Linux 网络编程基础：构建你的第一个 TCP 服务器
Linux网络编程基础以及第一个TCP服务器
- 一、什么是 IO ？
- 二、网络编程接口函数
- 2.1、socket() 函数
- 2.2、bind() 函数
- 2.3、listen() 函数
- 2.4、accept() 函数
- 2.5、fcntl() 函数
- 2.6、connect() 函数
- 2.7、send() 函数
- 2.8、recv() 函数
- 2.9、close() 函数
- 三、阻塞和非阻塞的区别
- 四、如何开发一个TCP服务器？
- 五、总结
一、什么是 IO ？
IO 是 input/output的简写，即输入输出。在操作系统以上的软件层面，特别是在Linux上的 IO 都可以视为 fd （文件描述符），网络 IO 也可以视为 socket。
下图是TCP服务器与客户端的交互示意图：
TCP服务会监听一个端口，客户端连接到端口时服务器会为其生成对应的 listen fd（每一个TCP连接都会在服务器生成相应的socket）。
只要能构建出输入和输出，在口语表述的时候都可以称为IO。
网络 IO 编程主要围绕两个核心：
- 阻塞、非阻塞，异步、同步。
- IO多路复用。
二、网络编程接口函数
假设我们要实现一个 TCP 服务器，我们就要先了解有哪些接口可以使用。在Linux中，使用C++进行网络编程通常涉及几个基本的socket函数。
那么什么是 socket 呢？
socket 直接翻译过来叫做 “插座”，很难与 IO 联想到一起。插座一般分为两个部分，即插头和座排；socket也同样如此，带有两层属性：
fd，即它是一个文件，可以通过open、read、write去操作它。- 同样也具备网络的属性，是网络通信的一个 TCB 控制块。
这两个是联系在一起的，当我们调用write或read这个函数的时候，它通过 fd 查找到对应的收发网络控制块，然后把数据放到里面去。
2.1、socket() 函数
函数原型：
#include | 参数 | 描述 | 取值示例 |
|---|---|---|
domain | 指定协议族（地址族），决定使用哪种网络协议。 | AF_INET （IPv4） AF_INET6 （IPv6） AF_UNIX （本地通信） AF_PACKET （链路层） |
type | 指定套接字类型，决定套接字的传输协议类型。 | SOCK_STREAM （TCP，面向连接） SOCK_DGRAM （UDP，无连接） SOCK_RAW （原始套接字） SOCK_SEQPACKET （面向消息的可靠连接） |
protocol | 指定具体的传输协议，通常设为0以选择默认协议。 | IPPROTO_TCP （用于 TCP） IPPROTO_UDP （用于 UDP） 0 （使用默认） |
返回值：成功时返回一个非负整数（socket描述符），失败时返回 -1。
socket()函数为什么一直是使用三个参数呢？
这是有一定历史原因在里面的，几十年了一直都这么写；这三个参数中，除了第二个参数可能要变之外，其他的参数可能都没有变过（当然，这说到是绝大多数情况下）。比如，第一个参数是指定协议族，要指定的原因是因为几十年前不仅仅只有TCP协议，还有其他各式各样的协议同时存在（百花齐放时期），那时候就是用第一个参数来指定的，只是后面经过淘汰，就只留下了AF_*几个（目前用的最多的还是AF_INET）。然而，随着历史的迁移，为了兼容性，这三个参数就一直没有更改过。
这里可能会有一个疑问，socket是一个int类型的值，为什么是int的呢？
这意味着后面很多东西是基于int值进行操作的，socket默认从0开始，依次递增，其中0，1，2是系统确定的，代着这标准输入输出，即stdin、stdout、stderr。
2.2、bind() 函数
socket()函数解决了fd的问题，即插口，还需要使用bind()函数提供“座排”，即网络部分。
函数原型：
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数：
sockfd: socket描述符。addr: 指向sockaddr结构的指针，包含要绑定的地址信息。addrlen: 地址结构的大小。
返回值：成功时返回0，失败时返回-1。
要想使用bind()函数，还需要了解一个非常重要的结构体：struct sockaddr_in ，它是在 C 和 C++ 编程中用于表示 IPv4 地址的结构体，其定义通常在
struct sockaddr_in 结构体定义：
struct sockaddr_in {
short sin_family; // 地址族，通常为 AF_INET
unsigned short sin_port; // 端口号（网络字节序）
struct in_addr sin_addr; // IPv4 地址
char sin_zero[8]; // 填充字段，用于保持结构体的对齐
};
| 成员 | 数据类型 | 描述 |
|---|---|---|
sin_family | short | 地址族字段。对于 IPv4，通常设置为 AF_INET。 其他的还有AF_INET6 （IPv6）、 AF_UNIX （本地通信）、 AF_PACKET （链路层）。 |
