin)) {
        size_t len = strlen(buf);
        write(sockfd, buf, len);

        ssize_t n = read(sockfd, buf, sizeof(buf));
        if (n <= 0) break;
        buf[n] = '\0';
        printf("回声: %s", buf);
    }

    close(sockfd);
    printf("连接已关闭\n");
    return 0;
}

8.4 UDP 编程

8.4.1 UDP 特性

特性	TCP	UDP
连接	面向连接	无连接
可靠性	可靠（重传、排序）	不可靠（可能丢包、乱序）
数据边界	字节流（无边界）	数据报（有边界）
速度	较慢	较快
典型用法	Web、文件传输	DNS、视频流、游戏

8.4.2 UDP 服务器与客户端

/*
 * udp_echo.c - UDP 回声服务器/客户端
 * 编译: gcc -Wall -o udp_echo udp_echo.c
 * 服务器: ./udp_echo server 9090
 * 客户端: ./udp_echo client 127.0.0.1 9090
 */
#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

static int run_server(int port)
{
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (fd == -1) { perror("socket"); return 1; }

    struct sockaddr_in addr = {
        .sin_family = AF_INET,
        .sin_port = htons(port),
        .sin_addr.s_addr = INADDR_ANY,
    };
    bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    printf("UDP 服务器启动，端口 %d\n", port);

    char buf[1024];
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len;

    while (1) {
        client_len = sizeof(client_addr);
        ssize_t n = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0,
                             (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
        if (n <= 0) break;

        buf[n] = '\0';
        char addr_str[INET_ADDRSTRLEN];
        inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, addr_str, sizeof(addr_str));
        printf("来自 %s:%d: %s", addr_str, ntohs(client_addr.sin_port), buf);

        sendto(fd, buf, n, 0,
               (struct sockaddr *)&client_addr, client_len);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

static int run_client(const char *host, int port)
{
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (fd == -1) { perror("socket"); return 1; }

    struct sockaddr_in server_addr = {
        .sin_family = AF_INET,
        .sin_port = htons(port),
    };
    inet_pton(AF_INET, host, &server_addr.sin_addr);

    printf("UDP 客户端连接 %s:%d\n", host, port);

    char buf[1024];
    while (fgets(buf, sizeof(buf), stdin)) {
        sendto(fd, buf, strlen(buf), 0,
               (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

        struct sockaddr_in from_addr;
        socklen_t from_len = sizeof(from_addr);
        ssize_t n = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0,
                             (struct sockaddr *)&from_addr, &from_len);
        if (n > 0) {
            buf[n] = '\0';
            printf("回声: %s", buf);
        }
    }

    close(fd);
    return 0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc < 3) {
        fprintf(stderr, "用法: %s server <port>\n"
                        "      %s client <host> <port>\n", argv[0], argv[0]);
        return 1;
    }

    if (strcmp(argv[1], "server") == 0)
        return run_server(atoi(argv[2]));
    if (strcmp(argv[1], "client") == 0 && argc >= 4)
        return run_client(argv[2], atoi(argv[3]));

    fprintf(stderr, "未知命令\n");
    return 1;
}

8.5 Unix 域套接字 (Unix Domain Socket)

8.5.1 特性

Unix 域套接字用于同一台机器上的进程间通信，比 TCP 快得多（不经过网络协议栈）：

对比项	TCP Socket	Unix 域套接字
地址	IP:端口	文件路径
网络协议	经过 TCP/IP 栈	内核内部直接传递
速度	较慢	较快（避免协议栈开销）
跨机器	✅	❌

8.5.2 Unix 域套接字示例

/*
 * unix_socket.c - Unix 域套接字回声服务器
 * 编译: gcc -Wall -o unix_socket unix_socket.c
 */
#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>

#define SOCKET_PATH "/tmp/posix_unix_socket"

static int run_server(void)
{
    int fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    if (fd == -1) { perror("socket"); return 1; }

    struct sockaddr_un addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(addr.sun_path) - 1);

    unlink(SOCKET_PATH);  /* 移除旧的 socket 文件 */
    if (bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("bind"); close(fd); return 1;
    }

    listen(fd, 5);
    printf("Unix 域套接字服务器启动: %s\n", SOCKET_PATH);

    int client_fd = accept(fd, NULL, NULL);
    if (client_fd == -1) { perror("accept"); close(fd); return 1; }

    char buf[1024];
    ssize_t n;
    while ((n = read(client_fd, buf, sizeof(buf))) > 0) {
        buf[n] = '\0';
        printf("收到: %s", buf);
        write(client_fd, buf, n);
    }

    close(client_fd);
    close(fd);
    unlink(SOCKET_PATH);
    printf("服务器已关闭\n");
    return 0;
}

static int run_client(void)
{
    int fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    if (fd == -1) { perror("socket"); return 1; }

    struct sockaddr_un addr;
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(addr.sun_path) - 1);

    if (connect(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("connect"); close(fd); return 1;
    }

    printf("已连接到 Unix 域套接字\n");

    const char *msg = "Hello via Unix domain socket!\n";
    write(fd, msg, strlen(msg));

    char buf[1024];
    ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
    if (n > 0) {
        buf[n] = '\0';
        printf("回声: %s", buf);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc < 2) {
        fprintf(stderr, "用法: %s server|client\n", argv[0]);
        return 1;
    }
    if (strcmp(argv[1], "server") == 0) return run_server();
    if (strcmp(argv[1], "client") == 0) return run_client();
    return 1;
}

