C++ 网络编程详解：从原理到实战

对于 IPv6，使用 sockaddr_in6 结构。

字节序转换

网络字节序是大端序（Big-Endian），主机字节序可能不同，需进行转换。

// 网络字节序转主机字节序（32 位）
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

// 主机字节序转网络字节序（16 位）
uint16_t htons(uint16_t hostshort);

// 字符串与网络地址转换
const char* inet_ntop(int af, const void* src, char* dst, socklen_t size);
int inet_pton(int af, const char* src, void* dst);

网络协议详解

TCP 协议特性

• 连接建立：三次握手（SYN -> SYN+ACK -> ACK）。
• 可靠传输：确认应答（ACK）、超时重传、序列号。
• 流量控制：滑动窗口机制，动态调整接收窗口大小。

UDP 协议特性

• 无连接：无需握手，开销小。
• 不可靠：不保证顺序或到达。
• 适用场景：音视频流媒体、在线游戏、DNS 查询。

C++ Socket 编程

基础 API

创建套接字 (socket)

int socket(int domain, int type, int protocol);
// domain: AF_INET (IPv4), AF_INET6 (IPv6)
// type: SOCK_STREAM (TCP), SOCK_DGRAM (UDP)

绑定套接字 (bind)

int bind(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);

监听连接 (listen)

int listen(int sockfd, int backlog);

接受连接 (accept)

int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t *addrlen);

连接与数据传输 客户端使用 connect() 建立连接，send() 发送数据，recv() 接收数据。

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);

if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
    perror("connect failed");
}

char buffer[1024];
ssize_t bytes_received = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);

注意：返回值可能小于缓冲区长度，需循环读取直到完整数据到达。

高级 I/O 模型

阻塞与非阻塞 I/O

• 阻塞 I/O：数据未准备好时程序等待，简单但效率低。
• 非阻塞 I/O：立即返回错误（EWOULDBLOCK），需配合事件循环，适合高并发。

多路复用技术

允许单个线程监控多个文件描述符（fd）的状态变化。

epoll 采用事件驱动，适合 Linux 下的高性能服务器。

并发编程

多线程与多进程

• 多线程：共享资源，轻量级，适合 I/O 密集型任务。需注意同步（如 std::mutex）。
• 多进程：资源隔离，稳定性高，适合 CPU 密集型或高可靠性场景。

线程池

维护一组工作线程，避免频繁创建销毁线程的开销。

class ThreadPool {
public:
    ThreadPool(size_t threads);
    template<class F, class... Args>
    auto enqueue(F&& f, Args&&... args) -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type>;
private:
    std::vector<std::thread> workers;
    std::queue<std::function<void()>> tasks;
    std::mutex queue_mutex;
    std::condition_variable condition;
    bool stop;
};

应用层协议实现

HTTP 服务器开发

解析 HTTP 请求行（方法、URI、版本）和请求头，构建包含状态码、响应头和响应体的 HTTP 响应。

std::string BuildResponse(int status, const std::string& content) {
    std::ostringstream response;
    response << "HTTP/1.1 " << status << " OK\r\n";
    response << "Content-Type: text/html\r\n";
    response << "Content-Length: " << content.length() << "\r\n";
    response << "\r\n";
    response << content;
    return response.str();
}

自定义协议设计

• 协议头：包含魔数、版本号、消息类型、序列号、消息体长度。
• 序列化：可使用 Protobuf 或 JSON。Protobuf 更高效，适合二进制传输。

网络安全与优化

SSL/TLS 基础

使用 OpenSSL 库实现加密通信，确保机密性和完整性。

SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(TLS_server_method());
SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, "server.crt", SSL_FILETYPE_PEM);
SSL* ssl = SSL_new(ctx);
SSL_set_fd(ssl, sockfd);
SSL_accept(ssl); // 服务器端

性能优化策略

• 零拷贝：使用 sendfile 减少用户态与内核态拷贝。
• 缓冲区调整：设置 SO_RCVBUF 和 SO_SNDBUF。
• 禁用 Nagle 算法：设置 TCP_NODELAY 减少延迟。

实践案例

经典网络应用

• 聊天服务器：基于 TCP，处理多客户端连接（结合线程池或 epoll）。
• 文件传输：分块传输，校验和验证，支持断点续传。

第三方库应用

• Boost.Asio：跨平台异步 I/O 库，基于 Proactor 模式。
• Protobuf：Google 开发的高效序列化格式，支持跨语言。

// Boost.Asio 异步连接示例
void async_connect(boost::asio::ip::tcp::socket& socket,
                   const boost::asio::ip::tcp::resolver::results_type& endpoints) {
    boost::asio::async_connect(socket, endpoints,
        [](boost::system::error_code ec, const auto& it) {
            if (!ec) std::cout << "Connected!\n";
        });
}