Linux服务器编程实践57-功能强大的网络信息函数getaddrinfo：支持IPv4与IPv6

在Linux网络编程中，我们经常需要将主机名转换为IP地址、将服务名转换为端口号。早期的函数如gethostbyname、getservbyname仅支持IPv4，且存在线程不安全的问题。而getaddrinfo函数的出现解决了这些痛点------它不仅同时支持IPv4和IPv6，还能统一处理主机名到IP、服务名到端口的转换，是现代Linux网络编程中不可或缺的工具。本文将从函数原理、参数解析、实战示例和注意事项四个维度，深入讲解getaddrinfo的使用。

一、getaddrinfo函数的核心能力

getaddrinfo函数的核心价值在于"统一与兼容"：

协议无关：自动适配IPv4（AF_INET）和IPv6（AF_INET6），无需开发者手动区分协议版本。
功能统一 ：同时实现"主机名→IP地址"和"服务名→端口号"的转换，替代传统的gethostbyname（仅主机名解析）和getservbyname（仅服务名解析）。
灵活配置 ：通过hints参数可精确控制解析结果（如指定TCP/UDP、优先IPv6等）。
线程安全 ：相比不可重入的gethostbyname，getaddrinfo的可重入版本（依赖内部实现）更适合多线程服务器环境。

二、函数原型与参数解析

2.1 函数原型

复制代码

#include <netdb.h>
int getaddrinfo(const char *hostname, const char *service, 
                const struct addrinfo *hints, struct addrinfo **result);

// 配套的内存释放函数
void freeaddrinfo(struct addrinfo *res);

// 错误信息转换函数
const char *gai_strerror(int error);

2.2 关键参数详解

参数	类型	说明
`hostname`	const char*	待解析的主机名（如"www.baidu.com"）或字符串格式的IP地址（如"192.168.1.108"、"fe80::1"）。若为NULL，将解析本地主机。
`service`	const char*	待解析的服务名（如"http"、"ssh"）或字符串格式的端口号（如"80"、"22"）。若为NULL，将忽略端口解析。
`hints`	const struct addrinfo*	解析提示，控制结果格式。若为NULL，返回所有可用结果（包括IPv4/IPv6、TCP/UDP）。
`result`	struct addrinfo**	输出参数，指向解析结果链表的头节点。需调用`freeaddrinfo`释放内存。

2.3 addrinfo结构体解析

addrinfo是解析结果的核心结构体，存储了IP地址、端口号、协议类型等关键信息：

复制代码

struct addrinfo {
    int ai_family;       // 地址族：AF_INET（IPv4）、AF_INET6（IPv6）
    int ai_socktype;     // 服务类型：SOCK_STREAM（TCP）、SOCK_DGRAM（UDP）
    int ai_protocol;     // 协议号：0（默认）、IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP
    socklen_t ai_addrlen;// ai_addr指向的socket地址长度
    struct sockaddr *ai_addr; // 指向sockaddr_in（IPv4）或sockaddr_in6（IPv6）
    char *ai_canonname;  // 主机的规范名（若hints.ai_flags设为AI_CANONNAME）
    struct addrinfo *ai_next; // 链表下一个节点（可能有多个解析结果）
};

2.4 hints参数的常用配置

hints参数通过设置ai_flags、ai_family等字段，可精准控制解析行为。常见配置场景如下：

配置场景	hints参数设置	效果
仅解析IPv4的TCP服务	`hints.ai_family=AF_INET; hints.ai_socktype=SOCK_STREAM;`	仅返回IPv4、TCP相关的解析结果。
优先解析IPv6	`hints.ai_family=AF_INET6; hints.ai_flags=AI_V4MAPPED;`	优先返回IPv6结果；若无IPv6，将IPv4映射为IPv6地址返回。
获取主机规范名	`hints.ai_flags=AI_CANONNAME;`	解析结果的`ai_canonname`字段将存储主机的规范名（非别名）。
服务器被动监听	`hints.ai_flags=AI_PASSIVE; hints.ai_socktype=SOCK_STREAM;`	返回适合`bind`的地址（如0.0.0.0，监听所有网卡），用于服务器程序。

