Linux C Socket 编程基础与实践
Socket 编程是网络通信的核心技术，它允许不同主机上的进程通过 TCP/IP 协议进行数据交换，在 Linux 环境下，使用 C 语言进行 Socket 开发是系统级网络应用的基础，本文将详细介绍 Socket 编程的基本概念、核心函数、通信流程及实践案例。
Socket 编程基础概念
Socket（套接字）是通信的端点，通过 IP 地址和端口号标识网络中的进程，Linux 中，Socket 是一种文件描述符，支持多种通信类型，包括：
- 流式 Socket（SOCK_STREAM）：基于 TCP，提供可靠的、面向连接的服务。
- 数据报 Socket（SOCK_DGRAM）：基于 UDP，提供无连接、不可靠但高效的传输。
- 原始 Socket（SOCK_RAW）：直接操作 IP 层，用于网络协议分析。
Socket 通信遵循客户端-服务器模型，流程分为服务器端（绑定、监听、接受连接）和客户端（发起连接、请求服务）两部分。
核心函数与 API
Socket 编程依赖一组系统调用，以下是关键函数及其作用：
| 函数名 | 功能描述 | 参数说明 |
|---|---|---|
socket() |
创建 Socket | domain（协议族，如 AF_INET）、type（类型，如 SOCK_STREAM）、protocol（协议，通常为 0） |
bind() |
绑定 IP 和端口 | sockfd（Socket 描述符）、addr（地址结构指针）、addrlen（地址长度） |
listen() |
监听客户端连接 | sockfd、backlog（最大待处理连接数） |
accept() |
接受客户端连接 | sockfd、addr（客户端地址）、addrlen（地址长度） |
connect() |
客户端发起连接 | sockfd、addr（服务器地址）、addrlen（地址长度） |
send()/recv() |
发送/接收数据 | sockfd、buf（数据缓冲区）、len（数据长度）、flags（传输标志） |
close() |
关闭 Socket | sockfd |
TCP 通信流程
服务器端步骤
- 创建 Socket：
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)； - 绑定地址：
bind()，指定服务器 IP 和端口； - 监听连接：
listen()，进入被动监听状态； - 接受连接：
accept()，返回新的 Socket 描述符用于通信； - 收发数据：通过
send()和recv()与客户端交互； - 关闭 Socket：
close()。
客户端步骤
- 创建 Socket：
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)； - 发起连接：
connect()，指定服务器 IP 和端口； - 收发数据：
send()和recv()； - 关闭 Socket：
close()。
UDP 通信流程
UDP 是无连接协议，流程更简单：
- 服务器端：
bind()后直接通过recvfrom()接收数据，sendto()发送响应； - 客户端：无需连接，直接通过
sendto()发送数据，recvfrom()接收响应。
代码示例
TCP 服务器端代码片段
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
listen(sockfd, 5);
int client_fd = accept(sockfd, NULL, NULL);
char buffer[1024] = {0};
recv(client_fd, buffer, 1024, 0);
printf("Received: %s\n", buffer);
send(client_fd, "Hello, Client!", 14, 0);
close(client_fd);
close(sockfd);
TCP 客户端代码片段
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);
connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
send(sockfd, "Hello, Server!", 14, 0);
char buffer[1024] = {0};
recv(sockfd, buffer, 1024, 0);
printf("Received: %s\n", buffer);
close(sockfd);
错误处理与调试
Socket 编程中常见的错误包括：
bind()失败：端口被占用或 IP 地址无效；accept()失败：无连接可接受或 Socket 未正确监听；connect()失败：服务器未启动或网络不可达。
调试时可通过 perror() 输出错误信息，或使用 strerror(errno) 获取详细错误描述。
性能优化与高级特性
- 非阻塞 I/O：通过
fcntl()设置 Socket 为非阻塞模式，避免accept()或recv()阻塞； - 多路复用：使用
select()、poll()或epoll()管理多个 Socket 连接，提高并发性能； - 缓冲区优化：调整
send()和recv()的缓冲区大小，减少系统调用次数。
Linux C Socket 编程是构建网络应用的基础技能，掌握 Socket 的创建、绑定、监听、连接及数据收发流程，理解 TCP/UDP 的差异，并结合错误处理和性能优化技术，能够开发出高效稳定的网络程序，通过实践案例和代码示例，开发者可以快速上手并应用于实际项目中。
