Socket详解及C++应用示例

码事漫谈2025-08-12 10:09

一、Socket基本概念

1.1 定义

Socket（套接字）是计算机网络中进程间通信的一种机制，它提供了不同主机或同一主机上不同进程之间进行数据交换的端点。Socket本质上是一个编程接口（API），封装了TCP/IP协议栈的复杂实现，使开发者能便捷地实现网络通信。

1.2 核心作用

  • 实现跨进程/跨主机的数据传输
  • 提供可靠的字节流传输（TCP）或无连接的数据报传输（UDP）
  • 支持多种网络协议（TCP、UDP、ICMP等）
  • 允许应用程序通过端口号区分不同服务

1.3 主要类型

类型 协议 特点 应用场景
SOCK_STREAM TCP 面向连接、可靠传输、字节流、双工通信 HTTP/HTTPS、文件传输、邮件
SOCK_DGRAM UDP 无连接、不可靠、数据报、效率高 视频流、语音通话、DNS查询
SOCK_RAW 原始协议 直接访问IP层，用于协议开发 网络诊断工具、自定义协议

1.4 通信模型

Socket通信基于客户端-服务器（C/S）模型：

  • 服务器：创建Socket → 绑定端口 → 监听连接 → 接受请求 → 数据交互
  • 客户端：创建Socket → 连接服务器 → 数据交互

二、TCP Socket编程示例（C++）

2.1 TCP服务器端实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

const int PORT = 8080;
const int BUFFER_SIZE = 1024;

int main() {
    // 1. 创建TCP套接字
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == -1) {
        std::cerr << "Socket creation failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        return -1;
    }

    // 2. 设置地址重用，避免端口占用问题
    int opt = 1;
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {
        std::cerr << "Setsockopt failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(server_fd);
        return -1;
    }

    // 3. 绑定地址和端口
    sockaddr_in address;
    int addrlen = sizeof(address);
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 监听所有网络接口
    address.sin_port = htons(PORT);        // 转换为网络字节序

    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        std::cerr << "Bind failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(server_fd);
        return -1;
    }

    // 4. 监听连接请求（最大等待队列长度为3）
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        std::cerr << "Listen failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(server_fd);
        return -1;
    }
    std::cout << "Server listening on port " << PORT << std::endl;

    // 5. 接受客户端连接
    int new_socket;
    sockaddr_in client_addr;
    int client_addr_len = sizeof(client_addr);
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, 
                            (socklen_t*)&client_addr_len)) < 0) {
        std::cerr << "Accept failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(server_fd);
        return -1;
    }

    char client_ip[INET_ADDRSTRLEN];
    inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, client_ip, INET_ADDRSTRLEN);
    std::cout << "Accepted connection from " << client_ip << ":" 
              << ntohs(client_addr.sin_port) << std::endl;

    // 6. 数据交互
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    ssize_t valread = read(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE);
    std::cout << "Received: " << buffer << std::endl;

    const char *response = "Hello from TCP server";
    send(new_socket, response, strlen(response), 0);
    std::cout << "Response sent" << std::endl;

    // 7. 关闭连接
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

2.2 TCP客户端实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

const char* SERVER_IP = "127.0.0.1";
const int PORT = 8080;
const int BUFFER_SIZE = 1024;

int main() {
    // 1. 创建TCP套接字
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock == -1) {
        std::cerr << "Socket creation failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        return -1;
    }

    // 2. 设置服务器地址
    sockaddr_in serv_addr;
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 转换IP地址为二进制格式
    if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        std::cerr << "Invalid address or address not supported" << std::endl;
        close(sock);
        return -1;
    }

    // 3. 连接服务器
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        std::cerr << "Connection failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(sock);
        return -1;
    }
    std::cout << "Connected to server " << SERVER_IP << ":" << PORT << std::endl;

    // 4. 发送数据
    const char *message = "Hello from TCP client";
    send(sock, message, strlen(message), 0);
    std::cout << "Message sent" << std::endl;

