Socket编程（C语言实现）——基于TCP协议，基于UDP协议(多线程，循环监听）(网络间通信AF_INET，典型的TCP/IP四型模型的通信过程)

Socket 编程基础与 C 语言实现

目前较为流行的网络编程模型是客户机/服务器（Client/Server）通信模式。客户进程向服务器进程发出请求，服务器进程响应该请求。通常，一个服务器进程会同时为多个客户端进程服务。如下图所示，服务器进程 B1 同时为客户进程 A1、A2 和 B2 提供服务。

Socket 概述

定义：所谓 Socket 通常也称作“套接字”，用于描述 IP 地址和端口，是一个通信链的句柄。应用程序通常通过“套接字”向网络发出请求或者应答网络请求。
端点：Socket 是连接运行在网络上的两个程序间的双向通信端点。
本质：网络通讯本质上就是 Socket 间的通讯。
传输：通讯的两端都有 Socket，数据在两个 Socket 之间通过 I/O 来进行传输。

套接字（Socket）的类型

流式套接字（SOCK_STREAM）
- 提供面向连接、可靠的数据传输服务。
- 数据无差错、无重复地发送，且按发送顺序接收。
- 基于 TCP 协议。
数据报式套接字（SOCK_DGRAM）
- 提供无连接服务。
- 数据包以独立包形式发送，不提供无错保证，数据可能丢失，并且接收顺序可能混乱。
- 基于 UDP 协议。
原始套接字（SOCK_RAW）
- 允许直接访问底层协议（如 IP、ICMP 等），通常用于网络监控或协议开发。

Socket 的设计哲学

Socket 起源于 Unix，而 Unix/Linux 基本哲学之一就是“一切皆文件”，都可以用“打开（open）→ 读写（write/read）→ 关闭（close）”模式来操作。Socket 就是该模式的一个实现：Socket 即是一种特殊的文件，一些 Socket 函数就是对其进行的操作（读/写 I/O、打开、关闭）。

说白了，Socket 是应用层与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket 其实就是一个门面模式（Facade Pattern），它把复杂的 TCP/IP 协议族隐藏在 Socket 接口后面。对用户来说，一组简单的接口就是全部，让 Socket 去组织数据，以符合指定的协议。

随着 Unix 的应用推广，套接字被引进了 Windows 等操作系统。套接字通常只与同一区域的套接字交换数据，Windows Socket 只支持一个通信区域：网际域（AF_INET），这个域被使用网际协议簇的通信进程使用。

网络通信流程

服务器程序将一个套接字绑定到一个特定的端口，并通过此套接字等待和监听客户的连接请求。
客户程序根据服务器程序所在的主机和端口号发出连接请求。
如果一切正常，服务器接受连接请求，并获得一个新的绑定到不同端口地址的套接字。
客户和服务器通过读、写套接字进行通讯。

客户机/服务器（C/S）模式

在 TCP/IP 网络应用中，通信的两个进程间相互作用的主要模式是客户机/服务器模式（Client/Server）。即客户向服务器提出请求，服务器接收到请求后，提供相应的服务。

服务器端流程：

启动：服务器方要先启动，打开一个通信通道并告知本机，它愿意在某一地址和端口上接收客户请求。
等待：等待客户请求到达该端口。
处理：接收服务请求，处理该客户请求。服务完成后，关闭此新进程与客户的通信链路，并终止。
循环：返回第二步，等待另一个客户请求。
关闭：关闭服务器。

客户端流程：

连接：打开一个通信通道，并连接到服务器所在的主机特定的端口。
交互：向服务器发送请求，等待并接收应答，继续提出请求。
终止：请求结束后关闭通信信道并终止。

基于 TCP 协议的 Socket 编程

流式传输（客户端）：
socket() 函数；
bind() 函数可有可无，加上指定传输端口，不加随机分配端口；
connect() 函数，填写服务端的地址与端口【网络间通信 AF_INET】；
send() 函数；
recv() 函数。
流式传输（服务端）：
socket() 函数；
bind() 函数，必须加上指定传输端口【网络间通信 AF_INET】；
listen() 函数，使用 iSocketFD；
accept() 函数，生成新的 fd，new_fd；
send() 函数，new_fd；
recv() 函数，new_fd。

服务器端先初始化 Socket，然后与端口绑定（bind），对端口进行监听（listen），调用 accept 阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个 Socket，然后连接服务器（connect），如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

基于 TCP 的 Socket 编程实现（SOCK_STREAM）

网络间通信 AF_INET，典型的 TCP/IP 四层模型的通信过程。

服务器端代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
 
#define PORT 23         // 端口号
#define BACKLOG 5       // 最大监听数
 
int main()
{
    int iSocketFD = 0;      // socket 句柄
    int iRecvLen = 0;       // 接收成功后的返回值
    int new_fd = 0;         // 建立连接后的句柄
    char buf[4096] = {0};   // 接收缓冲区
    struct sockaddr_in stLocalAddr = {0};  // 本地地址信息结构体
    struct sockaddr_in stRemoteAddr = {0}; // 对方地址信息
    socklen_t socklen = 0;  
    
