Linux环境下C语言Socket编程详解
Socket（套接字）是网络通信的基础，它为不同主机间的进程提供了数据交换的接口，在Linux系统中，C语言通过Socket API实现了高效的TCP/IP通信，本文将从Socket基础概念、核心函数、TCP/UDP通信流程、多路复用技术及错误处理等方面，系统介绍Linux下的C语言Socket编程。
Socket基础概念
Socket是一种文件描述符，类似于文件I/O操作，在Linux中，一切皆文件，Socket通信本质是通过读写文件描述符实现的，Socket通信分为三种类型：
- 流式套接字（SOCK_STREAM）：基于TCP，提供面向连接、可靠的数据传输，适用于文件传输、网页浏览等场景。
- 数据报套接字（SOCK_DGRAM）：基于UDP，无连接、不可靠但高效，适用于视频会议、DNS查询等实时性要求高的场景。
- 原始套接字（SOCK_RAW）：直接操作IP层，常用于网络协议分析和自定义协议开发。
核心Socket函数
Socket编程涉及一系列系统调用函数，以下是关键函数及其用法：
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socket()
用于创建Socket，原型为：int socket(int domain, int type, int protocol);
domain：地址族，如AF_INET（IPv4）、AF_INET6（IPv6）、AF_UNIX（本地通信）。type：套接字类型，如SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM。protocol：协议，通常设为0表示自动选择。
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bind()
将Socket与指定IP地址和端口号绑定，原型为：int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
需注意，服务器端必须绑定固定端口，而客户端通常由系统自动分配。
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listen()与accept()
listen()：将Socket设置为监听状态，原型为：int listen(int sockfd, int backlog);
backlog表示最大等待连接数。accept()：接受客户端连接，返回新的Socket文件描述符，用于后续通信。
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connect()
客户端发起连接，原型为：int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
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send()与recv()
用于数据传输，原型分别为：
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);
flags通常设为0，也可使用MSG_DONTWAIT实现非阻塞发送。
TCP通信流程
TCP通信是面向连接的，流程分为服务器端和客户端两部分：
服务器端流程：
- 调用
socket()创建Socket。 - 使用
bind()绑定IP和端口。 - 调用
listen()进入监听状态。 - 循环调用
accept()等待客户端连接。 - 通过
send()和recv()与客户端通信。 - 关闭Socket。
客户端流程：
- 调用
socket()创建Socket。 - 使用
connect()连接服务器。 - 通过
send()和recv()收发数据。 - 关闭Socket。
UDP通信流程
UDP是无连接的，通信流程更简单：
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服务器端：
- 创建
SOCK_DGRAM类型的Socket。 - 绑定IP和端口。
- 循环调用
recvfrom()接收数据，并通过sendto()回复。
- 创建
-
客户端：
- 创建
SOCK_DGRAM类型的Socket。 - 直接调用
sendto()发送数据，并使用recvfrom()接收响应。
- 创建
多路复用技术：select与poll
当需要同时处理多个Socket时，可采用I/O多路复用技术。
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select()
通过监视一组文件描述符的状态，实现非阻塞I/O，原型为：
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
nfds：监视的最大文件描述符+1。readfds、writefds、exceptfds：分别监视读、写、异常事件。timeout：超时时间，设为NULL表示阻塞等待。
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poll()
相比select()，poll()没有文件描述符数量限制，但效率较低，原型为：int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
fds：指向pollfd结构体数组，每个元素包含文件描述符和事件类型。
错误处理与调试
Socket编程中常见的错误包括：
- EADDRINUSE：地址已被占用，需更换端口。
- ECONNREFUSED：连接被拒绝，检查服务器是否运行。
- ETIMEDOUT：连接超时，可能是网络问题或服务器未响应。
调试时，可结合perror()打印错误信息，或使用strerror()将错误码转换为字符串。
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0) {
perror("bind failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
非阻塞与异步I/O
默认情况下，Socket操作是阻塞的，可通过fcntl()设置为非阻塞模式：
int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0); fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
非阻塞模式下，send()、recv()等函数会立即返回，错误码为EAGAIN或EWOULDBLOCK，表示当前无法完成操作。
Linux还提供了更高性能的异步I/O机制，如epoll，适用于高并发场景。epoll通过epoll_create()创建实例，epoll_ctl()添加/修改/删除Socket，epoll_wait()等待事件触发。
Linux下的C语言Socket编程是网络开发的核心技能，从基础的socket()、bind()到高级的epoll多路复用，掌握这些技术能够构建高效、可靠的网络应用，在实际开发中，需注意错误处理、资源释放（如close()关闭Socket）以及网络安全（如输入验证、加密传输），通过不断实践，开发者可以灵活运用Socket API解决复杂的网络通信问题。