    // 5. 接收响应
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    ssize_t valread = read(sock, buffer, BUFFER_SIZE);
    std::cout << "Received: " << buffer << std::endl;

    // 6. 关闭连接
    close(sock);
    return 0;
}

三、UDP Socket编程示例（C++）

3.1 UDP服务器端实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

const int PORT = 8080;
const int BUFFER_SIZE = 1024;

int main() {
    // 1. 创建UDP套接字
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (server_fd == -1) {
        std::cerr << "Socket creation failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        return -1;
    }

    // 2. 设置地址重用
    int opt = 1;
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {
        std::cerr << "Setsockopt failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(server_fd);
        return -1;
    }

    // 3. 绑定地址和端口
    sockaddr_in address;
    int addrlen = sizeof(address);
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        std::cerr << "Bind failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(server_fd);
        return -1;
    }
    std::cout << "UDP Server listening on port " << PORT << std::endl;

    // 4. 接收和发送数据
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    sockaddr_in client_addr;
    int client_addr_len = sizeof(client_addr);

    while (true) {
        // 接收客户端消息
        ssize_t len = recvfrom(server_fd, buffer, BUFFER_SIZE, 0,
                              (struct sockaddr *)&client_addr, (socklen_t*)&client_addr_len);
        if (len < 0) {
            std::cerr << "Recvfrom failed: " << strerror(errno) << std::endl;
            continue;
        }
        buffer[len] = '\0';  // 添加字符串结束符

        char client_ip[INET_ADDRSTRLEN];
        inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, client_ip, INET_ADDRSTRLEN);
        std::cout << "Received from " << client_ip << ":" << ntohs(client_addr.sin_port) 
                  << ": " << buffer << std::endl;

        // 发送响应
        const char *response = "Hello from UDP server";
        sendto(server_fd, response, strlen(response), 0,
              (struct sockaddr *)&client_addr, client_addr_len);
    }

    // 注意：UDP服务器通常不会主动关闭，此处为示例完整性添加
    close(server_fd);
    return 0;
}

3.2 UDP客户端实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

const char* SERVER_IP = "127.0.0.1";
const int PORT = 8080;
const int BUFFER_SIZE = 1024;

int main() {
    // 1. 创建UDP套接字
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock == -1) {
        std::cerr << "Socket creation failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        return -1;
    }

    // 2. 设置服务器地址
    sockaddr_in serv_addr;
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);
    
    if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        std::cerr << "Invalid address or address not supported" << std::endl;
        close(sock);
        return -1;
    }

    // 3. 发送数据
    const char *message = "Hello from UDP client";
    sendto(sock, message, strlen(message), 0,
          (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    std::cout << "Message sent to " << SERVER_IP << ":" << PORT << std::endl;

    // 4. 接收响应
    char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
    sockaddr_in server_response_addr;
    int server_addr_len = sizeof(server_response_addr);
    
    ssize_t len = recvfrom(sock, buffer, BUFFER_SIZE, 0,
                          (struct sockaddr *)&server_response_addr, (socklen_t*)&server_addr_len);
    if (len < 0) {
        std::cerr << "Recvfrom failed: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(sock);
        return -1;
    }
    buffer[len] = '\0';
    std::cout << "Received: " << buffer << std::endl;

    // 5. 关闭套接字
    close(sock);
    return 0;
}

四、跨平台注意事项

4.1 Windows与Linux的主要差异

特性 Windows (Winsock) Linux/Unix
头文件 #include <winsock2.h> #include <sys/socket.h>
初始化 需要WSAStartup() 无需初始化
错误处理 WSAGetLastError() errno全局变量
关闭套接字 closesocket() close()
库链接 需要链接ws2_32.lib 无需额外库

