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一、概述与基础概念
1.1 套接字#xff08;Socket#xff09;概念
1.2 底层原理与网络协议
1.2.1 网络协议
1.2.2 套接字工作原理
二、C套接字编程核心技术
2.1 套接字编程的基本步骤
2.2 套接字编程详细实现
2.2.1 创建套接字
2.2.2 绑定地址
2.2.3 监听和接…目录
一、概述与基础概念
1.1 套接字Socket概念
1.2 底层原理与网络协议
1.2.1 网络协议
1.2.2 套接字工作原理
二、C套接字编程核心技术
2.1 套接字编程的基本步骤
2.2 套接字编程详细实现
2.2.1 创建套接字
2.2.2 绑定地址
2.2.3 监听和接受连接服务端
2.2.4 客户端连接
2.2.5 发送和接收数据
2.2.6 关闭套接字
2.3 经典实例TCP客户端和服务器
2.3.1 TCP服务器
2.3.2 TCP客户端
运行结果
三、深入理解与高级应用
3.1 异步I/O与事件驱动编程
3.2 高效并发编程
3.3 使用Boost.Asio进行异步编程
完整代码示例使用Boost.Asio进行异步TCP服务器
BoostServer.cpp
四、核心技术及高级话题
4.1 同步I/O与异步I/O的选择
4.2 多线程与事件驱动模型
4.3 高效网络编程的关键技术
4.4 使用C11/14/17/20新特性优化网络编程
五、实例高效异步HTTP服务器
5.1 异步HTTP服务器
运行结果
六、拓展思考
1、套接字Socket是什么它包括哪些核心内容
套接字的定义
套接字的核心内容
1. 套接字类型
2. 地址族
3. 套接字的基本操作
套接字的高级内容
2、套接字 socket是基于哪个网络协议的是TCP还是Http?
总结 网络编程是现代软件开发的重要领域广泛应用于客户端-服务器应用、分布式系统和互联网应用开发中。C作为一门强大且高效的编程语言在进行低层次、高性能网络编程时有显著优势。本文将深入剖析C网络编程中的套接字Socket开发技术详细讲解其概念、底层原理、网络协议知识、本质及需要掌握的核心点、实现方式等同时结合经典实例进行解析。
一、概述与基础概念
1.1 套接字Socket概念
概念套接字Socket是网络编程中用于描述网络连接的端点是操作系统提供的用于网络通信的基础抽象。它可以看作是网络中的“文件”通过对套接字的操作实现数据的发送和接收。
核心点
类型主要包括流套接字SOCK_STREAM和数据报套接字SOCK_DGRAM分别对应TCP和UDP协议。地址由IP地址和端口号组成用于标识网络中的设备和应用。
1.2 底层原理与网络协议
1.2.1 网络协议
IP地址标识网络中的主机分为IPv4如192.168.1.1和IPv6如2001:db8::1地址。
端口号标识主机上的应用程序范围为0到65535。常见的端口号如HTTP的80端口、HTTPS的443端口等。
TCP/IP协议族互联网的基础协议族包含传输层的TCP和UDP、网络层的IP等。
TCP传输控制协议提供可靠的字节流服务包括连接建立、数据传输、连接终止等过程。TCP通过三次握手建立连接四次挥手终止连接。UDP用户数据报协议提供不可靠的消息传递服务数据报可能无序到达或丢失。UDP适用于实时性要求较高的应用如视频传输、在线游戏等。
1.2.2 套接字工作原理
套接字是一种抽象层使得应用程序能够通过操作系统提供的API进行网络通信。它包含以下基本操作
创建通过系统调用创建套接字。绑定将套接字绑定到特定的IP地址和端口。监听在服务端套接字监听来自客户端的连接请求。连接在客户端套接字连接到服务端的指定地址和端口。发送/接收通过套接字发送和接收数据。关闭关闭套接字释放系统资源。
二、C套接字编程核心技术
2.1 套接字编程的基本步骤
创建套接字绑定地址监听服务端接受连接服务端连接客户端发送和接收数据关闭套接字
2.2 套接字编程详细实现
2.2.1 创建套接字
int sockfd socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd 0) {perror(socket creation failed);exit(EXIT_FAILURE);
}解析
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)创建一个TCP套接字。AF_INET表示使用IPv4SOCK_STREAM表示使用TCP协议。返回值成功时返回套接字文件描述符失败时返回-1。
2.2.2 绑定地址
struct sockaddr_in server_addr;
memset(server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr INADDR_ANY;
server_addr.sin_port htons(PORT);if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)server_addr, sizeof(server_addr)) 0) {perror(bind failed);close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);
}解析
struct sockaddr_in定义IP地址和端口sin_family设为AF_INETsin_addr.s_addr设为INADDR_ANY表示接受任何IP地址sin_port设为端口通过htons函数转换为网络字节序。bind将地址绑定到套接字。
2.2.3 监听和接受连接服务端
if (listen(sockfd, 5) 0) {perror(listen failed);close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);
}struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len sizeof(client_addr);
int newsockfd accept(sockfd, (struct sockaddr*)client_addr, client_len);
if (newsockfd 0) {perror(accept failed);close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);
}解析
listen将套接字置于监听模式准备接受连接。第二个参数为连接队列的最大长度。accept接受客户端连接返回新的套接字用于通信。client_addr保存客户端地址信息。
2.2.4 客户端连接
struct sockaddr_in server_addr;
