Linux 网络编程：套接字基础与 API 详解

2.1.1 socket 函数

// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);

功能：创建一个新的套接字。

参数：

• domain：指定协议族（如 AF_INET 用于 IPv4，AF_INET6 用于 IPv6）。
• type：指定套接字类型（如 SOCK_STREAM 用于 TCP，SOCK_DGRAM 用于 UDP）。
• protocol：通常指定为 0，让系统自动选择协议。

返回值：成功时返回套接字文件描述符，失败时返回 -1 并设置 errno。

2.1.2 bind 函数

// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr* address, socklen_t address_len);

功能：将套接字与特定的 IP 地址和端口号绑定。

参数：

• socket：要绑定的套接字文件描述符。
• address：指向包含 IP 地址和端口号的 sockaddr 结构的指针。
• address_len：address 结构的大小。

返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno。

2.1.3 listen 函数

// 开始监听 socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);

功能：使套接字进入监听状态，准备接受连接请求。

参数：

• socket：要监听的套接字文件描述符。
• backlog：指定系统应为相应套接字排队的最大连接数。

返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno。

2.1.4 accept 函数

// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);

功能：接受一个连接请求。

参数：

• socket：处于监听状态的套接字文件描述符。
• address：如果不为 NULL，将存储客户端的地址信息。
• address_len：指向 address 结构大小的指针，函数返回时存储实际大小。

返回值：成功时返回新的套接字文件描述符用于与客户端通信，失败时返回 -1 并设置 errno。

2.1.5 connect 函数

// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);

功能：主动与服务器建立连接。

参数：

• sockfd：客户端套接字文件描述符。
• addr：指向包含服务器地址信息的 sockaddr 结构的指针。
• addrlen：addr 结构的大小。

返回值：成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno。

2.2 主机字节序和网络字节序的转换的函数

// 头文件
#include <arpa/inet.h>

2.2.1 htonl 函数

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

功能：将 32 位无符号整数从主机字节序转换为网络字节序。

参数：

• hostlong ：是一个 32 位无符号整数，以主机字节序表示。

返回值：返回转换后的以网络字节序表示的 32 位无符号整数。

2.2.2 ntohl 函数

uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

功能：将 32 位无符号整数从网络字节序转换回主机字节序。

参数：

• netlong：是一个 32 位无符号整数，以网络字节序表示。

返回值：返回转换后的以主机字节序表示的 32 位无符号整数。

2.2.3 htons 函数

uint16_t htons(uint16_t hostshort);

功能：将 16 位无符号整数从主机字节序转换为网络字节序。

参数：

• hostshort：是一个 16 位无符号整数，以主机字节序表示。

返回值：返回转换后的以网络字节序表示的 16 位无符号整数。

2.2.4 ntohs 函数

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);

功能：将 16 位无符号整数从网络字节序转换回主机字节序。

参数：

• netshort ：是一个 16 位无符号整数，以网络字节序表示。

返回值：返回转换后的以主机字节序表示的 16 位无符号整数。

2.3 IP 地址形式转换的函数

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

2.3.1 inet_aton 函数

int inet_aton(const char* cp, struct in_addr* inp);

功能：将点分十进制的 IPv4 地址字符串转换为网络字节序的二进制形式。

参数：

• cp ：是指向以 null 结尾的 IPv4 地址字符串的指针；
• inp ：是指向 struct in_addr 结构的指针，用于存储转换后的地址。

返回值：

• 如果转换成功，则返回非零值；
• 如果转换失败，则返回零。

2.3.2 inet_addr 函数

in_addr_t inet_addr(const char* cp);

功能：将点分十进制字符串形式的 IP 地址转换为 32 位二进制整数形式（网络字节序）。

参数：

• cp：指向点分十进制字符串形式 IP 地址的指针。

返回值：如果转换成功，返回转换后的 32 位二进制整数；如果转换失败，返回 INADDR_NONE（通常为 0xffffffff）。不过需要注意的是，INADDR_NONE 也是一个有效的 IP 地址（255.255.255.255），这可能会导致一些混淆，因此更推荐使用 inet_aton 函数。