sin_port | unsigned short | 16 位端口号，使用网络字节序（Big Endian）。可以使用 htons() 函数转换主机字节序到网络字节序。 |
sin_addr | struct in_addr | 表示 IPv4 地址的结构体，包含一个无符号长整型 s_addr。可以使用 inet_pton() 函数将字符串形式的地址转换为此格式。 |
sin_zero | char[8] | 保留字段，用于填充，确保 struct sockaddr 的大小与 sockaddr_in 结构体的一致性。 通常不使用，可将其置为0。 |
其中sin_addr 是一个类型为 struct in_addr 的结构体，其定义如下：
struct in_addr {
unsigned long s_addr; // 32 位 IPv4 地址，以网络字节序存储
};
struct in_addr 结构体用于表示 IPv4 地址，关键字段是 s_addr，它是一个无符号长整型（32 位）。设置 s_addr 的值可以用来指定不同的网络地址。常用的 struct in_addr 值：
| 名称 | 值 | 描述 |
|---|---|---|
INADDR_ANY | 0.0.0.0 | 表示接收来自任意 IP 地址的连接。服务器常用此地址进行绑定，允许接收来自所有接口的请求。 |
INADDR_LOOPBACK | 127.0.0.1 | 本地回环地址，表示本机，常用于测试和调试网络应用。通常可用于测试本地服务。 |
INADDR_BROADCAST | 255.255.255.255 | 广播地址，用于向网络中所有主机发送数据包。适用于需要向所有网络上的设备发送数据的情况。 |
INADDR_NONE | 0xffffffff | 用于指示无效地址，无论何时应视为无效或未指定。 |
INADDR_ALLHOSTS_GROUP | 224.0.0.1 | 特殊的多播地址，用于IPv4多播，表示所有主机组，接收此地址在同一子网的所有主机。 |
要想绑定到一个指定的 IPv4 地址（例如 192.168.1.1），需要使用 inet_pton() 函数来将字符串形式的 IP 地址转换为 struct in_addr 结构体。
inet_pton() 函数的原型定义在 头文件中。其函数原型如下：
int inet_pton(int family, const char *str, void *addr);
参数说明：
int family: 地址族，通常使用AF_INET（IPv4）或AF_INET6（IPv6）。const char *str: 要转换的 IP 地址字符串，通常是点分十进制格式的 IPv4 地址（例如：“192.168.1.1”）或者是标准的 IPv6 地址字符串。void *addr: 指向struct in_addr（对于 IPv4）或struct in6_addr（对于 IPv6）结构的指针，用于存储转换后的地址。
返回值：
- 返回值为
1，表示转换成功。 - 返回值为
0，表示输入字符串不是有效的地址。 - 返回值为
-1，表示发生错误，可以使用errno获取错误码。
inet_pton() 是一种更安全和现代的方法，用于将 IP 地址字符串转换为二进制格式，推荐使用，取代了更早期的 inet_addr() 函数。
2.3、listen() 函数
函数原型：
int listen(int sockfd, int backlog);
参数：
sockfd: socket描述符。backlog: 指定等待连接的最大数量。
返回值：成功时返回0，失败时返回-1。
listen()就像一个酒店里的迎宾的人，当客户端连接进来是首先接触到的就是这个listen，然后由将其带到大堂交给服务员来为他提供其他服务。
2.4、accept() 函数
函数原型：
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
参数：
sockfd: socket 描述符。addr: 可选的sockaddr结构指针，用来存储客户端的地址。addrlen: 可选的指针，用于表示地址结构的大小。
返回值：成功时返回一个新的 socket 描述符，代表与客户端的连接，失败时返回-1。
在调用这个函数之前，如何没有调用fcntl()函数设置socket fd为非阻塞模式，程序会一直阻塞住，直到有客户端连接进来。
2.5、fcntl() 函数
fcntl() 函数用于在 UNIX 和类 UNIX 系统编程中对文件描述符执行控制操作。fcntl() 提供了多种功能，包括复制文件描述符、改变描述符的属性、获取当前状态等。
fcntl() 函数的原型定义在
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
参数说明：
int fd: 要操作的文件描述符，通常是通过open()或socket()等函数获得的。int cmd: 控制命令，决定执行的操作。... /* arg */: 可选参数，具体依赖于cmd的值。例如，某些命令需要额外的参数来执行特定的操作。
以下是 fcntl() 函数中 int cmd 参数的常用值：
| 命令 (cmd) | 值 | 含义 |
