Linux 网络编程：套接字基础与 UDP 协议实现

1.7 套接字的种类

所谓套接字 (Socket)，就是对网络中不同主机上的应用进程之间进行双向通信的端点的抽象。

1. 域间套接字（同一个机器内）: struct sockaddr_un
2. 原始套接字（网络工具）: 绕过传输层，用于网络装包、诊断。
3. 网络套接字（用户间通信）: struct sockaddr_in

为了统一参数类型，通常使用 sockaddr 结构体，根据前 16 位分辨类型，使用时需做强转。

二、UDP 编程实现

2.1 服务端

2.1.1 Init - 创建服务端

1. 创建套接字

   _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
   if (_sockfd < 0) {
       // 错误处理
   }
   

   • 第一个参数：套接字域 (AF_INET 为 IPv4)。
   • 第二个参数：套接字类型 (SOCK_DGRAM 为 UDP)。
   • 第三个参数：协议类型 (默认为 0)。

2. 绑定套接字

   struct sockaddr_in local;
   bzero(&local, sizeof(local));
   local.sin_family = AF_INET;
   local.sin_port = htons(_port); // 端口号转为网络字节序
   local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str()); // IP 转网络字节序
   
   if (bind(_sockfd, (const struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0) {
       // 错误处理
   }
   

2.1.2 Run - 服务器启动

UDP 不是面向字节流的，使用 recvfrom 接口接收数据，并获取客户端信息。

void Run(func_t func) {
    _isrunning = true;
    char inbuffer[size];
    while (_isrunning) {
        struct sockaddr_in client;
        socklen_t len = sizeof(client);
        ssize_t n = recvfrom(_sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1, 0, 
                             (struct sockaddr *)&client, &len);
        if (n < 0) continue;
        
        inbuffer[n] = 0;
        std::string info = inbuffer;
        std::string echo_string = func(info);
        sendto(_sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size(), 0, 
               (const sockaddr *)&client, len);
    }
}

2.1.3 关于 Port 和 IP

• Port: [0-1023] 一般是系统内定的端口号，有固定的应用协议使用。
• IP: 禁止直接 bind 公网 IP（在虚拟机上可以），因为服务端机器可能有多个网卡、多个 IP。

2.1.4 查看当前网络状态

可使用 netstat 等命令查看。

2.1.5 环回地址

本地测试常用 127.0.0.1。

2.1.6 地址转换函数

基于 IPv4 的 socket 网络编程，sockaddr_in 中的成员 struct in_addr sin_addr 表示 32 位的 IP 地址。

• 字符串转 in_addr: inet_addr()
• in_addr 转字符串：inet_ntoa() (非线程安全), inet_ntop() (推荐)

2.1.7 关于 inet_ntoa

inet_ntoa 返回结果放在静态存储区，多次调用会覆盖上一次结果，且非线程安全。多线程环境下推荐使用 inet_ntop。

2.2 UDP 客户端

1. 创建客户端套接字

   int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
   

   客户端通常不需要显式 bind，由 OS 随机分配端口。

2. 发送数据

   sendto(sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, 
          (struct sockaddr *)&server, len);
   

3. 接收数据

   recvfrom(sockfd, buffer, 1023, 0, (struct sockaddr*)&temp, &len);
   

2.3 主函数

#include"UdpServer.hpp"
#include <memory>

string Handler(const string &str) {
    std::string res = "Server get a message: ";
    res += str;
    return res;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 2) { /* Usage */ }
    uint16_t port = std::stoi(argv[1]);
    unique_ptr<UdpServer> svr(new UdpServer(port));
    svr->Init();
    svr->Run(Handler);
    return 0;
}

2.4 模拟云服务器命令输入

服务端可根据传入字符串执行命令，使用 popen 函数。

std::string ExcuteCommand(const std::string &cmd) {
    FILE *fp = popen(cmd.c_str(), "r");
    if (nullptr == fp) return "error";
    std::string result;
    char buffer[4096];
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), fp)) {
        result += buffer;
    }
    pclose(fp);
    return result;
}

2.5 实现聊天室 + 多线程

群聊需要服务端维护用户列表，并将消息广播给其他客户端。

1. 检查并添加新用户

   void CheckUser(const struct sockaddr_in &client, const string clientip, uint16_t clientport) {
       auto iter = online_user_.find(clientip);
       if (iter == online_user_.end()) {
           online_user_.insert({clientip, client});
       }
   }
   

2. 广播消息

   void Broadcast(const string &info, const string clientip, uint16_t clientport) {
       for (const auto &user : online_user_) {
           std::string message = "[" + clientip + ":" + std::to_string(clientport) + "]# " + info;
           socklen_t len = sizeof(user.second);
           sendto(_sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, 
                  (struct sockaddr *)(&user.second), len);
       }
   }
   

为避免阻塞，客户端采用多线程：一个线程负责发送，一个线程负责接收。

2.6 聊天窗口

通过重定向终端输出，可以实现输入输出分离，优化聊天体验。

2.7 Windows 客户端交互

支持跨平台交互，Windows 客户端也可接入 Linux 服务端。