Linux 网络编程：UDP Socket 群聊模型实现与细节分析

UDP 客户端

struct ThreadData {
    int sockfd; // UDP socket 描述符
    struct sockaddr_in server; // server 地址信息
};

// 发送线程：从标准输入读取数据并发送给 server
void *send_msg(void *arg) {
    ThreadData *td = (ThreadData *)arg;
    std::string message;
    while (1) {
        // 从终端读取一行输入
        std::getline(std::cin, message);
        // 使用 sendto 向 server 发送数据
        // UDP 是无连接的，每次发送都要指定对端地址
        sendto(td->sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (sockaddr *)&(td->server), sizeof(td->server));
    }
    return nullptr;
}

// 接收线程：负责接收 server 广播回来的消息
void *recv_msg(void *arg) {
    ThreadData *td = (ThreadData *)arg;
    char buffer[1024];
    while (1) {
        struct sockaddr_in temp;
        socklen_t len = sizeof(temp);
        // recvfrom：接收数据的同时获取发送方地址
        ssize_t s = recvfrom(td->sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&temp, &len);
        if (s > 0) {
            // UDP 接收到的是原始字节流，需要手动补 '\0'
            buffer[s] = 0;
            // 打印接收到的消息
            std::cerr << buffer << std::endl;
        }
    }
    return nullptr;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    // 参数校验：需要指定 server IP 和端口
    if (argc != 3) {
        printf("\n\t usage : %s server_ip server_port\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    ThreadData td;
    // 从命令行参数解析 server 信息
    std::string server_ip = argv[1];
    uint16_t server_port = atoi(argv[2]);
    struct sockaddr_in server;
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(server_port); // 主机序 → 网络序
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str());
    td.server = server;

    // 创建 UDP socket
    // 客户端不需要 bind，由 OS 自动分配端口
    td.sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (td.sockfd < 0) {
        printf("socket fail!!!\n");
        exit(1);
    }
    printf("socket successful, sockfd : %d\n", td.sockfd);

    // 创建发送和接收两个线程
    // 一个线程负责输入并发送
    // 一个线程负责接收 server 广播消息
    pthread_t send, recv;
    pthread_create(&send, nullptr, send_msg, &td);
    pthread_create(&recv, nullptr, recv_msg, &td);

    // 等待线程结束
    pthread_join(send, nullptr);
    pthread_join(recv, nullptr);

    // 关闭 socket
    close(td.sockfd);
    return 0;
}

为什么调用 socket 系统调用时使用的是 SOCK_DGRAM，而不是 SOCK_STREAM？

• TCP：面向连接、可靠传输、面向字节流
• UDP：无连接、不可靠传输、面向报文

这是因为 UDP 是面向数据报的传输层协议，所以选用 SOCK_DGRAM。当我们需要进行 TCP 网络编程时，就需要使用 SOCK_STREAM。

为什么 server 要 bind 具体的端口号，而 client 却不用？

首先客户端是需要 bind 端口号的，只不过不需要我们显式地进行 bind，可以让操作系统随机选择即可。并且一个端口号只能被一个进程 bind，不能被多个进程同时 bind，这是因为端口号具有唯一标识主机进程的作用。如果一个端口被多个进程 bind，对端发过来的消息，我们就不知道给哪一个进程发送了。

现在假如我们将客户端也 bind 一个具体的端口号的话，那么就会很容易造成冲突。比如我们现在正在悠闲的躺在床上刷着抖音，而我们使用的抖音客户端假如 bind 的是 1234 这个端口号，现在到中午了，我们要开始觅食了，这个时候我们要打开美团进行点外卖了，但是美团的客户端也 bind 了 1234 这个端口号，这个时候一旦你要打开美团这个软件，不好意思，这个时候你已经打不开了，因为你正在刷抖音的客户端已经占用了 1234 这个端口号，所以美团想要打开是不可以的。所以对于客户端直接 bind 一个具体的端口号是不现实的，我们手机上面这么多软件，总不能让所有的这些软件的公司都协商一下，一人用一个吧，所以客户端不能直接 bind 一个具体的端口号，只能交给我们的操作系统，让我们操作系统随机为我们分配一个端口号就可以了，只要这个端口号唯一，我们就可以与远程的服务器进行通信，从而让我们再快乐刷抖音的同时，可以打开美团点外卖了。

这就是为什么 server 要 bind 具体的端口号，而 client 却不需要。

inet_addr("0.0.0.0") 是什么意思？

这个其实就是表示监听我这个主机中所有的网卡，只要是发给我这个主机的，统统接收。因为我们的主机不止一个网卡，会有许多的网卡，其它的不用多说，起码有线网卡和无线网卡就有两个，现在我们大多使用的都是无线网卡，还有像虚拟机中的虚拟网卡等等都会进行监听，所有的数据只要发给我这台主机，统统照单全收。还可以使用以下的方式：

local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

0.0.0.0 = INADDR_ANY，都是表示监听所有网卡，异曲同工之妙。

recvfrom 为什么要传 sockaddr_in*？

这个就很简单了，sockaddr_in 保存了发给我们数据的对端的 IP 和端口号，这样我们就知道这个数据是谁给我们发过来的，这样我们在处理完数据之后就可以通过这个 IP 和端口号再将我们想要回复的消息通过 sendto 系统调用接口给对方返回回去。

UDP 为什么不需要 connect？

这是因为 UDP 是无连接，不可靠的传输层协议，是不存在连接状态的维护，并且 sendto / recvfrom 每次都携带目标地址，同时 UDP 也不需要 listen 和 accept，这些都是 TCP 专用接口，我们再接下来的 TCP 网络编程中会见到这些接口的详细使用的，现在不需要着急。

server 绑定的端口号不要选择 [0,1024]，尽量选择 1024 以上

这是因为在操作系统中，0~1023 这区间内的端口号通常已经被系统服务或标准网络协议占用。

所以为了避免端口冲突，选择 1024 以上的端口，可以尽可能的减少冲突。

UDP 网络编程的核心思想并不在于'接口有多复杂'，而在于对无连接模型的正确理解：

• 没有连接状态
• 每个数据包自带源地址
• 通信关系由数据'自然形成'

正是这种特性，使得 UDP 非常适合实时性要求高、允许少量丢包的场景，例如聊天室、直播、游戏同步等。