TCP 与 UDP 下的 Socket 系统调用

1、DatagramSocket#connet方法

在Java中，DatagramSocket 专门用于 UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）的API。 大家都知道UDP协议是面向无连接的 ，但是用于UDP的DatagramSocket类中却有connet()方法，实在令人费解：

public void connect(InetAddress address, int port) {
        try {
            connectInternal(address, port);
        } catch (SocketException se) {
            throw new Error("connect failed", se);
        }
 }
 
 public void connect(SocketAddress addr) throws SocketException {
        if (addr == null)
            throw new IllegalArgumentException("Address can't be null");
        if (!(addr instanceof InetSocketAddress))
            throw new IllegalArgumentException("Unsupported address type");
        InetSocketAddress epoint = (InetSocketAddress) addr;
        if (epoint.isUnresolved())
            throw new SocketException("Unresolved address");
        connectInternal(epoint.getAddress(), epoint.getPort());
  }

connet()方法共有两个重载的方法，这两个方法的本质是一样的，SocketAddress其实是把InnetAddress和port封装在一起。并且Java 的 DatagramSocket.connect() 方法最终确实会调用到底层操作系统的 connect() 系统调用。难道是说UDP也是支持面向连接的吗？

其实不是这样的，connect() 系统调用的作用取决于它操作的套接字类型。

• 对 TCP 套接字调用 connect()：触发网络活动（三次握手），建立一个虚拟电路连接。
• 对 UDP 套接字调用 connect()：执行一个本地操作，记录一个默认地址，不产生任何网络流量。

内核中处理 connect() 系统调用的函数大致会这样实现：

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen) {
    // 1. 根据sockfd找到内核中对应的socket结构体
    struct socket *sock = get_socket_by_fd(sockfd);

    // 2. 检查socket的类型，执行不同的分支
    switch (sock->type) {
        case SOCK_STREAM: // TCP套接字
            // 触发TCP三次握手协议
            initiate_tcp_handshake(sock, addr);
            break;

        case SOCK_DGRAM:  // UDP套接字
            // 仅仅是将对端地址保存到sock->peer_addr中
            sock->peer_addr = copy_address(addr);
            // ！！！ 没有网络活动 ！！！
            break;

        default:
            return -EINVAL; // 无效的socket类型
    }
    return 0; // 成功
}

所以DatagramSocket.connect() 的作用不是建立网络连接，而是执行一个本地操作 ，为UDP套接字设置一个"默认的通信对端"，从而带来性能优化、安全过滤和错误处理三大好处。 调用 connect(InetAddress address, int port) 方法后，会发生以下几件事：

1. 设定默认目标地址 (Primary Effect)

• 作用 ：将传入的 address 和 port 设置为该 DatagramSocket 的默认目标地址。
• 后果 ：此后，当你调用 send(DatagramPacket p) 方法时，数据包将被发送到这个默认地址，而无视你在 DatagramPacket 对象中设置的目标地址 。如果你尝试在 DatagramPacket 中设置一个不同的地址，send() 方法会抛出 IllegalArgumentException。
• 代码示例：

    DatagramSocket socket = new DatagramSocket();
    InetAddress serverAddr = InetAddress.getByName("example.com");
    
    socket.connect(serverAddr, 8888); // 设置默认对端为 example.com:8888
    
    // 即使packet里没设置地址，也会发到 example.com:8888
    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length);
    socket.send(packet); // 目的地：example.com:8888

2. 启用数据包过滤 (Security & Convenience)

• 作用：内核会为这个已"连接"的套接字设置一个过滤器。
• 后果 ：此后，当你调用 receive(DatagramPacket p) 方法时，只有源地址是 connect 所设地址的数据包才会被接收。来自其他任何地址的数据包都会被操作系统内核静默丢弃。
• 好处：这大大提升了安全性，你的应用程序无需再处理无关或恶意的数据包，代码逻辑更简单。

3. 激活异步错误接收 (Reliability)

• 作用：这是最关键但也最不为人知的作用。它允许套接字接收来自网络的异步错误信号（如ICMP错误）。
• 后果 ：如果因为你发送的数据包导致网络产生错误（例如，目标端口没有任何应用程序监听），对方主机会返回一个ICMP"端口不可达"报文。对于一个未连接 的UDP套接字，这个错误无法被关联，因此会被操作系统丢弃，你的程序完全不知情。对于一个已连接 的UDP套接字，操作系统可以将此错误与你的套接字关联，导致后续的 send() 或 receive() 调用抛出 PortUnreachableException 之类的 SocketException。
• 好处：让你的程序能够感知到通信故障，实现了基本的"可观察性"，而不是在静默中失败。

