C++ 从零实现 TCP Socket 网络通信工具

前言

网络编程中的套接字（Socket）是通信的基本接口，允许不同计算机之间通过网络交换数据。套接字是计算机网络中通信的'端点'，通过它，应用程序可以与网络中的其他计算机进行数据通信。网络套接字接口提供了一种抽象的、平台无关的方式来进行进程间通信（IPC）或网络通信。

网络套接字接口

头文件

编写网络的常用 4 个头文件，基本常用的函数都在这 4 个头文件里面。

#include <sys/types.h>      // 包含各种系统数据类型
#include <sys/socket.h>     // 包含套接字操作相关函数和常量
#include <arpa/inet.h>      // 包含与 Internet 地址转换相关的函数
#include <netinet/in.h>     // 定义与网络字节序及 IPv4/IPv6 地址相关的结构体和常量

socket

socket() 函数是创建网络通信套接字的基础。它用于创建一个套接字（socket）并返回一个套接字描述符（socket descriptor），这个描述符将被用来进行后续的网络通信（例如发送和接收数据）。

int socket(int domain, int type, int protocol);

参数说明

1. domain（地址族）：指定通信使用的协议族。
   • 常用值：
     • AF_INET：IPv4 地址族（用于 TCP/IP 通信）。
     • AF_INET6：IPv6 地址族。
     • AF_UNIX：本地通信，适用于 Unix 域套接字。
2. type（套接字类型）：指定套接字的类型，决定数据传输的方式。
   • 常用值：
     • SOCK_STREAM：流套接字（用于 TCP）。
     • SOCK_DGRAM：数据报套接字（用于 UDP）。
     • SOCK_RAW：原始套接字，用于底层协议。
3. protocol（协议）：指定使用的具体协议，通常设置为 0 让系统自动选择协议。
   • 常用值：
     • 0：自动选择合适的协议。
     • IPPROTO_TCP：用于 TCP。
     • IPPROTO_UDP：用于 UDP。

返回值

• 成功时，socket() 返回一个 非负整数，这是一个套接字描述符，代表这个套接字。该描述符将用于后续的套接字操作（如绑定、连接、发送数据等）。
• 失败时，返回 -1，并且设置全局变量 errno 来指示错误类型。

bind()

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

参数说明

1. sockfd（套接字描述符）
   • 类型：int
   • 描述：这是通过 socket() 创建的套接字描述符。客户端使用该套接字发起连接请求。
   • 说明：该套接字应该是已经创建并且可以进行连接的有效套接字。
2. addr（目标地址）
   • 类型：struct sockaddr *
   • 描述：指向一个 struct sockaddr 结构体的指针，包含了服务器的地址（IP 地址和端口号）。
   • 说明：具体的结构类型通常为 struct sockaddr_in（用于 IPv4 地址）或者 struct sockaddr_in6（用于 IPv6 地址）。这个结构体包含了目标服务器的 IP 地址和端口号。
3. addrlen（地址长度）
   • 类型：socklen_t
   • 描述：指定目标地址结构体的大小（字节数）。
   • 说明：通常设置为 sizeof(struct sockaddr_in) 或 sizeof(struct sockaddr_in6)，用于告诉 connect() 函数地址结构的实际长度。

返回值

• 成功时：返回 0，表示成功将套接字与指定的本地地址绑定。
• 失败时：返回 -1，并将 errno 设置为具体的错误码。

listen()

int listen(int sockfd, int backlog);

参数说明

1. sockfd：
   • 类型：int
   • 描述：表示要进入监听状态的套接字描述符。这个套接字通常是通过 socket() 创建的，并且应该已经通过 bind() 绑定了本地地址（如 IP 地址和端口）。
   • 说明：套接字需要是一个有效的连接套接字，用于接受客户端连接。
2. backlog：
   • 类型：int
   • 描述：表示 监听队列的最大长度，也就是可以等待的连接请求数量。如果有多个客户端同时请求连接，系统会将这些请求放入队列中，backlog 参数设置了队列的最大长度。
   • 说明：如果有超过 backlog 数量的连接请求，新的连接请求会被拒绝，或者它们会根据操作系统的实现策略被丢弃。
   • 推荐值：常见的 backlog 值一般设置为 5 到 128，根据服务器的需求而定。对于高并发系统，可能需要更大的 backlog 值。

返回值

• 成功时：返回 0，表示成功将套接字转换为监听状态。
• 失败时：返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。

accept()