memset(server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family AF_INET;
server_addr.sin_port htons(PORT);
if (inet_pton(AF_INET, 127.0.0.1, server_addr.sin_addr) 0) {perror(invalid address);exit(EXIT_FAILURE);
}if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)server_addr, sizeof(server_addr)) 0) {perror(connect failed);close(sockfd);exit(EXIT_FAILURE);
}解析
inet_pton将字符串形式的IP地址转换为struct in_addr。connect将套接字连接到指定的服务器地址和端口。
2.2.5 发送和接收数据
const char* message Hello, Server!;
send(sockfd, message, strlen(message), 0);char buffer[1024];
int n recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
buffer[n] \0;
printf(Received: %s\n, buffer);解析
send发送数据第四个参数为标志位通常为0。recv接收数据返回接收的字节数。
2.2.6 关闭套接字
close(sockfd);2.3 经典实例TCP客户端和服务器
2.3.1 TCP服务器
#include iostream
#include cstring
#include sys/socket.h
#include netinet/in.h
#include unistd.h#define PORT 8080int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int opt 1;int addrlen sizeof(address);char buffer[1024] {0};const char* hello Hello from server;// 创建套接字if ((server_fd socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) 0) {perror(socket failed);exit(EXIT_FAILURE);}// 强制绑定端口if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, opt, sizeof(opt))) {perror(setsockopt);close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 绑定地址address.sin_family AF_INET;address.sin_addr.s_addr INADDR_ANY;address.sin_port htons(PORT);if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)address, sizeof(address)) 0) {perror(bind failed);close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 监听连接if (listen(server_fd, 3) 0) {perror(listen);close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 接受客户端连接if ((new_socket accept(server_fd, (struct sockaddr*)address, (socklen_t*)addrlen)) 0) {perror(accept);close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 读取客户端数据int valread read(new_socket, buffer, 1024);printf(%s\n, buffer);// 发送数据到客户端send(new_socket, hello, strlen(hello), 0);printf(Hello message sent\n);// 关闭套接字close(new_socket);close(server_fd);return 0;
}解析
创建套接字socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)绑定地址bind监听连接listen接受连接accept读取数据read发送数据send关闭套接字close
2.3.2 TCP客户端
#include iostream
#include cstring
#include sys/socket.h
#include arpa/inet.h
#include unistd.h#define PORT 8080int main() {int sock 0, valread;struct sockaddr_in serv_addr;const char* hello Hello from client;char buffer[1024] {0};// 创建套接字if ((sock socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) 0) {perror(Socket creation error);return -1;}serv_addr.sin_family AF_INET;serv_addr.sin_port htons(PORT);// 将IP地址转换成二进制形式if (inet_pton(AF_INET, 127.0.0.1, serv_addr.sin_addr) 0) {perror(Invalid address/ Address not supported);return -1;}// 连接服务器if (connect(sock, (struct sockaddr*)serv_addr, sizeof(serv_addr)) 0) {perror(Connection Failed);return -1;}// 发送数据到服务器send(sock, hello, strlen(hello), 0);printf(Hello message sent\n);// 读取服务器响应valread read(sock, buffer, 1024);printf(%s\n, buffer);// 关闭套接字close(sock);return 0;
