【C++】网络编程之Socket初体验-超详细！

1:Socket（套接字）之初步了解

套接字（Socket）是网络编程中一个非常基本的概念，它是网络通信过程中端点的抽象表示，允许程序之间的数据交换。在计算机网络中，套接字用于实现不同主机上的进程通信。

1.1套接字的概念

套接字是一种通信机制，它为进程间的通信提供了一个端点。在网络中，每个进程都可以通过一个唯一的地址来识别，这个地址由IP地址和端口号组成。因此，一个套接字通常由以下三部分组成：
协议族（通常为AF_INET，表示IPv4）
端口号（一个16位的数字，用于区分同一主机上运行的不同服务）
IP地址（用于标识主机）

1.2套接字的类型

套接字主要有两种类型：
流套接字（SOCK_STREAM）：提供顺序、可靠、双向连接的字节流。流套接字使用传输控制协议（TCP）作为传输层协议，确保数据的可靠传输。
数据报套接字（SOCK_DGRAM）：提供无连接的服务，数据以数据报的形式发送。每个数据报都是独立的，不保证顺序和可靠性。数据报套接字使用用户数据报协议（UDP）作为传输层协议。

1.3套接字的声明周期

一个套接字的生命周期通常包括以下几个步骤：
创建：使用socket()函数创建一个新的套接字。
绑定：使用bind()函数将套接字与一个地址和端口绑定，这样它就可以开始监听或接收数据。
监听（仅对服务器）：服务器使用listen()函数监听来自客户端的连接请求。
接受（仅对服务器）：服务器使用accept()函数接受客户端的连接请求，创建一个新的套接字用于与客户端通信。
连接（仅对客户端）：客户端使用connect()函数发起对服务器的连接请求。
数据传输：使用send()和recv()（或read()和write()）函数在客户端和服务器之间传输数据。
关闭：使用close()函数关闭套接字，释放资源。

1.4套接字的编程流程

1.4.1服务器端：

创建套接字。
绑定套接字到一个地址和端口。
监听端口上的连接请求。
接受客户端的连接请求。
使用接受的套接字进行数据传输。
关闭套接字。

1.4.2客户端：

创建套接字。
连接到服务器的地址和端口。
使用连接的套接字进行数据传输。
关闭套接字。

1.5套接字编程的API

在C和C++中，套接字编程通常使用以下系统调用：
socket()：创建一个新的套接字。
bind()：将套接字绑定到特定的IP地址和端口。
listen()：使套接字进入监听状态，等待连接请求。
accept()：接受一个连接请求，创建一个新的套接字用于通信。
connect()：发起一个连接请求到服务器。
send() 和 recv()：发送和接收数据。
close()：关闭套接字。

1.6套接字编程的注意事项

错误处理：网络编程中，错误处理非常重要。每个系统调用都可能失败，需要检查返回值并适当处理错误。
异步处理：网络操作可能是异步的，需要考虑如何处理阻塞和非阻塞操作。
安全性：网络通信可能面临安全威胁，需要考虑加密和验证机制。

2.套接字编程之初体验

准备：这里我只用了一台Ubuntu虚拟机，Xshell（开两个窗口，一个服务器，一个客户端），VSCode（比较喜欢用VSCode连虚拟机写代码，直接Vim也行）。OK，开工！

