2025-08-10

socket系统调用及示例

我们继续学习 Linux 系统编程中的重要函数。这次我们介绍 socket 函数，它是网络编程的基础，用于创建一个套接字 (socket)，这是进程间通过网络进行通信的端点。

1. 函数介绍

socket 是一个 Linux 系统调用，用于创建一个新的**套接字 **(socket)。套接字是一种抽象的概念，它是网络通信的基础端点。你可以把套接字想象成电话的听筒：

你需要先有一个听筒（调用 socket 创建）。
然后你可以用它来拨打电话（connect，作为客户端）或接听电话（bind + listen + accept，作为服务器）。
通过这个听筒，你可以说话（send/write）和听话（recv/read）。

socket 函数本身并不执行网络连接，它只是创建一个通信的“插头”或“接口”，后续需要使用 bind, listen, accept, connect, send, recv 等函数来完成具体的网络操作。

2. 函数原型

#include <sys/socket.h> // 必需
#include <sys/types.h>  // 有时需要

int socket(int domain, int type, int protocol);

3. 功能

创建套接字: 请求内核创建一个新的套接字对象。
指定通信特性: 通过参数定义套接字的**通信域 **(domain)、**类型 (type) 和协议 **(protocol)，从而确定套接字的行为和能力。
返回文件描述符: 如果成功，返回一个与新创建的套接字关联的**文件描述符 **(file descriptor)。后续所有对该套接字的操作（如 bind, connect, read, write）都将使用这个文件描述符。

4. 参数

int domain: 指定套接字的通信域，即套接字可以通信的范围。

AF_INET: IPv4 Internet 协议域。这是最常用的域，用于通过 IPv4 网络进行通信。
AF_INET6: IPv6 Internet 协议域。用于通过 IPv6 网络进行通信。
AF_UNIX 或 AF_LOCAL: Unix 域套接字。用于同一台机器上进程间的本地通信，不涉及网络协议栈，非常高效。
AF_PACKET: 用于直接访问网络接口（数据链路层）。
AF_NETLINK: 用于与内核进行通信。

int type: 指定套接字的通信语义或类型。

SOCK_STREAM: 流式套接字。提供面向连接、可靠、有序的双向数据传输。TCP 协议就是基于流式套接字的。数据像水流一样，没有边界。
SOCK_DGRAM: 数据报套接字。提供无连接、不可靠（可能丢包、重复、乱序）、有边界的数据传输。UDP 协议就是基于数据报套接字的。数据以一个独立的“包裹”（数据报）形式发送。
SOCK_RAW: 原始套接字。允许直接访问底层协议（如 IP 或 ICMP）。通常需要 root 权限。
SOCK_SEQPACKET: 有序数据包套接字。提供面向连接、可靠、有边界且有序的数据传输（像 TCP 一样可靠有序，但像 UDP 一样有消息边界）。

修饰符 (可以按位或 | 到 type 上)：

SOCK_NONBLOCK: 将套接字设置为非阻塞模式。等同于创建套接字后调用 fcntl(sock, F_SETFL, O_NONBLOCK)。
SOCK_CLOEXEC: 在调用 exec() 时自动关闭该套接字。等同于创建后调用 fcntl(sock, F_SETFD, FD_CLOEXEC)。这可以防止将套接字意外传递给新执行的程序。

int protocol: 指定在给定域和类型下使用的具体协议。
在大多数情况下，对于 AF_INET 和 AF_INET6：

如果 type 是 SOCK_STREAM，则 protocol 通常为 IPPROTO_TCP (或 0，内核会选择默认协议 TCP)。
如果 type 是 SOCK_DGRAM，则 protocol 通常为 IPPROTO_UDP (或 0，内核会选择默认协议 UDP)。

通常设置为 0，表示使用给定 domain 和 type 的默认协议。

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对于原始套接字 (SOCK_RAW)，需要显式指定协议，如 IPPROTO_ICMP, IPPROTO_RAW 等。

