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【C语言教程】【常用类库】(十五)网络编程 - <sys/socket.h> 和 <netinet/in.h>

15. 网络编程 - <sys/socket.h><netinet/in.h>

网络编程在C语言中是通过套接字来实现的,套接字提供了进程间通信的端点。C语言的网络编程涉及到创建套接字、绑定地址、监听和接收数据。以下是网络编程的关键概念和基本实现方法。

15.1. 套接字基础
15.1.1. 套接字类型与协议

套接字是网络通信的基础,它分为不同的类型和协议:

  • 套接字类型

    • 流套接字(SOCK_STREAM:基于TCP协议,提供可靠的双向字节流通信。
    • 数据报套接字(SOCK_DGRAM:基于UDP协议,无连接,面向消息,通信时不保证消息顺序和完整性。
  • 协议

    • TCP(传输控制协议):提供可靠、有序的字节流服务,比如HTTP。
    • UDP(用户数据报协议):提供较低效能的、不可靠的数据报服务,比如DNS查询。
15.1.2. 创建和绑定套接字:socket, bind

创建套接字并绑定到指定IP和端口是建立网络服务的基础步骤。

  • socket 函数:用于创建一个新的套接字。

    int socket(int domain, int type, int protocol);
    
    • domain:地址族,一般为 AF_INET(IPv4)或 AF_INET6(IPv6)。
    • type:套接字类型,如 SOCK_STREAM(TCP)或 SOCK_DGRAM(UDP)。
    • protocol:通常设为 0,自动匹配。
  • bind 函数:将套接字与特定IP地址和端口绑定。

    int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
    
    • sockfd:由 socket 返回的文件描述符。
    • addr:IP地址和端口信息结构体,通常为 struct sockaddr_in
    • addrlen:地址结构体的长度。
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建套接字 [1]struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); // 清零server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 任意可用的接口server_addr.sin_port = htons(8080); // 绑定端口8080bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); // 绑定套接字 [2]return 0;
}
  • [1]创建套接字:使用 socket 函数创建TCP套接字。IPv4地址AF_INET,流套接字类型。
  • [2]绑定套接字bind 函数将创建的套接字绑定到结构体中指定的IP地址和端口上。
15.2. 客户端与服务器模型
15.2.1. TCP 服务器:listen, accept

在创建并绑定了套接字后,服务器需要监听连接和接受请求。

  • listen 函数:将套接字设置为被动监听状态。

    int listen(int sockfd, int backlog);
    
    • sockfd:套接字描述符。
    • backlog:等待连接队列的最大长度。
  • accept 函数:从连接队列中取出一个连接请求。

    int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
    
    • sockfd:监听中的套接字。
    • addr:客户机的IP地址和端口信息。
    • addrlen:用户提供的地址结构的大小。
listen(sockfd, 5); // 开始监听 [3]
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addrlen = sizeof(client_addr);
int client_sockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &addrlen); // 接受连接 [4]
  • [3]监听连接listen 将套接字置为监听状态。
  • [4]接受连接accept 从队列中取出一个连接。
15.2.2. TCP 客户端:connect

客户端需要连接到服务端的指定地址和端口。

  • connect 函数:用于连接到服务端。
    int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
    
    • sockfd:套接字描述符。
    • addr:服务端的 IP 地址和端口信息。
    • addrlen:服务器地址信息的结构体大小。
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建套接字
struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr)); // 清空地址
server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr); // IP 地址 [5]
server_addr.sin_port = htons(8080); // 目标端口
connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); // 发起连接请求 [6]
  • [5]设置地址:使用 inet_pton 设置目标服务的 IP。
  • [6]发起连接请求connect 连接到指定服务器。
15.2.3. 数据传输:send, recv

一旦连接建立,服务端和客户端之间就可以通过以下函数进行数据传输。

  • send 函数:用于发送数据。

    ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
    
    • sockfd:套接字描述符。
    • buf:要发送的缓冲区。
    • len:缓冲区长度。
    • flags:传输标志,通常设置为0
  • recv 函数:用于接收数据。

    ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
    

    用法与 send 类似。

char buffer[1024];
send(client_sockfd, "Hello, World!", 13, 0); // 发送信息 [7]
recv(client_sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0); // 接收信息 [8]
  • [7]发送信息:使用 send 传输数据。
  • [8]接收信息:使用 recv 接收数据。
15.3. 高级套接字编程
15.3.1. 多路复用:select, poll

多路复用允许程序在一个线程中监视多个文件描述符上的事件。

  • select 函数:用于监视多个文件描述符。

    int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
    
  • poll 函数:与 select 相似,使用 pollfd 结构体数组。

    int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
    
15.3.2. UDP 套接字编程

UDP 套接字不需要连接,可以直接使用 sendtorecvfrom

  • sendto 函数:用于发送UDP数据包。

    ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
    
  • recvfrom 函数:用于接收UDP数据包。

    ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
    
char udp_buffer[1024];
struct sockaddr_in dest_addr;
memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
dest_addr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.1", &dest_addr.sin_addr);
dest_addr.sin_port = htons(9090);
sendto(sockfd, "UDP message", 11, 0, (struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(dest_addr)); // 发送UDP [9]
recvfrom(sockfd, udp_buffer, sizeof(udp_buffer), 0, NULL, NULL); // 接收UDP [10]
  • [9]发送UDP: 使用 sendto 发出数据。
  • [10]接收UDP: 使用 recvfrom 接收UDP数据。

通过这些概念和代码示例,你可以开始进行C语言的网络编程,创建基本的网络应用程序。无论是客户端还是服务器端处理,正确使用这些网络编程API是至关重要的。

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