|---|---|---|
F_DUPFD | 0 | 复制文件描述符，并返回新的文件描述符。 |
F_GETFD | 1 | 获取文件描述符的标志。 |
F_SETFD | 2 | 设置文件描述符的标志。 |
F_GETFL | 3 | 获取文件状态标志。 |
F_SETFL | 4 | 设置文件状态标志。 (O_NONBLOCK, O_APPEND 等) |
F_GETLK | 5 | 获取文件锁定的信息。 |
F_SETLK | 6 | 设置文件锁定（非阻塞）。 |
F_SETLKW | 7 | 设置文件锁定（阻塞）。 |
F_GETOWN | 8 | 获取异步 I/O 所有者。 |
F_SETOWN | 9 | 设置异步 I/O 所有者。 |
F_GETSIG | 10 | 获取异步 I/O 的信号。 |
F_SETSIG | 11 | 设置异步 I/O 的信号。 |
F_GETLK64 | 12 | 获取文件锁定的信息（64 位版）。 |
F_SETLK64 | 13 | 设置文件锁定（64 位版，非阻塞）。 |
F_SETLKW64 | 14 | 设置文件锁定（64 位版，阻塞）。 |
注意：关于文件锁的 F_GETLK, F_SETLK, 和 F_SETLKW 命令需要一个 struct flock 结构体作为可选参数，用于描述锁的类型、偏移量和长度等。F_GETLK64, F_SETLK64, 和 F_SETLKW64 是针对大文件（通常是大于 2GB 的文件）的锁定操作。
返回值：
- 成功时，
fcntl()返回取决于cmd的特定值。对于F_GETFD和F_GETFL等命令，这将是所请求的状态标志；对于F_DUPFD，返回新的文件描述符。 - 失败时，返回
-1，并设置errno以指示错误。
对于网络 IO 设置阻塞和非阻塞，主要使用F_GETFL和F_SETFL两个。设置标志时最好要先把之前的标志获取出来，然后通过位运算把网络 IO 模式 “或（|）”进去，不要直接设置，这会把它之前的其他标志全部清除了，是非常不建议直接设置的。
2.6、connect() 函数
函数原型：
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数：
sockfd: socket描述符。addr: 指向sockaddr结构的指针，包含要连接的服务器地址。addrlen: 地址结构的大小。
返回值：成功时返回0，失败时返回-1。
2.7、send() 函数
函数原型：
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
参数：
sockfd: socket描述符。buf: 指向要发送的数据的指针。len: 要发送的字节数。flags: 通常设置为0。
返回值：成功时返回发送的字节数，失败时返回-1。
注意：send()返回一个大于0的数并不意味发送成功，数据并不一定已经发送出去了。send()只是将数据拷贝到协议栈，什么时候发送出去不是我们决定的。要判断发送的数据是否已经被对端接收到，只有一个标准：对端回了确认消息。虽然TCP 有 ACK 机制，但在业务层是感知不到的；特别是进程退出的时候，它很难知道是否发送成功。
2.8、recv() 函数
函数原型：
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
参数：
sockfd: socket描述符。buf: 指向接收数据的缓冲区。len: 缓冲区的大小。flags: 通常设置为0。
返回值：成功时返回接收到的字节数，失败时返回-1，连接关闭时返回0。
2.9、close() 函数
函数原型：
#include fd:是需要关闭的文件描述符（在这里是socket描述符）。成功时返回0，失败时返回-1。
三、阻塞和非阻塞的区别
阻塞会一直等待数据到来才会返回。非阻塞会立即返回，不管有没有数据。
那么，在网络编程中accept()函数到底阻塞在哪里？阻塞的条件是什么？
accept() 函数阻塞在 等待新的连接请求 的过程中。accept() 函数的阻塞并非发生在特定的代码行，而是在 内核等待连接请求到达 的过程中。内核会在后台持续监听网络接口，一旦检测到新的连接请求，就会将请求放入连接队列中，并将 accept() 函数从阻塞状态唤醒。
阻塞的条件包括：
-
没有连接请求 。
-
连接队列已满。
四、如何开发一个TCP服务器？
开发 TCP 服务器的基本步骤：
- 创建一个
socket。 - 设置端口并绑定。
- 设置网络IO的阻塞模式还是非阻塞模式，默认是阻塞模式。
- 监听端口。
- 接受客户端连接。
- 设置客户端socket fd 的网络 IO 是阻塞模式还是非阻塞模式，默认是阻塞模式。
- 收发数据，数据处理。
下面是一个简单地“一问一答”的服务器示意图：
下面的代码每次只能处理一个客户端的数据，因此也是最基础的“一问一答”的服务器。
服务器端代码：
#include 客户端代码：
#include 五、总结
以上是Linux C++ socket 编程的一些基本函数及其用法。通过这些函数，你可以实现基本的网络通信，包括建立连接、数据传输等。实际应用中，错误处理、非阻塞和多线程等都会涉及，但这些内容可以在逐步学习中深入了解。