三、实战示例：用getaddrinfo实现跨协议客户端

下面通过一个完整示例，展示如何使用getaddrinfo实现一个同时支持IPv4和IPv6的TCP客户端，连接目标主机的80端口（HTTP服务）。

3.1 示例代码

复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <arpa/inet.h>

// 错误处理宏
#define CHECK_ERR(ret, msg) do { \
    if (ret != 0) { \
        fprintf(stderr, "%s: %s\n", msg, gai_strerror(ret)); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } \
} while (0)

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "用法: %s <主机名>\n", argv[0]);
        fprintf(stderr, "示例: %s www.baidu.com\n", argv[0]);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    const char *hostname = argv[1];
    const char *service = "80"; // HTTP默认端口
    struct addrinfo hints, *result, *p;
    int sockfd, ret;
    char ip_str[INET6_ADDRSTRLEN]; // 兼容IPv6的IP字符串缓冲区

    // 1. 初始化hints参数
    memset(&hints, 0, sizeof(hints));
    hints.ai_family = AF_UNSPEC;     // 不指定协议族，自动兼容IPv4/IPv6
    hints.ai_socktype = SOCK_STREAM; // TCP流服务
    hints.ai_flags = AI_PASSIVE;     // 用于客户端可省略，此处仅为示例
    hints.ai_protocol = 0;           // 自动选择协议

    // 2. 调用getaddrinfo解析主机名和服务名
    ret = getaddrinfo(hostname, service, &hints, &result);
    CHECK_ERR(ret, "getaddrinfo失败");

    // 3. 遍历解析结果链表，尝试建立连接
    for (p = result; p != NULL; p = p->ai_next) {
        // 创建socket
        sockfd = socket(p->ai_family, p->ai_socktype, p->ai_protocol);
        if (sockfd == -1) {
            perror("socket创建失败");
            continue;
        }

        // 转换IP地址为字符串（兼容IPv4/IPv6）
        if (p->ai_family == AF_INET) {
            struct sockaddr_in *ipv4_addr = (struct sockaddr_in *)p->ai_addr;
            inet_ntop(AF_INET, &(ipv4_addr->sin_addr), ip_str, sizeof(ip_str));
        } else if (p->ai_family == AF_INET6) {
            struct sockaddr_in6 *ipv6_addr = (struct sockaddr_in6 *)p->ai_addr;
            inet_ntop(AF_INET6, &(ipv6_addr->sin6_addr), ip_str, sizeof(ip_str));
        }

        // 尝试连接
        printf("尝试连接: %s:%s（协议族: %s）\n", 
               ip_str, service, 
               (p->ai_family == AF_INET) ? "IPv4" : "IPv6");
        
        if (connect(sockfd, p->ai_addr, p->ai_addrlen) == 0) {
            printf("连接成功！\n");
            break; // 连接成功，跳出循环
        }

        perror("connect失败");
        close(sockfd); // 连接失败，关闭当前socket
    }

    // 4. 检查是否成功建立连接
    if (p == NULL) {
        fprintf(stderr, "所有连接尝试均失败\n");
        freeaddrinfo(result);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 5. 发送HTTP请求（简单示例）
    const char *http_req = "GET / HTTP/1.1\r\nHost: %s\r\nConnection: close\r\n\r\n";
    char req_buf[1024];
    snprintf(req_buf, sizeof(req_buf), http_req, hostname);
    send(sockfd, req_buf, strlen(req_buf), 0);

    // 6. 读取并打印响应（前1024字节）
    char resp_buf[1024];
    ssize_t n = recv(sockfd, resp_buf, sizeof(resp_buf)-1, 0);
    if (n > 0) {
        resp_buf[n] = '\0';
        printf("\n服务器响应（前%d字节）:\n%s\n", (int)n, resp_buf);
    }

    // 7. 释放资源
    close(sockfd);
    freeaddrinfo(result); // 必须释放解析结果链表
    return EXIT_SUCCESS;
}

3.2 代码说明

参数初始化 ：hints.ai_family=AF_UNSPEC表示不限制协议族，自动适配IPv4和IPv6；ai_socktype=SOCK_STREAM指定TCP协议。
解析与连接 ：通过循环遍历result链表，尝试为每个解析结果创建socket并连接。若某个结果连接成功，立即跳出循环。
IP地址转换 ：使用inet_ntop函数将二进制IP地址转换为字符串（兼容IPv4和IPv6），便于打印输出。
资源释放 ：连接完成后，必须调用freeaddrinfo释放解析结果链表，避免内存泄漏。