4. 允许使用便捷方法 (API Convenience)

• 作用 ：连接后，你可以不再使用笨重的 DatagramPacket 来接收数据（虽然仍然可以），但更重要的是，它允许使用 send() 和 receive() 而不必每次都构造地址。
• 注意 ：Java的API设计是，无论是否连接，发送和接收主要仍然通过 DatagramPacket 对象。这个好处在Java中不如在C语言中直接使用 send()/recv() 系统调用那么明显，但底层逻辑一致。

2、Socket 核心系统调用作用总览

在Java的Socket API中，每个方法的底层基本都对应响应的系统调用，系统调用共同构成了一套完整的网络通信接口，但其行为会根据协议（TCP/UDP）和角色（服务器/客户端）有所不同。 下表是所有核心系统调用的作用总结，并标明了它们在不同场景下的使用情况。

系统调用	主要使用方	核心作用	TCP 场景下的含义	UDP 场景下的含义
socket()	服务器/客户端	这是所有网络通信的第一步。创建通信端点 。它向操作系统内核申请并分配了一个 socket 资源，指定了通信域（如 IPv4 AF_INET）和服务类型（如面向连接的流服务 SOCK_STREAM 对应 TCP，或数据报服务 SOCK_DGRAM 对应 UDP）。返回一个文件描述符 (fd，在 Unix/Linux 中，一切皆文件，socket 也被视为一种特殊的文件，后续所有操作都通过这个 fd 进行)。	创建了一个可用于建立连接的端点。	创建了一个可用于发送/接收数据报的端点。
bind()	服务器 (必须) / 客户端 (可选)	将 socket() 创建的通信资源绑定到一个具体的IP地址和端口号上。	服务器声明在哪个端口提供服务。客户端通常由系统自动分配临时端口。	同上。服务器绑定知名端口，客户端通常不手动绑定。
listen()	TCP 服务器 (必须)	将socket置于被动监听状态。通知内核开始接受连接请求并设置连接队列大小。	启动监听，准备接受客户端的连接请求 (SYN)。	不适用。UDP 是无连接的，无需监听。
accept()	TCP 服务器 (必须)	从已完成连接队列中取出一个连接。返回一个专用于此连接的新socket。	接受一个客户端的 TCP 连接（完成三次握手后）。这是一个阻塞调用。	不适用。UDP 没有连接的概念。
connect()	TCP 客户端 (必须) / UDP (可选)	指定默认的远程通信对端。	发起TCP三次握手，主动与服务器建立连接。	执行一个本地操作 。仅为socket设置一个默认目标地址，不产生网络流量。用于优化性能和过滤数据。
send() / write()	服务器/客户端	通过已连接的socket发送数据。	通过已建立的TCP连接发送数据。	向 connect() 设置的默认地址发送数据报。
recv() / read()	服务器/客户端	通过已连接的socket接收数据。	从已建立的TCP连接接收数据。	接收来自 connect() 设置的默认地址的数据报。
sendto()	UDP (主要)	向指定地址发送数据。	也可用于TCP，但通常被 send() 取代。	UDP的核心发送函数。每次调用都必须指定目标地址。
recvfrom()	UDP (主要)	接收数据并获取发送方的地址。	也可用于TCP，但通常被 recv() 取代。	UDP的核心接收函数。返回数据的同时告知数据来自谁。
close()	服务器/客户端	关闭连接，释放资源。	触发 TCP 四次挥手，优雅地终止连接。	关闭socket，释放端口。

总结：

1. socket() 和 bind() 是奠基，完成了通信端点的创建和寻址。
2. listen() 和 accept() 是 TCP 服务器的核心，实现了"迎接客户"的连接接收模型。
3. connect() 是 TCP 客户端的核心 （用于建立连接），也是 UDP 的优化工具（用于指定默认对端）。
4. send()/recv() 和 sendto()/recvfrom() 是数据传输的工具。前者用于"连接"场景，后者用于"无连接"或需要知道对端地址的场景。
5. close() 是收尾，负责优雅地终止通信并释放资源。

理解每个调用的作用及其在协议栈中的对应阶段，是掌握网络编程的关键。这套系统调用接口是 Unix "一切皆文件" 哲学的完美体现，通过一个文件描述符 (fd) 抽象了复杂的网络操作。