2.3.3 inet_network 函数

in_addr_t inet_network(const char* cp);

功能：将点分十进制字符串形式的 IP 地址转换为 32 位二进制整数形式（主机字节序），并且通常用于提取网络号。

参数：

• cp：指向点分十进制字符串形式 IP 地址的指针。

返回值：如果转换成功，返回转换后的 32 位二进制整数；如果转换失败，返回 -1。

2.3.4 inet_ntoa 函数

char* inet_ntoa(struct in_addr in);

功能：将网络字节序的 IPv4 地址（struct in_addr）转换回点分十进制的字符串形式。

参数：

• in：是包含要转换地址的 struct in_addr 结构。

返回值：返回一个指向静态分配的、以 null 结尾的字符串的指针，该字符串包含转换后的点分十进制 IPv4 地址。注意，返回的字符串指针指向一个静态分配的区域，因此每次调用 inet_ntoa 时，上次调用返回的字符串可能会被覆盖。

2.4 套接字中发送/接收数据的函数

2.4.1 recvfrom 函数

ssize_t recvfrom(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags, struct sockaddr* src_addr, socklen_t *addrlen);

功能：从指定的套接字接收数据报，并可选地获取发送方的地址信息。

参数：

• sockfd：套接字文件描述符，指向一个已绑定并处于监听状态的 UDP 套接字。
• buf：指向用于存储接收到的数据报的缓冲区。
• len：缓冲区的大小，即最多可以接收的字节数。
• flags：通常设置为 0，但可以指定如 MSG_PEEK（查看数据但不移除）等标志。
• src_addr：指向 sockaddr 结构的指针，用于存储发送方的地址信息。如果不需要此信息，可以设置为 NULL。
• addrlen：指向 socklen_t 变量的指针，用于输入 src_addr 结构的大小，并在函数返回时存储实际写入 src_addr 的地址长度。如果 src_addr 为 NULL，则此参数也应为 NULL。

返回值：

• 如果成功，它将返回一个 ssize_t 类型的值，表示接收到的字节数。
• 如果发生错误，它将返回 -1，并且全局变量 errno 将被设置为一个描述错误的代码。

2.4.2 sendto 函数

ssize_t sendto(int sockfd, const void* buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr* dest_addr, socklen_t addrlen);

功能：用于向指定的地址发送数据报。

参数：

• sockfd：套接字文件描述符，指向一个已绑定（或未绑定但使用了默认路由）的 UDP 套接字。
• buf：指向包含要发送的数据报的缓冲区。
• len：要发送的数据报的长度（字节数）。
• flags：通常设置为 0，但可以指定如 MSG_DONTWAIT（非阻塞发送）等标志。
• dest_addr：指向 sockaddr 结构的指针，包含了目标地址的信息。
• addrlen：dest_addr 结构的大小。

返回值：

• 函数返回时，如果成功，它将返回一个 ssize_t 类型的值，表示发送的字节数。通常，这个值应该等于 len，除非发生了错误或发送被中断。
• 如果发生错误，sendto 将返回 -1，并且全局变量 errno 将被设置为一个描述错误的代码。

2.5 sockaddr 结构

网络编程中，socket 分为很多种类：

1. unix socket：也被称为域 socket，它允许在同一台主机上的不同进程之间通过文件系统路径进行通信。
2. 网络 socket：它允许在不同主机上之间进行通信，也允许同一台主机上的不同进程之间进行通信。
3. 原始 socket：它允许程序绕过操作系统的网络协议栈，直接发送和接收原始数据包。

由于设计者想用同一套接口就解决上面应用场景，所以就设计出来 sockaddr_in 结构体类型，通过下图我们可以看到 sockaddr_in 结构体与 sockaddr_un 结构体都有一个地址类型，只要取得某种 sockaddr 结构体的首地址，不需要知道具体是哪种类型的 sockaddr 结构体，就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容。