C++中的socket编程常用接口

一、socket

socket() 函数是进行网络编程的基础，它用于创建一个新的套接字（socket）。套接字是网络通信的端点，可以用于在不同计算机之间传输数据。下面是对 socket() 函数的详细解释：

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

参数

socket() 函数有三个参数：

1. domain（协议域）：指定套接字使用的协议族。常见的值包括：

• AF_INET：IPv4协议
• AF_INET6：IPv6协议
• AF_UNIX（或 AF_LOCAL）：本地通信（同一台机器上的进程间通信）

1. type（套接字类型）：指定套接字的类型。常见的值包括：

• SOCK_STREAM：面向连接的流式套接字，使用TCP协议
• SOCK_DGRAM：无连接的数据报套接字，使用UDP协议
• SOCK_RAW：原始套接字，允许对底层协议直接访问

1. protocol（协议）：指定使用的协议。常用值包括：

• 0：通常用于选择默认协议。例如，当 domain 是 AF_INET 且 type 是 SOCK_STREAM 时，默认协议是TCP。

返回值

socket() 函数成功时返回一个套接字描述符（非负整数），失败时返回 -1 并设置 errno 来指示错误。

bind()

bind() 函数用于将套接字绑定到一个本地地址和端口。对于服务器端套接字，这是必需的步骤，因为它指定了服务器将在其上监听连接请求的地址和端口。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数

bind() 函数有三个参数：

1. sockfd：由 socket() 函数返回的套接字描述符。
2. addr：指向 sockaddr 结构的指针，包含了要绑定的地址和端口信息。
3. addrlen：sockaddr 结构的长度。

其中sockaddr 结构

在 IPv4 中，sockaddr 结构通常是 sockaddr_in 结构，它定义如下：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family;   // 地址族 (AF_INET)//IPv4
    in_port_t sin_port;       // 端口号 (使用 htons() 转换)
    struct in_addr sin_addr;  // IP 地址
};

struct in_addr {
    uint32_t s_addr;          // 地址 (使用 inet_addr() 或 INADDR_ANY（它的值是 0.0.0.0，表示所有的 IPv4 地址。）)
};

返回值

bind() 函数成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno 来指示错误。

示例

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>

#define PORT 8080

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in address;

    // 创建一个 IPv4 的 TCP 套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        return -1;
    }

    // 初始化地址结构
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 绑定到所有可用接口
    address.sin_port = htons(PORT);        // 将端口号转换为网络字节序

    // 绑定套接字到指定地址和端口
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    std::cout << "Bind successful" << std::endl;

    // 关闭套接字
    close(sockfd);

    return 0;
}

在上面的示例中，我们执行了以下步骤：

1. 使用 socket() 函数创建一个套接字。
2. 初始化 sockaddr_in 结构，将地址族设置为 AF_INET，IP 地址设置为 INADDR_ANY（这意味着绑定到所有可用的接口），端口号设置为 8080（使用 htons() 函数将端口号从主机字节序转换为网络字节序）。
3. 使用 bind() 函数将套接字绑定到指定的地址和端口。
4. 如果绑定成功，输出成功信息；否则，输出错误信息。
5. 关闭套接字。

bind() 函数在服务器端使用较多，客户端通常不需要显式调用这个函数，因为操作系统会在 connect() 函数调用时自动选择一个合适的端口。

三、listen

listen() 函数用于将一个套接字设置为被动模式，即它将成为一个服务器套接字，可以接受来自客户端的连接请求。这个函数在服务器端使用，是建立一个TCP服务器的重要步骤之一。

#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

参数

listen() 函数有两个参数：

1. sockfd：由 socket() 函数返回的套接字描述符。
2. backlog：定义了内核为此套接字排队的最大连接数。如果连接请求的数量超过此值，则新的连接请求可能会被拒绝。

返回值

listen() 函数成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno 来指示错误。

使用步骤

在服务器端，典型的步骤是：

1. 创建套接字 (socket()).
2. 绑定套接字到本地地址和端口 (bind()).
3. 将套接字设置为监听模式 (listen()).
4. 接受客户端连接 (accept()).

四、accept()

accept() 函数用于在服务器端接受一个客户端的连接请求。它从已完成连接队列中取出下一个连接，并为新的连接创建一个新的套接字。accept() 是阻塞调用，直到有新的连接进来。

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

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

参数

accept() 函数有三个参数：

1. sockfd：由 socket() 和 bind() 函数创建并由 listen() 函数设置为监听模式的套接字描述符。
2. addr：指向 sockaddr 结构体的指针，接受连接的客户端的地址信息。可以是 sockaddr_in（对于IPv4）或 sockaddr_in6（对于IPv6）结构体。
3. addrlen：指向一个 socklen_t 类型的变量，它在调用时指定 addr 结构的大小，并在返回时被设置为客户端地址的实际大小。

返回值

accept() 函数成功时返回一个新的套接字描述符（非负整数），用于与客户端通信；失败时返回 -1 并设置 errno 来指示错误。

五、connect()

connect() 函数在客户端编程中起着关键作用。它用于将客户端的套接字连接到服务器的地址和端口。connect() 通过向服务器发送连接请求，并在服务器接受连接请求后，建立一个双向的通信通道。

connect() 的使用

connect() 函数通常在客户端使用，它将客户端的套接字连接到指定的服务器地址和端口。调用 connect() 时，客户端的套接字必须已经使用 socket() 函数创建。

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

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

• sockfd：通过 socket() 创建的套接字文件描述符。
• addr：指向包含服务器地址信息的 sockaddr 结构体。
• addrlen：地址结构体的长度。