5. 返回值

成功时: 返回一个非负整数，即新创建套接字的**文件描述符 **(file descriptor)。
失败时: 返回 -1，并设置全局变量 errno 来指示具体的错误原因（例如 EACCES 权限不足，EAFNOSUPPORT 不支持的地址族，EINVAL 无效参数，EMFILE 进程打开的文件描述符已达上限，ENFILE 系统打开的文件总数已达上限，ENOMEM 内存不足等）。

6. 相似函数，或关联函数

bind: 将套接字与一个本地地址（IP 地址和端口号）关联起来。
listen: 使套接字进入监听状态，准备接收来自客户端的连接请求（用于服务器）。
accept: 从监听套接字的连接队列中提取第一个未决连接，创建一个新的套接字用于与该客户端通信（用于服务器）。
connect: 主动向服务器发起连接请求（用于客户端）。
close: 关闭套接字文件描述符，释放相关资源。
read / write / send / recv: 通过套接字发送和接收数据。
getaddrinfo: 现代的、线程安全的地址解析函数，用于将主机名和服务名转换为套接字地址结构。

7. 示例代码

示例 1：创建不同类型的套接字

这个例子演示了如何创建几种常见的套接字。

#include <sys/socket.h> // socket
#include <stdio.h>      // perror, printf
#include <stdlib.h>     // exit

int main() {
    int sockfd;

    // 1. 创建一个 IPv4 的 TCP 流式套接字 (最常用)
    printf("Creating AF_INET, SOCK_STREAM socket...\n");
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket AF_INET SOCK_STREAM");
        // 不 exit，继续演示其他类型
    } else {
        printf("Success! Socket file descriptor: %d\n", sockfd);
        close(sockfd); // 创建后立即关闭，仅作演示
    }

    // 2. 创建一个 IPv4 的 UDP 数据报套接字
    printf("\nCreating AF_INET, SOCK_DGRAM socket...\n");
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket AF_INET SOCK_DGRAM");
    } else {
        printf("Success! Socket file descriptor: %d\n", sockfd);
        close(sockfd);
    }

    // 3. 创建一个 Unix 域流式套接字
    printf("\nCreating AF_UNIX, SOCK_STREAM socket...\n");
    sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket AF_UNIX SOCK_STREAM");
    } else {
        printf("Success! Socket file descriptor: %d\n", sockfd);
        close(sockfd);
    }

    // 4. 创建一个非阻塞的 TCP 套接字 (使用 SOCK_NONBLOCK 修饰符)
    printf("\nCreating non-blocking AF_INET, SOCK_STREAM socket...\n");
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket AF_INET SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK");
    } else {
        printf("Success! Non-blocking socket file descriptor: %d\n", sockfd);
        // 检查是否真的非阻塞 (可选)
        // int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
        // if (flags & O_NONBLOCK) printf("Confirmed: socket is non-blocking.\n");
        close(sockfd);
    }

    // 5. 尝试创建一个无效的套接字组合 (例如，原始套接字需要权限)
    printf("\nTrying to create a raw socket (may fail without root)...\n");
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket AF_INET SOCK_RAW IPPROTO_ICMP (expected to fail without root)");
    } else {
        printf("Success! Raw socket file descriptor: %d\n", sockfd);
        close(sockfd);
    }

    printf("\nSocket creation examples completed.\n");
    return 0;
}

代码解释:

演示了创建四种不同类型的套接字：

IPv4 TCP 流式套接字 (AF_INET, SOCK_STREAM)：这是网络编程中最常见的类型，用于可靠的、面向连接的通信（如 HTTP）。
IPv4 UDP 数据报套接字 (AF_INET, SOCK_DGRAM)：用于无连接的、不可靠但快速的通信（如 DNS 查询）。
Unix 域流式套接字 (AF_UNIX, SOCK_STREAM)：用于同一主机上进程间的高效通信。
非阻塞 TCP 套接字 (AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK)：使用 SOCK_NONBLOCK 修饰符创建，避免后续 I/O 操作阻塞。