4.2 跨平台示例代码（TCP服务器）

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
#ifdef _WIN32
    #include <winsock2.h>
    #pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
#else
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <unistd.h>
    #include <errno.h>
#endif

const int PORT = 8080;
const int BUFFER_SIZE = 1024;

int main() {
#ifdef _WIN32
    // Windows初始化Winsock
    WSADATA wsaData;
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {
        std::cerr << "WSAStartup failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;
        return -1;
    }
#endif

    // 创建套接字代码（与前面相同）
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == -1) {
        std::cerr << "Socket creation failed: " 
#ifdef _WIN32
                  << WSAGetLastError()
#else
                  << strerror(errno)
#endif
                  << std::endl;
#ifdef _WIN32
        WSACleanup();
#endif
        return -1;
    }

    // ... 其余代码（绑定、监听、接受连接等）...

    // 关闭资源
#ifdef _WIN32
    closesocket(server_fd);
    WSACleanup();
#else
    close(server_fd);
#endif
    return 0;
}

五、现代C++网络编程选项

5.1 C++标准网络库（C++20 Networking TS）

C++20引入了标准网络库，提供了现代、类型安全的网络编程接口：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
#include <asio.hpp>

using asio::ip::tcp;

int main() {
    try {
        asio::io_context io_context;
        
        tcp::resolver resolver(io_context);
        auto endpoints = resolver.resolve("example.com", "daytime");
        
        tcp::socket socket(io_context);
        asio::connect(socket, endpoints);
        
        std::string data;
        asio::error_code error;
        asio::read(socket, asio::dynamic_buffer(data), error);
        
        if (error == asio::error::eof) {
            std::cout << "Received: " << data << std::endl;
        } else if (error) {
            throw std::system_error(error);
        }
    } catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

5.2 Boost.Asio库

Boost.Asio是广泛使用的跨平台网络库，也是C++标准网络库的基础：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>

using boost::asio::ip::tcp;

int main() {
    try {
        boost::asio::io_context io_context;
        tcp::socket socket(io_context);
        tcp::resolver resolver(io_context);
        boost::asio::connect(socket, resolver.resolve("localhost", "8080"));
        
        std::string request = "Hello from Boost.Asio client";
        boost::asio::write(socket, boost::asio::buffer(request));
        
        char reply[1024];
        size_t len = socket.read_some(boost::asio::buffer(reply));
        std::cout << "Received: " << std::string(reply, len) << std::endl;
    } catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

六、Socket应用场景与常见问题

6.1 典型应用场景

  • 客户端-服务器通信：Web浏览器与服务器、移动应用后端交互
  • 实时数据传输：在线游戏、视频会议、实时监控
  • 分布式系统：微服务间通信、进程间通信（IPC）
  • 物联网设备：传感器数据上报、设备控制指令

6.2 常见问题及解决方案

问题 解决方案
端口占用 使用SO_REUSEADDR选项；选择未被占用的高端口（1024-65535）
连接超时 设置SO_RCVTIMEO和SO_SNDTIMEO选项；实现应用层心跳机制
数据粘包 定义消息边界（长度前缀、分隔符）；使用固定大小缓冲区
网络异常 实现重连机制；添加错误处理和日志记录
性能瓶颈 使用非阻塞I/O；实现I/O多路复用（select/poll/epoll）；线程池处理连接

6.3 安全考虑

  • 使用TLS/SSL加密传输（如HTTPS）
  • 验证客户端身份（IP过滤、令牌认证）
  • 限制连接频率，防止DoS攻击
  • 输入验证，防止缓冲区溢出

七、总结

Socket是网络编程的基础，提供了进程间通信的通用接口。本文介绍了Socket的基本概念、TCP/UDP协议的C++实现示例、跨平台注意事项以及现代C++网络编程选项。通过掌握Socket编程，开发者可以构建各种网络应用，从简单的客户端-服务器程序到复杂的分布式系统。

实际开发中，除了基础的BSD Socket API，还可以考虑使用更高级的库如Boost.Asio或C++20标准网络库，以提高开发效率和代码质量。同时，需要注意网络编程中的错误处理、性能优化和安全问题，确保应用的可靠性和稳定性。

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