返回值

成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno。

六、recv

recv() 函数用于在连接建立后从套接字接收数据。它通常用于从服务器或客户端接收数据，可以在服务器端和客户端的通信中使用。

recv() 的使用

recv() 函数通常在已经建立连接的套接字上使用，用于从对端接收数据。

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

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

参数：

• sockfd：已连接的套接字文件描述符。
• buf：指向用于存储接收到的数据的缓冲区。
• len：缓冲区的长度。
• flags：接收操作的标志。常用标志包括 0（默认）和 MSG_DONTWAIT（非阻塞模式）。

返回值

成功时返回接收到的字节数，失败时返回 -1 并设置 errno。

七、read

#include <unistd.h>

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

参数：

• fd：文件描述符，可以是套接字、文件、管道等。
• buf：指向用于存储接收到的数据的缓冲区。
• count：缓冲区的长度。

返回值

成功时返回读取的字节数，失败时返回 -1 并设置 errno。

read与recv的区别

功能范围：

• recv() 专门用于套接字通信，并且可以指定额外的标志来控制接收行为。
• read() 是一个通用的系统调用，可以用于任何文件描述符，包括套接字、文件、管道等。

标志选项：

• recv() 允许使用 flags 参数来指定额外的控制选项，例如 MSG_DONTWAIT、MSG_PEEK 等。
• read() 没有 flags 参数，因此不提供额外的控制选项。

使用场景：

• 如果需要使用额外的控制选项或明确表示这是一个网络操作，通常使用 recv()。
• 如果只需要简单地从文件描述符读取数据且不需要额外控制选项，通常使用 read()。

八、send

send() 函数用于向套接字发送数据。它与 recv() 对应，通常在服务器端和客户端的通信中使用。

send() 的使用

send() 函数通常在已建立连接的套接字上使用，用于向对端发送数据。

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

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

• sockfd：已连接的套接字文件描述符。
• buf：指向包含要发送的数据的缓冲区。
• len：缓冲区中要发送数据的长度。
• flags：用于指定发送操作的标志。常用的标志包括 0（默认）和 MSG_DONTWAIT（非阻塞模式）。

返回值

成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1 并设置 errno。

九、close

close() 函数用于关闭一个打开的文件描述符，这里包括套接字。关闭一个套接字会释放它占用的所有资源。对于网络编程来说，close() 是一个重要的步骤，因为它会终止与该套接字相关的所有网络连接。

close() 的使用

close() 是一个非常简单的系统调用，用于关闭文件描述符。它的定义如下：

#include <unistd.h>
int close(int fd);

• fd：要关闭的文件描述符。

返回值

成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno。

close的关闭顺序

在网络编程中，正确关闭套接字对于释放资源和确保连接的正常终止非常重要。套接字关闭的顺序通常如下：

1. 客户端关闭连接：客户端在完成所有数据发送和接收后，首先关闭自己的套接字。
2. 服务器关闭连接：服务器在检测到客户端已经关闭连接之后，关闭相应的客户端套接字。

十、setsockopt()

setsockopt() 函数用于设置套接字选项。它可以控制套接字的行为，如允许端口复用、设置超时时间、控制数据包的发送和接收缓冲区大小等。

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

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

• sockfd：套接字文件描述符。
• level：选项的级别。例如，SOL_SOCKET 表示通用套接字选项。常见的级别包括：
  • SOL_SOCKET：适用于通用套接字选项。
  • IPPROTO_TCP：适用于 TCP 特定选项。
  • IPPROTO_IP：适用于 IP 特定选项。
• optname：需要设置的选项名称。
• optval：指向包含选项值的缓冲区。
• optlen：optval 缓冲区的大小。

返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno。

常用选项

以下是一些常用的 setsockopt() 中optname选项：

• SO_REUSEADDR：允许重用本地地址和端口。
• SO_REUSEPORT：允许多个套接字绑定到同一个端口（在某些系统中可用）。
• SO_RCVBUF：设置接收缓冲区的大小。
• SO_SNDBUF：设置发送缓冲区的大小。
• SO_KEEPALIVE：启用保活机制，以检测断开的连接。

这五个常用的选项，对应的optval都是int选项SO_RCVBUF SO_SNDBUF 对应的int是缓存区的大小，其他的是1（启用），0（禁用）。

十一、fcntl

fcntl 函数在 Unix 系统中用于对文件描述符进行各种控制操作，包括设置非阻塞模式、获取和设置文件描述符标志等。在网络编程中，它通常用于设置套接字的非阻塞模式。

#include <fcntl.h>

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

fd：文件描述符，即要进行操作的套接字或文件的句柄。 cmd：操作命令，指定要执行的操作，可以是以下之一：

• F_GETFL：获取文件状态标志。（此时第三个参数不是必需的，可以传递 0 或者 NULL。）
• F_SETFL：设置文件状态标志。
• 常见的有
• 非阻塞模式 (O_NONBLOCK)：
  • 作用：将套接字设置为非阻塞模式，使得读写操作不会阻塞进程，而是立即返回。适用于需要异步操作的场景，如同时处理多个连接或超时控制。
  • 使用方式：fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

  异步输入输出模式 (O_ASYNC)：

  • 作用：允许套接字接收到信号通知，表明有数据可读或写入完成。
  • 使用方式：fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_ASYNC);

  关闭非阻塞模式 (O_NONBLOCK 的反操作)：

  • 作用：关闭套接字的非阻塞模式，使得读写操作会阻塞进程直到操作完成。
  • 使用方式：fcntl(sockfd, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK);

示例代码

// 设置套接字为非阻塞模式
int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
if (flags == -1) {
    perror("fcntl F_GETFL failed");
    close(sockfd);
    return -1;
}
if (fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) == -1) {
    perror("fcntl F_SETFL failed");
    close(sockfd);
    return -1;