每次调用 socket 后都检查返回值。

如果成功，打印返回的文件描述符，并立即调用 close 关闭它（因为这只是演示创建）。

最后尝试创建一个需要 root 权限的原始套接字 (SOCK_RAW)，在普通用户权限下会失败。

示例 2：简单的 TCP 服务器套接字设置

这个例子演示了服务器端如何创建、绑定、监听一个 TCP 套接字。

#include <sys/socket.h> // socket, bind, listen
#include <netinet/in.h> // sockaddr_in
#include <arpa/inet.h>  // inet_addr (虽然此例未用，但常与网络编程相关)
#include <unistd.h>     // close
#include <stdio.h>      // perror, printf
#include <stdlib.h>     // exit
#include <string.h>     // memset

#define PORT 8080
#define BACKLOG 10 // 等待连接队列的最大长度

int main() {
    int server_fd;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1; // 用于 setsockopt

    // 1. 创建套接字
    printf("Creating server socket...\n");
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == -1) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Socket created successfully. File descriptor: %d\n", server_fd);

    // 2. (可选但推荐) 设置套接字选项
    // SO_REUSEADDR: 允许套接字绑定到处于 TIME_WAIT 状态的地址
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt SO_REUSEADDR failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Socket option SO_REUSEADDR set.\n");

    // 3. 配置服务器地址结构
    memset(&address, 0, sizeof(address)); // 清零结构体
    address.sin_family = AF_INET;         // IPv4
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定到所有本地接口 (0.0.0.0)
    address.sin_port = htons(PORT);       // 端口号，从主机字节序转换为网络字节序

    // 4. 将套接字绑定到地址和端口
    printf("Binding socket to port %d...\n", PORT);
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Socket bound successfully.\n");

    // 5. 让套接字进入监听状态
    printf("Putting socket into listening mode (backlog: %d)...\n", BACKLOG);
    if (listen(server_fd, BACKLOG) < 0) {
        perror("listen failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Server is now listening for incoming connections.\n");

    printf("\nServer setup complete. Waiting for connections...\n");
    printf("(Run a client to connect, e.g., 'telnet localhost %d' or 'nc localhost %d')\n", PORT, PORT);

    // --- 服务器已准备好，可以调用 accept() 来接受连接 ---
    // 这里为了演示 socket, bind, listen，暂时不实现 accept 循环

    // (在实际服务器中，这里会有一个循环调用 accept, fork/handle, close client_sock)

    // 按 Ctrl+C 退出程序
    pause(); // 永久挂起，直到收到信号

    // 6. 关闭套接字 (在实际程序中，这会在适当的地方调用)
    close(server_fd);
    printf("Server socket closed.\n");

    return 0;
}

代码解释:

调用 socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0) 创建一个 IPv4 TCP 套接字。

(重要) 调用 setsockopt 设置 SO_REUSEADDR 选项。这允许服务器在重启时立即绑定到同一个地址，即使之前的连接可能处于 TIME_WAIT 状态。这是一个很好的实践。

初始化 sockaddr_in 结构体 address 来指定服务器的地址和端口：

sin_family = AF_INET：指定 IPv4。
sin_addr.s_addr = INADDR_ANY：绑定到所有可用的网络接口（服务器可能有多个网卡）。如果只想绑定到特定 IP，可以使用 inet_addr(“192.168.1.100”) 之类的函数。
sin_port = htons(PORT)：设置端口号。重要：使用 htons() (host to network short) 将主机字节序的端口号转换为网络字节序。网络协议要求使用大端字节序。

调用 bind(server_fd, …) 将套接字与指定的地址和端口绑定。

调用 listen(server_fd, BACKLOG) 使套接字进入监听模式。BACKLOG 参数指定了内核为此套接字维护的未完成连接队列的最大长度。

此时，服务器已准备好接收客户端连接。后续需要在一个循环中调用 accept() 来处理连接。

为了演示，程序调用 pause() 挂起，等待用户按 Ctrl+C 退出。

程序退出前关闭服务器套接字。

编译和测试:

gcc -o tcp_server tcp_server.c
./tcp_server
# 在另一个终端:
# telnet localhost 8080
# 或者
# nc localhost 8080

示例 3：简单的 TCP 客户端套接字设置

这个例子演示了客户端如何创建套接字并连接到服务器。

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h> // inet_addr, inet_ntoa
#include <unistd.h>    // close, read, write
#include <stdio.h>     // perror, printf
#include <stdlib.h>    // exit
#include <string.h>    // strlen, memset