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

参数说明

1. sockfd（套接字描述符）
   • 类型：int
   • 描述：这是通过 socket() 创建的套接字描述符。客户端使用该套接字发起连接请求。
   • 说明：该套接字应该是已经创建并且可以进行连接的有效套接字。
2. addr（目标地址）
   • 类型：struct sockaddr *
   • 描述：指向一个 struct sockaddr 结构体的指针，包含了服务器的地址（IP 地址和端口号）。
   • 说明：具体的结构类型通常为 struct sockaddr_in（用于 IPv4 地址）或者 struct sockaddr_in6（用于 IPv6 地址）。这个结构体包含了目标服务器的 IP 地址和端口号。
3. addrlen（地址长度）
   • 类型：socklen_t
   • 描述：指定目标地址结构体的大小（字节数）。
   • 说明：通常设置为 sizeof(struct sockaddr_in) 或 sizeof(struct sockaddr_in6)，用于告诉 connect() 函数地址结构的实际长度。

返回值

• 成功时：返回 新的套接字描述符，用于与客户端进行通信。这个新的套接字是通过 accept() 函数创建的，它与原始的监听套接字不同，可以用于数据发送和接收。
• 失败时：返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。

connect()

参数说明

1. sockfd（套接字描述符）
   • 类型：int
   • 描述：这是通过 socket() 创建的套接字描述符。客户端使用该套接字发起连接请求。
   • 说明：该套接字应该是已经创建并且可以进行连接的有效套接字。
2. addr（目标地址）
   • 类型：struct sockaddr *
   • 描述：指向一个 struct sockaddr 结构体的指针，包含了服务器的地址（IP 地址和端口号）。
   • 说明：具体的结构类型通常为 struct sockaddr_in（用于 IPv4 地址）或者 struct sockaddr_in6（用于 IPv6 地址）。这个结构体包含了目标服务器的 IP 地址和端口号。
3. addrlen（地址长度）
   • 类型：socklen_t
   • 描述：指定目标地址结构体的大小（字节数）。
   • 说明：通常设置为 sizeof(struct sockaddr_in) 或 sizeof(struct sockaddr_in6)，用于告诉 connect() 函数地址结构的实际长度。

返回值

• 成功时：返回 0，表示连接成功。
• 失败时：返回 -1，并且会设置 errno 来指示错误的具体原因。

close()

int close(int fd);

参数说明

1. fd（文件描述符）：
   • 类型：int
   • 描述：这是要关闭的文件描述符。对于套接字编程而言，这通常是由 socket() 函数返回的套接字描述符（sockfd）。
   • 说明：在网络编程中，fd 是表示套接字的描述符，它可以是通过 socket() 创建的套接字描述符。关闭该描述符会释放套接字占用的资源。

返回值

• 成功时：返回 0，表示成功关闭套接字或文件描述符。
• 失败时：返回 -1，并设置 errno 为具体的错误代码。

网络套接字封装（TCP）

1. 头文件引用

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include "log.hpp"

• <iostream>：提供输入输出流的功能，常用于打印日志或错误信息。
• <string>：提供 C++ 标准库的字符串类 std::string，用于字符串处理。
• <cstring> 和 <strings.h>：用于处理字符串相关的操作，如 bzero() 和 strerror()。
• <sys/types.h> 和 <sys/socket.h>：提供套接字编程所需的类型定义和系统调用。
• <arpa/inet.h>：提供与 IP 地址转换相关的函数（如 inet_ntop() 和 inet_addr()）。
• <netinet/in.h>：定义了用于 IPv4 地址和端口的结构体和常量（如 sockaddr_in 和 htons()）。
• "log.hpp"：这是一个自定义的日志头文件，包含了日志记录相关的内容。lg() 函数用于记录日志，lg() 宏应该在 log.hpp 中定义。

2. 全局变量和枚举类型

int backlog = 10;
enum err {
    Socketerr = 1,
    Bindeterr,
    Listeneterr,
    Accepteterr,
};

• backlog：这是传递给 listen() 函数的参数，定义了监听队列的最大长度（即最大客户端连接数）。设置为 10。
• enum err：定义了与套接字相关的错误类型。
  • Socketerr = 1：表示套接字创建失败。
  • Bindeterr：表示套接字绑定失败。
  • Listeneterr：表示监听失败。
  • Accepteterr：表示接受客户端连接失败。

