C++ 套接字编程

C++ 套接字编程是使用 C++ 在网络上的两个套接字之间建立通信的方法。在本教程中，我们将学习使用 C++ 中不同类型的套接字进行套接字编程的全部知识。

什么是套接字?

套接字充当网络数据交换的接触点，就像在网络上发送和接收数据的端点。它们允许应用程序使用 TCP(传输控制协议)和 UDP(用户数据报协议)等协议相互通信。它们是大多数互联网通信的支柱，因为它使我们能够进行网页浏览和实时聊天。

套接字有两种类型:

流套接字 (TCP):
它提供可靠的面向连接的通信，数据以连续的流形式发送，确保数据包按顺序无错误地到达。
数据报套接字 (UDP):
它提供无连接通信。它以数据包的形式独立传输数据，但不保证顺序或交付，因此发送速度较快，但可靠性较低。

C++ 套接字编程

C++ 套接字编程是一种强大的方法，可用于创建网络应用程序，允许使用套接字 API 通过网络在设备之间进行通信。此过程涉及在客户端和服务器之间建立连接，从而支持通过 TCP 或 UDP 等协议进行数据交换。

C++ 服务器端套接字(监听连接)

以下方法用于处理服务器端通信:

1. socket()

socket() 是网络编程中的一个系统调用，用于在 C++ 中创建一个新的 TCP 套接字，该套接字定义在 <sys/socket.h> 头文件中。

语法

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

其中

int sockfd 声明一个整型变量，用于存储套接字文件描述符。
AF_INET表示套接字将使用 IPv4 地址族。
SOCK_STREAM指定套接字将使用 TCP(一种面向流的协议)，
0让系统为指定的地址族和套接字类型选择默认协议(在本例中为 TCP)。

2. bind()

bind() 方法与一个套接字关联，该套接字具有特定的本地地址和端口号，允许套接字监听该地址上的传入连接。

语法

bind(sockfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));

其中:

sockfd 是程序中代表套接字的文件描述符，用于执行各种套接字操作。
(struct sockaddr)&address 将地址结构转换为 bind 函数的通用指针类型。
sizeof(address) 指定地址结构的大小，以告知系统预期的数据量。

3. listen()

listen() 函数将套接字标记为被动套接字，该套接字准备接受传入的连接请求(针对服务器)。

语法

listen(sockfd, 10);

其中:

sockfd 是程序中代表套接字的文件描述符，用于执行各种套接字操作。
10 是 backlog 参数，指定服务器繁忙时排队的最大待处理连接数。

4. accept()

accept() 函数接受来自客户端(对于服务器)的新连接。它提取待处理连接队列中的第一个连接请求，并为该连接创建一个新的套接字。

语法

int clientSocket = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientAddress, &clientLen);

其中，

sockfd:它是套接字的文件描述符，用于执行各种套接字操作。
(struct sockaddr)&address:这是一个类型转换，将clientAddress的指针类型转换为structsockaddr*类型的指针。
&lientLen:它是一个指向保存clientAddress大小的变量的指针。

C++ 客户端套接字(连接到服务器)

以下方法用于客户端通信:

1. connect()

此函数是一个系统调用，用于尝试使用套接字与指定服务器(对于客户端)建立连接。

语法

connect(sockfd, (struct sockaddr*)&serverAddress, sizeof(serverAddress));

其中:

sockfd 是程序中代表套接字的文件描述符，用于执行各种套接字操作。
(struct sockaddr*)&serverAddress 将 serverAddress 转换为 struct sockaddr* 指针，从而与需要通用套接字地址类型的函数兼容。
sizeof(serverAddress) 指定 serverAddress 的大小

2. send()

send() 函数是套接字编程中的系统调用，用于向已连接的套接字发送数据。

语法

send(sockfd, "Hello", strlen("Hello"), 0);

其中:

sockfd 是程序中代表套接字的文件描述符，用于执行各种套接字操作。
strlen("Hello") 函数返回字符串"Hello"的长度(5 个字节)，显示要发送的数据字节数。
0 让系统为指定的地址族和套接字类型选择默认协议(在本例中为 TCP)。

3. recv()

recv() 函数是一个系统调用，用于从已连接的套接字接收数据，允许客户端或服务器读取传入的消息。

语法

recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);

其中:

sockfd 是程序中代表套接字的文件描述符，用于执行各种套接字操作。
buffer 是指向存储接收数据的内存位置的指针。此缓冲区应足够大，以容纳传入的数据。
sizeof(buffer) 指定从套接字读取的最大字节数，通常是缓冲区的大小。