    // 建立 socket
    iSocketFD = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
    if(0 > iSocketFD)
    {
        printf("创建 socket 失败！\n");
        return 0;
    }   
    
    stLocalAddr.sin_family = AF_INET;                  // 该属性表示接收本机或其他机器传输
    stLocalAddr.sin_port = htons(PORT);                // 端口号
    stLocalAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   // IP，括号内容表示本机 IP
 
    // 绑定地址结构体和 socket
    if(0 > bind(iSocketFD, (void *)&stLocalAddr, sizeof(stLocalAddr)))
    {
        printf("绑定失败！\n");
        return 0;
    }
 
    // 开启监听，第二个参数是最大监听数
    if(0 > listen(iSocketFD, BACKLOG))
    {
        printf("监听失败！\n");
        return 0;
    }
 
    printf("iSocketFD: %d\n", iSocketFD);   
    // 在这里阻塞直到接收到消息，参数分别是 socket 句柄，接收到的地址信息以及大小 
    new_fd = accept(iSocketFD, (void *)&stRemoteAddr, &socklen);
    if(0 > new_fd)
    {
        printf("接收失败！\n");
        return 0;
    } else {
        printf("接收成功！\n");
        // 发送内容，参数分别是连接句柄，内容，大小，其他信息（设为 0 即可） 
        send(new_fd, "这是服务器接收成功后发回的信息!", sizeof("这是服务器接收成功后发回的信息!"), 0);
    }
 
    printf("new_fd: %d\n", new_fd);   
    iRecvLen = recv(new_fd, buf, sizeof(buf), 0);   
    if(0 >= iRecvLen)    // 对端关闭连接 返回 0
    {   
        printf("接收失败或者对端关闭连接！\n");
    } else {
        printf("buf: %s\n", buf);
    }
 
    close(new_fd);
    close(iSocketFD);
 
    return 0;
}

客户端代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
 
#define PORT 23             // 目标地址端口号
#define ADDR "192.168.1.230" // 目标地址 IP
 
int main()
{
    int iSocketFD = 0; // socket 句柄
    unsigned int iRemoteAddr = 0;
    struct sockaddr_in stRemoteAddr = {0}; // 对端，即目标地址信息
    socklen_t socklen = 0;      
    char buf[4096] = {0}; // 存储接收到的数据
 
    // 建立 socket
    iSocketFD = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
    if(0 > iSocketFD)
    {
        printf("创建 socket 失败！\n");
        return 0;
    }   
    
    stRemoteAddr.sin_family = AF_INET;
    stRemoteAddr.sin_port = htons(PORT);
    inet_pton(AF_INET, ADDR, &iRemoteAddr);
    stRemoteAddr.sin_addr.s_addr = iRemoteAddr;
    
    // 连接方法：传入句柄，目标地址，和大小
    if(0 > connect(iSocketFD, (void *)&stRemoteAddr, sizeof(stRemoteAddr)))
    {
        printf("连接失败！\n");
        // printf("connect failed:%d", errno); // 失败时也可打印 errno
    } else {
        printf("连接成功！\n");
        // 将接收数据打入 buf，参数分别是句柄，储存处，最大长度，其他信息（设为 0 即可）
        recv(iSocketFD, buf, sizeof(buf), 0); 
        printf("Received:%s\n", buf);
    }
    
    close(iSocketFD); // 关闭 socket    
    return 0;
}

测试步骤：

编译服务器、客户端代码：

[root@localhost tcp_socket]# make socket_server_tcp
cc     socket_server_tcp.c   -o socket_server_tcp
[root@localhost tcp_socket]# make socket_client_tcp
cc     socket_client_tcp.c   -o socket_client_tcp
[root@localhost tcp_socket]#

服务器端口监听：

[root@localhost tcp_socket]# ./socket_server_tcp

执行客户端：

非 telnet 方式：

服务器端显示：
[root@localhost tcp_socket]# ./socket_server_tcp 
iSocketFD: 3
接收成功！
new_fd: 4
接收失败或者对端关闭连接！
 
客户端显示：
[root@localhost tcp_socket]# ./socket_client_tcp 
连接成功！
Received:这是服务器接收成功后发回的信息!

telnet 服务器方式：

服务器端显示：
[root@localhost tcp_socket]# ./socket_server_tcp 
iSocketFD: 3
接收成功！
new_fd: 4
buf:  !"'#
 
客户端显示：
[root@localhost tcp_socket]# telnet 192.168.1.230
Trying 192.168.1.230...
Connected to 192.168.1.230.
Escape character is '^]'.
这是服务器接收成功后发回的信息!Connection closed by foreign host.