#define PORT 8080
#define SERVER_IP "127.0.0.1" // 本地回环地址

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char *hello = "Hello from client";
    char buffer&#91;1024] = {0};

    // 1. 创建套接字
    printf("Creating client socket...\n");
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket creation error");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Client socket created successfully. File descriptor: %d\n", sock);

    // 2. 配置服务器地址结构
    memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 将服务器 IP 地址从文本转换为二进制
    // inet_addr 已过时，推荐使用 inet_pton
    // if (inet_addr(SERVER_IP) == INADDR_NONE) { ... handle error ... }
    if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("inet_pton error or invalid address");
        close(sock);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 连接到服务器
    printf("Connecting to server %s:%d...\n", SERVER_IP, PORT);
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        perror("connection failed");
        close(sock);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Connected to server successfully.\n");

    // 4. 发送数据到服务器
    printf("Sending message to server: %s\n", hello);
    if (send(sock, hello, strlen(hello), 0) != (int)strlen(hello)) {
         perror("send failed");
         close(sock);
         exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Message sent.\n");

    // 5. 读取服务器的响应
    printf("Reading response from server...\n");
    int valread = read(sock, buffer, 1024);
    if (valread > 0) {
        printf("Received from server: %s\n", buffer);
    } else if (valread == 0) {
        printf("Server closed the connection.\n");
    } else {
        perror("read failed");
    }

    // 6. 关闭套接字
    close(sock);
    printf("Client socket closed.\n");

    return 0;
}

代码解释:

调用 socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0) 创建一个 IPv4 TCP 套接字。

初始化 sockaddr_in 结构体 serv_addr 来指定服务器的地址和端口。

sin_family = AF_INET。
sin_port = htons(PORT)：服务器端口。
sin_addr：服务器 IP 地址。使用 inet_pton() 将点分十进制字符串 “127.0.0.1” 转换为网络二进制格式。inet_addr() 是旧函数，不推荐。

调用 connect(sock, …) 主动向服务器发起连接请求。这个调用会阻塞，直到连接建立或失败。

连接成功后，使用 send() (或 write()) 向服务器发送数据。

使用 read() (或 recv()) 从服务器读取响应数据。

通信结束后，调用 close() 关闭套接字。

重要提示与注意事项:

字节序: 网络协议规定使用大端字节序（Big-Endian）。主机字节序可能是大端或小端。使用 htons (host to network short), htonl (host to network long), ntohs, ntohl 进行转换。

错误处理: 始终检查 socket 及后续网络函数的返回值。

资源管理: 使用完套接字后，务必调用 close() 关闭它，以释放文件描述符和内核资源。

阻塞与非阻塞: 默认情况下，套接字是阻塞的。connect, read, write 等操作可能会无限期挂起。可以使用 SOCK_NONBLOCK 创建非阻塞套接字，或用 fcntl 修改现有套接字的标志。

bind 对于客户端?: 客户端通常不需要显式调用 bind。操作系统会自动为客户端套接字分配一个临时的端口号（ephemeral port）。

getaddrinfo: 对于需要处理 IPv4/IPv6 透明性或域名解析的现代程序，推荐使用 getaddrinfo() 来获取地址信息，而不是手动填充 sockaddr_in。

总结:

socket 函数是网络编程的起点，它创建了通信的端点。理解其参数（域、类型、协议）对于选择正确的通信方式至关重要。它是构建客户端和服务器应用程序的基础。

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socket系统调用及示例

1. 函数介绍

2. 函数原型

3. 功能

4. 参数

5. 返回值

6. 相似函数，或关联函数

7. 示例代码

示例 1：创建不同类型的套接字

示例 2：简单的 TCP 服务器套接字设置

示例 3：简单的 TCP 客户端套接字设置

1. 函数介绍

2. 函数原型

3. 功能

4. 参数

5. 返回值

6. 相似函数，或关联函数

7. 示例代码

示例 1：创建不同类型的套接字

示例 2：简单的 TCP 服务器套接字设置

示例 3：简单的 TCP 客户端套接字设置

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