Linux学习笔记5：socket通信

1. 什么是 socket

socket（套接字）是 Linux 下网络通信的基石，它为不同主机（或同一主机）上的进程提供了一种双向通信的端点。可以把 socket 看作一根水管，一头连接你的程序，另一头连接远程程序或另一个本地进程，数据就在这根水管里流动。

在 Linux 中，socket 本质上是一个特殊的文件描述符，因此很多 I/O 操作（如read、write、close）同样适用于 socket，这也是 Unix/Linux “一切皆文件”哲学的体现。

常用的 socket 类型有：

• 流式套接字（SOCK_STREAM）：基于 TCP，面向连接、可靠、有序的字节流。
• 数据报套接字（SOCK_DGRAM）：基于 UDP，无连接、不可靠、保留消息边界。
• 原始套接字（SOCK_RAW）：允许直接访问底层协议，常用于网络诊断工具。

在实际开发中，我们最常用的是 TCP 和 UDP 两种 socket。

2. socket 通信的基本流程

一个典型的 TCP 通信流程如下：

UDP 通信则要简单很多，不需要listen和accept，直接用sendto和recvfrom发送和接收数据。

3. 核心 API 详解

Linux 提供了一组标准的 socket 系统调用，所有函数都在<sys/socket.h>中声明。

3.1socket()—— 创建套接字

#include<sys/socket.h>intsocket(intdomain,inttype,intprotocol);

• domain：地址族，IPv4 用AF_INET，本地通信用AF_UNIX。
• type：套接字类型，TCP 用SOCK_STREAM，UDP 用SOCK_DGRAM。
• protocol：通常填 0，让系统根据前两个参数自动选择协议。
• 返回值：成功返回文件描述符，失败返回 -1 并设置errno。

3.2bind()—— 绑定地址

intbind(intsockfd,conststructsockaddr*addr,socklen_taddrlen);

将创建的 socket 与一个本地地址（IP + 端口）绑定。服务端通常需要调用，客户端也可以绑定以指定源端口，但一般不这样做。

3.3listen()—— 开始监听（仅 TCP 服务端）

intlisten(intsockfd,intbacklog);

将主动套接字变为被动套接字，准备接受客户端的连接。backlog指定已完成三次握手但还未被accept的连接队列的最大长度。

3.4accept()—— 接受连接（仅 TCP 服务端）

intaccept(intsockfd,structsockaddr*addr,socklen_t*addrlen);

从已完成连接队列中取出一个连接，并返回一个新的文件描述符，用于与这个客户端进行通信。addr会带回客户端的地址信息。

3.5connect()—— 发起连接（仅 TCP 客户端）

intconnect(intsockfd,conststructsockaddr*addr,socklen_taddrlen);

客户端通过connect向服务端发起三次握手，建立连接。成功后即可在这条连接上收发数据。

3.6 数据收发

• write()/read()：与普通文件操作一样，适合简单的阻塞 I/O。
• send()/recv()：增加了一些flags参数，可以设置非阻塞、发送带外数据等。
• sendto()/recvfrom()：UDP 专用，需要在参数中指定对方的地址。

4. 一个完整的 TCP 回射服务端/客户端示例

下面用 C 实现一个简单的 TCP 回射（echo）服务器和客户端。服务器会原样返回客户端发来的任何数据，直到客户端关闭连接。

4.1 服务端代码

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<arpa/inet.h>#include<sys/socket.h>#definePORT8080#defineBUFFER_SIZE1024intmain(){intserver_fd,client_fd;structsockaddr_inaddress;intaddrlen=sizeof(address);charbuffer[BUFFER_SIZE]={0};// 1. 创建 socketif((server_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==0){perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 设置地址结构address.sin_family=AF_INET;address.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;// 监听所有接口address.sin_port=htons(PORT);// 端口号，host to network short// 3. 绑定地址if(bind(server_fd,(structsockaddr*)&address,sizeof(address))<0){perror("bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 4. 开始监听if(listen(server_fd,3)<0){perror("listen failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Server listening on port %d...\n",PORT);// 5. 接受连接if((client_fd=accept(server_fd,(structsockaddr*)&address,(socklen_t*)&addrlen))<0){perror("accept failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Client connected.\n");// 6. 读取并回射ssize_tbytes_read;while((bytes_read=read(client_fd,buffer,BUFFER_SIZE))>0){write(client_fd,buffer,bytes_read);memset(buffer,0,BUFFER_SIZE);}printf("Client disconnected.\n");close(client_fd);close(server_fd);return0;}