8.6 地址解析

8.6.1 getaddrinfo()——推荐接口

/*
 * addrinfo.c - 使用 getaddrinfo 解析主机名
 * 编译: gcc -Wall -o addrinfo addrinfo.c
 */
#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <netdb.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    const char *host = argc > 1 ? argv[1] : "localhost";

    struct addrinfo hints = {
        .ai_family = AF_UNSPEC,     /* IPv4 或 IPv6 */
        .ai_socktype = SOCK_STREAM, /* TCP */
    }, *result, *rp;

    int ret = getaddrinfo(host, NULL, &hints, &result);
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "getaddrinfo: %s\n", gai_strerror(ret));
        return 1;
    }

    printf("解析 '%s' 的结果:\n", host);
    for (rp = result; rp; rp = rp->ai_next) {
        char addr_str[INET6_ADDRSTRLEN];
        void *addr;

        if (rp->ai_family == AF_INET) {
            addr = &((struct sockaddr_in *)rp->ai_addr)->sin_addr;
        } else {
            addr = &((struct sockaddr_in6 *)rp->ai_addr)->sin6_addr;
        }

        inet_ntop(rp->ai_family, addr, addr_str, sizeof(addr_str));
        printf("  %s: %s (协议族: %s)\n",
               rp->ai_family == AF_INET ? "IPv4" : "IPv6",
               addr_str,
               rp->ai_socktype == SOCK_STREAM ? "TCP" : "UDP");
    }

    freeaddrinfo(result);
    return 0;
}

8.7 并发服务器模型

8.7.1 模型对比

模型	并发方式	适用场景	优缺点
串行处理	无并发	简单测试	简单但不实用
多进程	`fork()`	进程隔离	安全但开销大
多线程	`pthread_create()`	通用	开销小，共享地址空间
I/O 多路复用	`select()`/`poll()`/`epoll`	高并发	单线程高并发，编程复杂
混合模型	多线程 + epoll	生产环境	综合最优

8.7.2 多进程并发服务器

/*
 * tcp_fork_server.c - 多进程并发 TCP 服务器
 * 编译: gcc -Wall -o tcp_fork_server tcp_fork_server.c
 */
#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <netinet/in.h>
#include <signal.h>
#include <errno.h>

#define PORT 8081

static void sigchld_handler(int sig)
{
    (void)sig;
    /* 回收所有已终止子进程（WNOHANG 非阻塞） */
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
}

int main(void)
{
    /* 注册 SIGCHLD 处理器 */
    struct sigaction sa = {
        .sa_handler = sigchld_handler,
        .sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP,
    };
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL);

    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    int opt = 1;
    setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    struct sockaddr_in addr = {
        .sin_family = AF_INET,
        .sin_port = htons(PORT),
        .sin_addr.s_addr = INADDR_ANY,
    };
    bind(server_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    listen(server_fd, 128);

    printf("多进程 TCP 服务器启动，端口 %d\n", PORT);

    while (1) {
        struct sockaddr_in client_addr;
        socklen_t len = sizeof(client_addr);
        int client_fd = accept(server_fd,
                               (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
        if (client_fd == -1) {
            if (errno == EINTR) continue;
            perror("accept");
            break;
        }

        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0) {
            /* 子进程处理客户端 */
            close(server_fd);
            char buf[1024];
            ssize_t n;
            while ((n = read(client_fd, buf, sizeof(buf))) > 0)
                write(client_fd, buf, n);
            close(client_fd);
            _exit(0);
        }
        close(client_fd);  /* 父进程关闭客户端 fd */
    }

    close(server_fd);
    return 0;
}

8.8 注意事项

⚠️ 字节序转换：网络字节序为大端（Big-Endian），主机字节序可能是小端。始终使用 htons()/htonl()/ntohs()/ntohl()。

⚠️ SO_REUSEADDR：服务器重启时，端口可能处于 TIME_WAIT 状态。使用 SO_REUSEADDR 允许重用。

⚠️ SIGPIPE：向已关闭的连接写入会产生 SIGPIPE 信号，默认终止程序。忽略或处理它：signal(SIGPIPE, SIG_IGN)。

⚠️ 地址结构体初始化：使用前 memset() 清零，特别是 sockaddr_un 的 sun_path 之后的填充字节。

⚠️ IPv6 兼容：使用 getaddrinfo() 而非硬编码 IPv4，以同时支持 IPv4 和 IPv6。

8.9 扩展阅读

man 7 socket、man 7 tcp、man 7 udp、man 7 unix
《Unix Network Programming》 — W. Richard Stevens 著
《TCP/IP Illustrated》 — W. Richard Stevens 著
Beej’s Guide to Network Programming：https://beej.us/guide/bgnet/
RFC 793 (TCP)、RFC 768 (UDP)

8.10 本章小结

要点	说明
Socket API	`socket()`, `bind()`, `listen()`, `accept()`, `connect()`
TCP	面向连接、可靠、字节流
UDP	无连接、不可靠、数据报
Unix 域套接字	同机进程间通信，避免网络栈开销
getaddrinfo()	推荐的地址解析接口，支持 IPv4/IPv6
并发模型	多进程、多线程、I/O 多路复用

强曰为道

第八章：Socket 网络编程

第八章：Socket 网络编程

8.1 Socket API 概述

8.1.1 什么是 Socket

8.1.2 Socket 类型

8.1.3 Socket 编程流程

8.2 TCP 服务器

8.3 TCP 客户端

8.4 UDP 编程

8.4.1 UDP 特性

8.4.2 UDP 服务器与客户端

8.5 Unix 域套接字 (Unix Domain Socket)

8.5.1 特性

8.5.2 Unix 域套接字示例

8.6 地址解析

8.6.1 getaddrinfo()——推荐接口

8.7 并发服务器模型

8.7.1 模型对比

8.7.2 多进程并发服务器

8.8 注意事项

8.9 扩展阅读

8.10 本章小结