3.3 运行效果

编译并运行程序，连接www.baidu.com，输出如下（实际结果因网络环境而异）：

复制代码

$ gcc -o addrinfo_client addrinfo_client.c
$ ./addrinfo_client www.baidu.com
尝试连接: 119.75.217.56:80（协议族: IPv4）
连接成功！

服务器响应（前1024字节）:
HTTP/1.1 200 OK
Accept-Ranges: bytes
Cache-Control: private, no-cache, no-store, proxy-revalidate, no-transform
Connection: close
Content-Length: 2443
Content-Type: text/html
Date: Wed, 10 Jul 2024 08:00:00 GMT
Etag: "5886041d-98b"
Last-Modified: Mon, 23 Jan 2017 13:24:45 GMT
Pragma: no-cache
Server: bfe/1.0.8.18
Set-Cookie: BDORZ=27315; max-age=86400; domain=.baidu.com; path=/

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html;charset=utf-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge,chrome=1">
    <meta content="always" name="referrer">
    <link rel="stylesheet" type="text/css" href="http://s1.bdstatic.com/r/www/cache/bdorz/baidu.min.css">
    <title>百度一下，你就知道</title>
...（省略后续内容）

四、getaddrinfo的内部工作流程

为了更直观地理解getaddrinfo的工作机制，其内部流程，包括"参数解析→本地文件查询→DNS查询→结果组装"四个核心步骤。

流程说明：

参数校验 ：检查hostname、service格式是否合法，hints参数是否有效。
本地查询 ：优先查询/etc/hosts（主机名→IP）和/etc/services（服务名→端口），若命中则直接返回结果。
DNS查询 ：若本地查询未命中，向/etc/resolv.conf配置的DNS服务器发送查询请求，获取主机的IPv4/IPv6地址。
结果组装 ：根据hints参数过滤结果，按"IPv6优先"或"IPv4优先"排序，组装成addrinfo链表返回。

五、常见问题与注意事项

5.1 内存泄漏风险

注意：getaddrinfo会动态分配内存存储解析结果（result链表），无论解析成功与否，都必须调用freeaddrinfo释放内存。若遗漏释放，将导致内存泄漏，尤其在循环调用getaddrinfo的服务器程序中，泄漏问题会快速累积。

5.2 错误处理

getaddrinfo返回非0值表示失败，需通过gai_strerror(ret)获取可读的错误信息，而非依赖errno。常见错误码及含义：

EAI_NONAME：主机名或服务名无法解析（如输入错误的域名）。
EAI_AGAIN：DNS查询临时失败（如DNS服务器不可达），建议重试。
EAI_MEMORY：内存分配失败（如系统内存不足）。
EAI_FAMILY：hints.ai_family指定的协议族不支持（如系统未启用IPv6）。

5.3 多线程安全

getaddrinfo的线程安全性取决于系统实现。在Linux系统中，若使用glibc 2.2及以上版本，getaddrinfo是线程安全的；但早期版本可能依赖全局变量，存在线程安全风险。若需在多线程服务器中使用，建议：

确保glibc版本≥2.2。
避免在多个线程中同时调用getaddrinfo解析同一个主机名（虽安全，但可能重复查询，建议缓存结果）。

5.4 IPv6兼容性配置

若系统未启用IPv6，getaddrinfo将无法返回IPv6结果。需通过以下命令检查并启用IPv6：

复制代码

# 检查IPv6是否启用
$ cat /proc/sys/net/ipv6/conf/all/disable_ipv6
0 # 0表示启用，1表示禁用

# 若禁用，临时启用IPv6（重启后失效）
$ sudo sysctl -w net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=0

六、总结

getaddrinfo作为Linux网络编程的"瑞士军刀"，解决了传统地址解析函数的诸多局限性。它不仅实现了IPv4与IPv6的无缝兼容，还通过灵活的参数配置满足不同场景需求，是开发跨协议、高可靠性服务器/客户端的必备工具。

在实际开发中，需重点关注：

通过hints参数精准控制解析结果，避免无效结果的冗余处理。
务必调用freeaddrinfo释放内存，防止内存泄漏。
结合inet_ntop等函数，实现二进制IP地址与字符串的安全转换。

掌握getaddrinfo的使用，将为后续开发高性能、跨协议的Linux网络程序打下坚实基础。