4.2 客户端代码

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<arpa/inet.h>#include<sys/socket.h>#definePORT8080#defineBUFFER_SIZE1024intmain(){intsock=0;structsockaddr_inserv_addr;charbuffer[BUFFER_SIZE]={0};char*message="Hello from client";// 1. 创建 socketif((sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))<0){perror("socket creation error");return-1;}// 2. 设置服务器地址serv_addr.sin_family=AF_INET;serv_addr.sin_port=htons(PORT);// 将 IP 地址从点分十进制转换为二进制if(inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&serv_addr.sin_addr)<=0){perror("invalid address / address not supported");return-1;}// 3. 连接服务器if(connect(sock,(structsockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr))<0){perror("connection failed");return-1;}// 4. 发送数据并接收回显send(sock,message,strlen(message),0);printf("Sent: %s\n",message);read(sock,buffer,BUFFER_SIZE);printf("Echo: %s\n",buffer);close(sock);return0;}

4.3 编译与运行

先将两个代码分别保存为server.c和client.c，然后使用gcc编译：

gcc server.c-oserver gcc client.c-oclient

先启动服务端：

./server

再在另一个终端运行客户端：

./client

客户端会输出：

Sent: Hello from client Echo: Hello from client

这样一个最基础的 TCP 回射程序就跑通了。

5. UDP 通信示例

UDP 不需要建立连接，流程更简洁。下面给出一个简单的 UDP 回射示例。

5.1 服务端

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<arpa/inet.h>#include<sys/socket.h>#definePORT8080#defineBUFFER_SIZE1024intmain(){intsockfd;structsockaddr_inserv_addr,cli_addr;socklen_tlen=sizeof(cli_addr);charbuffer[BUFFER_SIZE];sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);serv_addr.sin_family=AF_INET;serv_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;serv_addr.sin_port=htons(PORT);bind(sockfd,(structsockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr));printf("UDP server listening on port %d\n",PORT);ssize_tn=recvfrom(sockfd,buffer,BUFFER_SIZE,0,(structsockaddr*)&cli_addr,&len);buffer[n]='\0';printf("Received: %s\n",buffer);sendto(sockfd,buffer,n,0,(structsockaddr*)&cli_addr,len);close(sockfd);return0;}

5.2 客户端

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<arpa/inet.h>#include<sys/socket.h>#definePORT8080#defineBUFFER_SIZE1024intmain(){intsockfd;structsockaddr_inserv_addr;socklen_tlen=sizeof(serv_addr);charbuffer[BUFFER_SIZE];char*msg="Hello UDP";sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);serv_addr.sin_family=AF_INET;serv_addr.sin_port=htons(PORT);inet_pton(AF_INET,"127.0.0.1",&serv_addr.sin_addr);sendto(sockfd,msg,strlen(msg),0,(structsockaddr*)&serv_addr,len);printf("Sent: %s\n",msg);recvfrom(sockfd,buffer,BUFFER_SIZE,0,(structsockaddr*)&serv_addr,&len);printf("Echo: %s\n",buffer);close(sockfd);return0;}

6. 常见问题与调试技巧

• 端口被占用：如果bind时报Address already in use，说明端口在上一次程序结束后仍处于TIME_WAIT状态，可设置SO_REUSEADDR选项解决。
• 防火墙拦截：排查iptables或云安全组规则，确保开放对应端口。
• 连接拒绝（Connection refused）：说明服务端还没启动或端口号不对。
• 阻塞问题：默认 I/O 是阻塞的，如果一方不发送数据，另一方会一直等待。可以通过select、poll、epoll实现多路复用，或者将 socket 设为非阻塞模式。

调试工具推荐：

• netstat -tlnp：查看监听端口。
• ss -tlnp：比 netstat 更高效。
• tcpdump/wireshark：抓包分析网络问题。