关闭客户端套接字

close() 方法关闭打开的套接字。

语法

close(sockfd);

其中，

close函数是一个系统调用，用于关闭与套接字关联的文件描述符。

套接字编程所需的头文件

使用 C 或 C++ 进行套接字编程时，必须包含特定的头文件以进行必要的声明。

对于 Linux/Unix系统

<sys/socket.h>
<netinet/in.h>
<arpa/inet.h>
<unistd.h>
<string.h>
<errno.h>

Windows 系统

<winsock2.h>
<ws2tcpip.h>
<windows.h>

C++ 套接字编程示例

这里有一个简单的示例，用于说明 TCP 服务器和客户端C++:

TCP 服务器代码

#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>

#include <cstring>
#include <iostream>

#define PORT 8080

int main() {
  int server_fd, new_socket;
  struct sockaddr_in address;
  int opt = 1;
  int addrlen = sizeof(address);
  char buffer[1024] = {0};

  // 创建套接字
  server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (server_fd == 0) {
    perror("socket failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  // 将套接字连接到端口
  setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
  address.sin_family = AF_INET;
  address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
  address.sin_port = htons(PORT);

  // Bind
  if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
    perror("bind failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  // Listen
  if (listen(server_fd, 3) < 0) {
    perror("listen");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  // 接受连接
  new_socket =
      accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen);
  if (new_socket < 0) {
    perror("accept");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  // 读取数据
  read(new_socket, buffer, 1024);
  std::cout << "Message from client: " << buffer << std::endl;

  // 关闭套接字
  close(new_socket);
  close(server_fd);
  return 0;
}

TCP 客户端代码

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

#include <cstring>
#include <iostream>

#define PORT 8080

int main() {
  int sock = 0;
  struct sockaddr_in serv_addr;
  const char *hello = "Hello from client";

  // 创建套接字
  sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  if (sock < 0) {
    std::cerr << "Socket creation error" << std::endl;
    return -1;
  }

  serv_addr.sin_family = AF_INET;
  serv_addr.sin_port = htons(PORT);

  // 将 IPv4 和 IPv6 地址从文本转换为二进制
  if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
    std::cerr << "Invalid address/ Address not supported" << std::endl;
    return -1;
  }

  // 连接到服务器
  if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
    std::cerr << "Connection Failed" << std::endl;
    return -1;
  }

  // 发送数据
  send(sock, hello, strlen(hello), 0);
  std::cout << "Message sent" << std::endl;

  // 关闭套接字
  close(sock);
  return 0;
}

编译和运行步骤

编译和运行客户端套接字程序的步骤如下:

编译服务器和客户端代码文件:

g++ -o server server.cpp
g++ -o client client.cpp

运行服务器:

./server

运行客户端(在另一个终端):

./client

最佳实践

错误处理:务必检查套接字函数的返回值，以便正确处理错误。
阻塞与非阻塞模式相比:默认情况下，套接字以阻塞模式运行。因此，请考虑使用非阻塞套接字或多路复用(例如 select 或 poll)来处理多个连接。
跨平台问题:此示例适用于 Unix/Linux。对于 Windows，您需要包含 <winsock2.h>并使用 WSAStartup() 初始化 Winsock。

实际应用

套接字在实际用途和工具等方面有各种各样的应用，这里仅列举其中几种。

以下示例演示了如何在不同的应用中使用套接字:

回显服务器:一个用于回显收到消息的简单服务器。
聊天应用程序:一个允许多个客户端聊天的多线程服务器。
FTP 客户端/服务器:一个用于通过网络传输文件的简单实现。
Web 服务器:套接字处理 HTTP 请求和响应，以提供 Web 内容。
在线多人游戏:套接字支持玩家和游戏服务器之间的实时通信。
远程访问工具:套接字为服务器的远程管理提供安全连接。
VoIP 应用:套接字实时传输音频和视频数据以进行通信。
流媒体服务:套接字向用户提供连续的音频和视频内容。
物联网设备:套接字促进智能设备与服务器之间的通信。
实时协作工具:套接字允许用户之间即时共享编辑和消息。
数据同步服务:套接字管理设备和服务器之间的文件上传和下载。
天气监测系统:套接字将实时天气数据发送到中央服务器进行分析。
支付处理系统:套接字在客户端和银行。
聊天机器人:Sockets 可在对话界面中实现即时消息传递和响应。

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4. accept()

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C++ 客户端套接字(连接到服务器)

1. connect()

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2. send()

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3. recv()

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