3. Sock 类

3.1 构造函数和析构函数

Sock() {}
~Sock() {}

• 构造函数：默认构造函数，没有进行任何初始化操作。
• 析构函数：默认析构函数，没有执行任何资源清理操作。

3.2 Socket() - 创建套接字

void Socket() {
    sockfd_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd_ < 0) {
        lg(FATAL, "Socket error: %d,%s", errno, strerror(errno));
        exit(Socketerr);
    }
}

• 目的：创建一个 TCP 套接字。
  • AF_INET：表示 IPv4 地址族。
  • SOCK_STREAM：表示 TCP 流套接字（面向连接的套接字）。
  • 0：表示默认协议，通常是 TCP 协议。
• 错误处理：如果 socket() 返回值小于 0，表示套接字创建失败，记录日志并退出程序，退出代码为 Socketerr。

3.3 Bind(uint16_t port) - 绑定套接字

void Bind(uint16_t port) {
    struct sockaddr_in peer;
    socklen_t len = sizeof(peer);
    bzero(&peer, len);
    peer.sin_port = htons(port);
    peer.sin_family = AF_INET;
    peer.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    if (bind(sockfd_, (struct sockaddr*)&(peer), len) < 0) {
        lg(FATAL, "Bind error: %d,%s", errno, strerror(errno));
        exit(Bindeterr);
    }
}

• 目的：将套接字与本地 IP 地址和端口号绑定。通过 INADDR_ANY 将套接字绑定到所有可用的网络接口上，接受来自任何 IP 地址的连接。
  • htons()：将端口号从主机字节序转换为网络字节序。
• 错误处理：如果 bind() 返回值小于 0，表示绑定失败，记录日志并退出程序，退出代码为 Bindeterr。

3.4 Listen() - 开始监听

void Listen() {
    if (listen(sockfd_, backlog) < 0) {
        lg(FATAL, "Listen error: %d,%s", errno, strerror(errno));
        exit(Listeneterr);
    }
}

• 目的：将套接字设置为监听状态，准备接受客户端的连接。
  • backlog：监听队列的最大长度，定义最多能排队等待的连接数。
• 错误处理：如果 listen() 返回值小于 0，表示监听失败，记录日志并退出程序，退出代码为 Listeneterr。

3.5 Accept(std::string * clientip, uint16_t* clientport) - 接受连接

int Accept(std::string * clientip, uint16_t* clientport) {
    struct sockaddr_in peer;
    socklen_t len = sizeof(peer);
    bzero(&peer, len);
    int newfd = accept(sockfd_, (struct sockaddr*)&(peer), &len);
    if (newfd < 0) {
        lg(FATAL, "Accept error: %d,%s", errno, strerror(errno));
        exit(Accepteterr);
    }
    char ip[64];
    inet_ntop(AF_INET, &peer.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip));
    *clientip = ip;
    *clientport = ntohs(peer.sin_port);
    return newfd;
}

• 目的：接受来自客户端的连接请求，并返回一个新的套接字用于与客户端的通信。
  • accept() 函数返回一个新的套接字 newfd，用于与客户端交换数据。
  • 通过 inet_ntop() 将客户端的 IP 地址从二进制转换为字符串格式，ntohs() 将客户端的端口号转换为主机字节序。
• 错误处理：如果 accept() 返回值小于 0，表示接受连接失败，记录日志并退出程序，退出代码为 Accepteterr。

3.6 Connect(const std::string& ip, const uint16_t& port) - 连接服务器

bool Connect(const std::string& ip, const uint16_t& port) {
    struct sockaddr_in peer;
    socklen_t len = sizeof(peer);
    bzero(&peer, len);
    peer.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());
    peer.sin_port = htons(port);
    peer.sin_family = AF_INET;
    int n = connect(sockfd_, (struct sockaddr*)&(peer), len);
    if (n < 0) {
        lg(WARNING, "Connect error: %d,%s", errno, strerror(errno));
        return false;
    }
    return true;
}

• 目的：客户端通过此函数连接到远程服务器，指定服务器的 IP 地址和端口。
  • inet_addr()：将 IP 地址从字符串转换为网络字节序的二进制格式。
  • htons()：将端口号转换为网络字节序。
• 错误处理：如果 connect() 失败，记录警告日志并返回 false，否则返回 true 表示连接成功。

3.7 GetFd() - 获取套接字描述符

int GetFd() {
    return sockfd_;
}

• 目的：返回套接字描述符，便于外部访问该套接字，用于进一步的操作（如 send()，recv() 等）。