C++ 从零实现 TCP Socket 网络通信工具

关键点：

• sockfd：socket() 创建的描述符。
• addr：指向 struct sockaddr 或其子类（如 sockaddr_in）的指针，包含 IP 和端口信息。
• addrlen：地址结构体的大小，通常为 sizeof(struct sockaddr_in)。

返回结果： 成功返回 0，失败返回 -1。

listen

将主动套接字转换为被动监听套接字，准备接受客户端连接请求。

int listen(int sockfd, int backlog);

参数说明：

• backlog：监听队列的最大长度。当多个客户端同时请求连接时，超出此数量的请求会被拒绝或丢弃。一般设置为 5 到 128，高并发场景可适当调大。

返回结果： 成功返回 0，失败返回 -1。

accept

阻塞等待并接受客户端的连接请求。一旦连接建立，会返回一个新的套接字描述符用于与该客户端通信。

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

注意：

• 原始监听套接字继续用于 accept，新返回的描述符才用于 send/recv。
• 通过 addr 参数可以获取客户端的 IP 和端口信息。

返回结果： 成功返回新套接字描述符，失败返回 -1。

connect

客户端发起连接请求，尝试与远程服务器建立 TCP 连接。

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

流程：

1. 构造目标服务器的 sockaddr_in 结构体。
2. 调用 connect() 发起三次握手。
3. 若连接成功返回 0，否则返回 -1。

close

关闭套接字描述符，释放相关资源。

int close(int fd);

务必在程序退出前关闭所有打开的套接字，防止资源泄漏。

C++ 封装实现

理解了基础 API 后，我们可以将其封装为 C++ 类，提高代码的可读性和复用性。下面是一个简单的 Sock 类实现示例。

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>
// log.hpp 为项目自定义日志头文件
#include "log.hpp"

全局配置与错误枚举

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

这里定义了监听队列长度和常见的错误码枚举，便于统一处理异常。

Sock 类设计

构造函数与析构函数

Sock() {}
~Sock() {}

默认构造函数不执行初始化，析构函数预留资源清理逻辑（实际项目中建议在此处调用 close()）。

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);
    }
}

使用 AF_INET 和 SOCK_STREAM 创建 IPv4 TCP 套接字。若创建失败直接记录日志并退出。

Bind - 绑定地址

void Bind(uint16_t port) {
    struct sockaddr_in peer;
    socklen_t len = sizeof(peer);
    bzero(&peer, len);
    
    peer.sin_port = htons(port);       // 主机序转网络序
    peer.sin_family = AF_INET;
    peer.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定所有可用网卡

    if (bind(sockfd_, (struct sockaddr*)&(peer), len) < 0) {
        lg(FATAL, "Bind error: %d,%s", errno, strerror(errno));
        exit(Bindeterr);
    }
}

注意端口号需通过 htons() 转换字节序，INADDR_ANY 表示监听本机所有 IP。

Listen - 开始监听

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

将套接字置为监听状态，进入等待连接阶段。

Accept - 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;
}

获取新连接描述符，并将客户端 IP 和端口转换为可读字符串返回。

Connect - 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;
}

客户端专用方法，将 IP 字符串转为二进制格式后发起连接。

GetFd - 获取描述符

int GetFd() {
    return sockfd_;
}

提供访问内部描述符的接口，方便外部调用 send/recv 等底层函数。

以上代码展示了从底层 API 到面向对象封装的完整过程。在实际开发中，建议结合 RAII 机制管理资源，并在析构函数中确保 close() 被正确调用。