基于 UDP 协议的 Socket 编程

数据报传输（客户端）：
socket() 函数；
bind() 函数：绑定客户端的地址与端口【网络间通信 AF_INET】。若服务器端只是收不发数据（即服务端有 recvfrom() 函数无 sendto() 函数），则客户端不需要 bind() 函数；若服务端要发送数据（即有 sendto() 函数），则客户端需要 bind() 函数；
客户端 sendto() 函数参数：填写服务端的地址与端口【网络间通信 AF_INET】的结构体地址与结构体长度，服务端必须有 bind() 函数；
客户端 recvfrom() 函数参数：NULL，会自动识别。
数据报传输（服务端）：
socket() 函数；
bind() 函数：绑定服务端的地址与端口，以便于后续客户端 sendto() 函数参数的填写。若服务器端只是收不发数据，则客户端不需要 bind() 函数；
服务端 sendto() 函数参数：填写客户端的地址与端口的结构体地址与结构体长度，服务端必须有 bind() 函数；
recvfrom() 函数参数：NULL，会自动识别。

基于 UDP 的 Socket 编程实现（SOCK_DGRAM）

网络间通信 AF_INET，典型的 TCP/IP 四层模型的通信过程。

服务器端代码（多线程与循环监听）：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
 
void * test(void *pvData)
{
    while(1)
    {
        sleep(10);
        printf("################################\n");
    }
    return NULL;
}
 
int main(void)
{
    pthread_t stPid = 0; 
    int iRecvLen = 0;
    int iSocketFD = 0;
    char acBuf[4096] = {0};
    struct sockaddr_in stLocalAddr = {0};
    struct sockaddr_in stRemoteAddr = {0};
    socklen_t iRemoteAddrLen = 0;
 
    /* 创建 socket */
    iSocketFD = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(iSocketFD < 0)
    {
        printf("创建 socket 失败!\n");
        return 0;
    }
 
    /* 填写地址 */
    stLocalAddr.sin_family = AF_INET;
    stLocalAddr.sin_port   = htons(12345);
    stLocalAddr.sin_addr.s_addr = 0;
 
    /* 绑定地址 */
    if(0 > bind(iSocketFD, (void *)&stLocalAddr, sizeof(stLocalAddr)))
    {
        printf("绑定地址失败!\n");
        close(iSocketFD);
        return 0;
    }
    
    pthread_create(&stPid, NULL, test, NULL);   // 实现了多线程
    
    while(1)     // 实现了循环监听
    {
        iRecvLen = recvfrom(iSocketFD, acBuf, sizeof(acBuf), 0, (void *)&stRemoteAddr, &iRemoteAddrLen);
 
        printf("iRecvLen: %d\n", iRecvLen);
        printf("acBuf:%s\n", acBuf);
    }
    close(iSocketFD);
 
    return 0;
}

客户端代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
 
int main(void)
{
    int iRecvLen = 0;
    int iSocketFD = 0;
    int iRemotAddr = 0;
    char acBuf[4096] = {0};
    struct sockaddr_in stServerAddr = {0}; // 服务端地址信息
    socklen_t iRemoteAddrLen = 0;
 
    /* 创建 socket */
    iSocketFD = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(iSocketFD < 0)
    {
        printf("创建 socket 失败!\n");
        return 0;
    }
 
    /* 填写服务端地址 */
    stServerAddr.sin_family = AF_INET;
    stServerAddr.sin_port   = htons(12345);
    inet_pton(AF_INET, "192.168.1.230", (void *)&iRemotAddr);
    stServerAddr.sin_addr.s_addr = iRemotAddr;
 
    iRecvLen = sendto(iSocketFD, "这是一个测试字符串", strlen("这是一个测试字符串"), 0, (void *)&stServerAddr, sizeof(stServerAddr));
 
    close(iSocketFD);
 
    return 0;
}

测试步骤：

编译服务器： 因为有多线程，所以服务器端进程要进行 pthread 编译：
```
[root@localhost udp_socket]# gcc socket_server_UDP.c -pthread -g -o socket_server_UDP
```

服务器监听：

[root@localhost udp_socket]# ./socket_server_UDP

客户端连接服务器：

[root@localhost tcp_socket]# ./socket_client_UDP

服务器端口显示结果：

[root@localhost udp_socket]# ./socket_server_UDP 
iSocketFD: 3
################################
################################
iRecvLen: 27
acBuf:这是一个测试字符串
iSocketFD: 3
################################

结果解释说明：
服务器端有主线程和辅线程。主线程负责打印客户端发送的请求；辅线程每隔 10 秒钟打印一排 # 号。

参考链接

参考链接：https://blog.csdn.net/zhang___yong/article/details/78702559
Java 实现：https://www.cnblogs.com/wzy330782/p/5479833.html
基于 TCP/IP 和 UDP 协议的 socket 编程结构解析：https://blog.csdn.net/zhengnice/article/details/51428080

说明： 本文示例代码基于 Linux/Unix 环境（使用 POSIX API，如 pthread、arpa/inet.h 等）。若在 Windows 环境下开发，需使用 Winsock 库（winsock2.h）并调整部分函数调用（如 close 改为 closesocket，初始化 WSAStartup 等）。

本文地址：https://1diff.fun/archives/socket-bian-cheng-c-yu-yan-shi-xian--ji-yu-tcp-xie-yi--ji-yu-udp-xie-yi--duo-xian-cheng--xun-huan-jian-ting--wang-luo-jian-tong-.html

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