2.1：服务端（server.cpp）

这里所有的解释就都写在注释了，应该算是写得详细了！

#include <iostream> 
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>  //包含socket函数和数据结构
#include <netinet/in.h>  //包含Internet地址簇
#include <unistd.h>     //包含标准符号常数和类型using namespace std;
const int PORT=1202;int main(){int server_fd,new_socket;//定义套接字文件描述符/*server_fd表示服务器的文件描述符，在网络编程中，套接字（socket）通过文件描述符来操作，就像操作文件一样。new_socket表示新的连接套接字，当服务器接受客户端的连接请求时，它会创建一个新的套接字来处理这个连接，这个新的套接字通过 new_socket 变量来表示。*/struct sockaddr_in address;//定义地址结构体/*sockaddr_in 结构体是一个非常重要的数据结构，它用于存储网络地址信息。这个结构体是 sockaddr 结构体的一个特化版本，专门用于IPv4地址。在 <netinet/in.h> 头文件中定义*/int addrlen=sizeof(address);//地址长度char buffer[1024]={0};//定义缓冲区/*定义了一个大小为1024字节的字符数组，用于存储接收到的数据或将要发送的数据。{0} 初始化数组中的所有元素为0，这是一个常见的做法，用于确保缓冲区不包含任何随机数据。当然了，它还有：保证数据完整性，提高效率，数据格式化，防止数据丢失等功能，这里是简单示例，主要就是用于存储接收到的数据或将要发送的数据，就不做解释了，*/const char *message="在想丽宝啊！";//定义服务器发送的消息，使用 const 可以防止函数意外修改字符串内容。安全//创建套接字，用于在C++网络编程中创建一个TCP套接字的。if((server_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==0){perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}/*socket() 是一个系统调用，用于创建一个新的套接字。它返回一个文件描述符，该文件描述符是用于后续套接字操作（如绑定、监听、连接等）的索引。AF_INET表示IPv4地址族，用于创建一个基于IPv4的套接字。SOCK_STREAM表示创建一个提供序列化、可靠、双向连接的字节流套接字，这通常用于TCP连接。传递0表示使用默认的协议，对于AF_INET和SOCK_STREAM，这意味着使用TCP协议。== 0检查server_fd是否为0，即检查套接字是否创建失败。perror()函数将打印出错误信息到标准错误流exit()函数用于终止当前程序，并返回一个状态码给操作系统。EXIT_FAILURE是一个宏，通常定义为非零值，表示程序异常终止
*///设置套接字选项，允许地址重用int opt=1;if(setsockopt(server_fd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT,&opt,sizeof(opt))){perror("setsockopt");exit(EXIT_FAILURE);}/*opt这个变量用于表示套接字选项的状态，1 表示启用该选项。setsockopt() 是一个系统调用，用于设置套接字选项。它可以改变套接字的行为，例如如何接收数据或者如何处理特殊的网络条件。SOL_SOCKET是一个指定套接字选项级别的常量，表示这是针对套接字本身的选项，而不是针对某个特定协议的。SO_REUSEADDR 是一个套接字选项，允许套接字绑定到一个已经被使用（在TIME_WAIT状态）的本地地址和端口。SO_REUSEPORT 是一个扩展选项，允许多个套接字绑定到同一个端口，只要它们的地址不同。如果 setsockopt() 返回非零值，表示设置选项失败。*///绑定套接字到端口address.sin_family=AF_INET;//地址簇,address.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//地址。INADDR_ANY表示接受任意IP的连接address.sin_port=htons(PORT);//端口号，htons函数将主机字节序转换为网络字节序/*这三段代码是设置服务器端套接字地址信息的一部分，它们配置了服务器将监听的协议族、IP地址和端口号sin_family 是 sockaddr_in 结构体的一个成员，它指定了地址族。设置 sin_family 为 AF_INET 表示服务器将使用 IPv4 协议。sin_addr 是 sockaddr_in 结构体的一个成员，它是一个 in_addr 结构体，用于存储 IPv4 地址。INADDR_ANY 是一个特殊的常量，当绑定套接字时使用。它告诉操作系统自动绑定到所有可用的网络接口的 IPv4 地址。sin_port 是 sockaddr_in 结构体的一个成员，用于指定端口号。htons() 函数是 "host to network short" 的缩写，它将一个短整型（16位）从主机字节序转换为网络字节序。*///绑定套接字if(bind(server_fd,(struct sockaddr *)&address,sizeof(address))<0){perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}/*bind() 是一个系统调用，用于将一个套接字（server_fd）绑定到指定的地址和端口上。(struct sockaddr *)&address将address变量的地址传递给bind()函数其他基本的东西都和上面提到过的大相径庭*///监听套接字if(listen(server_fd,3)<0){//监听，参数3表示最大连接数perror("listen");exit(EXIT_FAILURE);}/*listen() 是一个系统调用，用于告诉内核准备接受连接请求。这个函数将一个被动套接字（也称为监听套接字）转变为监听状态。参数 3 表示服务器将允许最多3个连接请求在队列中等待接受。*/cout<<"Listening on port"<<PORT<<endl;//接受客户端连接if((new_socket=accept(server_fd,(struct sockaddr*)&address,(socklen_t*)&addrlen))<0){perror("accept");exit(EXIT_FAILURE);}/*accept() 是一个系统调用，用于从监听队列中取出第一个连接请求，并为该请求创建一个新的套接字。*///读取客户端发送的数据read(new_socket,buffer,1024);//读取数据到缓冲区cout<<"消息来自丽宝:"<<buffer<<endl;/*read() 是一个系统调用，用于从文件描述符（在这里是套接字）读取数据。new_socket是通过 accept() 函数创建的新套接字的文件描述符，用于与客户端进行通信*///发送数据回客户端send(new_socket,message,strlen(message),0);//发送消息cout<<"消息发送成功\n";//关闭套接字close(new_socket);//关闭客户端套接字close(server_fd);//关闭服务器套接字return 0;
}

2.2客户端（client.cpp）

客户端代码中有些在服务端代码中出现过，不清晰的看服务端代码解释就行

#include <iostream>  
#include <sys/socket.h> // 包含socket函数和数据结构
#include <arpa/inet.h> // 包含inet函数，用于IP地址转换
#include <unistd.h>  // 包含标准符号常数和类型
#include <string.h>  using namespace std;const int PORT = 1202; // 定义服务器的端口号int main() {int sock = 0; // 定义套接字文件描述符struct sockaddr_in serv_addr; // 定义服务器地址结构体const char *hello = "赟赟在干嘛！"; // 定义客户端发送的消息char buffer[1024] = {0}; // 定义接收数据的缓冲区/*sock 用于存储客户端套接字的文件描述符，它是网络通信中的一个重要概念，代表了网络通信的一端。*/// 创建套接字if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {cout << "\n Socket creation error \n";return -1;}/*如果创建成功，sock 将包含一个非负值；如果创建失败，则为 -1。*/serv_addr.sin_family = AF_INET; // 服务器地址族serv_addr.sin_port = htons(PORT); // 服务器端口号// 将文本形式的IP地址转换为二进制形式if (inet_pton(AF_INET, "192.168.47.128", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {cout << "\nInvalid address / Address not supported \n";return -1;}/*inet_pton() 用于将表示网络地址的字符串转换为网络字节序的二进制形式。*/// 连接到服务器if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {cout << "\nConnection Failed \n";return -1;}/*connect() 用于客户端套接字与服务器套接字建立连接。*/// 发送数据send(sock, hello, strlen(hello), 0); // 发送消息cout << "消息发送成功：\n";// 接收服务器发送的数据read(sock, buffer, 1024); // 从服务器接收数据cout << "消息来自赟赟: " << buffer << std::endl;// 关闭套接字close(sock); // 关闭套接字return 0;
}

3.测试

在XShell中先执行

g++ -o server server.cpp
g++ -o client client.cpp

选择一个窗口先运行服务器

./server

然后另一个窗口运行客户端

./client

4.简易流程图