}解析
创建套接字socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)连接服务器connect发送数据send读取数据read关闭套接字close
运行结果 启动服务器 ./server输出 Hello from client
Hello message sent启动客户端 ./client输出 Hello message sent
Hello from server三、深入理解与高级应用
3.1 异步I/O与事件驱动编程
异步I/O允许程序在等待I/O操作完成时继续执行其他任务提高程序的并发性能。实现方式包括
多线程每个I/O操作分配一个线程处理。事件驱动使用事件循环处理I/O事件例如select、poll、epoll等。
3.2 高效并发编程
多线程网络编程
线程同步避免多个线程同时访问共享资源使用互斥锁、条件变量等。线程池复用线程减少线程创建和销毁的开销提高性能。
实例使用线程池处理多个客户端连接。
#include iostream
#include thread
#include vector
#include mutex
#include condition_variable
#include queue
#include sys/socket.h
#include netinet/in.h
#include unistd.h#define PORT 8080std::mutex mtx; // 互斥锁用于保护共享资源
std::condition_variable cv; // 条件变量用于线程间同步
std::queueint clients; // 用于存储待处理的客户端套接字// 处理客户端连接的函数
void handle_client(int client_sock) {char buffer[1024];int n recv(client_sock, buffer, sizeof(buffer), 0); // 接收客户端消息if (n 0) {buffer[n] \0; // 添加字符串终止符std::cout Received: buffer std::endl;const char* response Message received;send(client_sock, response, strlen(response), 0); // 发送响应给客户端}close(client_sock); // 关闭客户端连接
}// 工作线程函数用于处理客户端连接
void worker() {while (true) {int client_sock;{std::unique_lockstd::mutex lock(mtx); // 获取锁cv.wait(lock, [] { return !clients.empty(); }); // 等待条件变量通知client_sock clients.front(); // 从队列中取出客户端套接字clients.pop(); // 移除队列中的套接字}handle_client(client_sock); // 处理客户端连接}
}int main() {int server_sock socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建TCP套接字if (server_sock 0) {perror(socket creation failed);exit(EXIT_FAILURE);}struct sockaddr_in server_addr;memset(server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family AF_INET; // 使用IPv4server_addr.sin_addr.s_addr INADDR_ANY; // 绑定所有可用的网络接口server_addr.sin_port htons(PORT); // 绑定端口if (bind(server_sock, (struct sockaddr*)server_addr, sizeof(server_addr)) 0) {perror(bind failed);close(server_sock);exit(EXIT_FAILURE);}if (listen(server_sock, 5) 0) { // 设置监听队列的最大长度为5perror(listen failed);close(server_sock);exit(EXIT_FAILURE);}// 创建多个工作线程std::vectorstd::thread workers;for (int i 0; i 4; i) {workers.emplace_back(worker); // 启动工作线程}while (true) {struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_len sizeof(client_addr);int client_sock accept(server_sock, (struct sockaddr*)client_addr, client_len); // 接受客户端连接if (client_sock 0) {perror(accept failed);continue;}{std::lock_guardstd::mutex lock(mtx); // 获取锁clients.push(client_sock); // 将客户端套接字添加到队列中}cv.notify_one(); // 通知一个工作线程}for (auto t : workers) {t.join(); // 等待所有工作线程结束}close(server_sock); // 关闭服务器套接字return 0;
}3.3 使用Boost.Asio进行异步编程
Boost.Asio 是一个强大且灵活的库提供了跨平台的异步I/O操作支持多平台。我们继续讨论如何使用Boost.Asio实现一个高效的异步TCP服务器。
完整代码示例使用Boost.Asio进行异步TCP服务器
BoostServer.cpp
#include boost/asio.hpp
#include iostream
#include memory
#include utilityusing boost::asio::ip::tcp;// 会话类用于管理单个客户端连接
class Session : public std::enable_shared_from_thisSession {
public:explicit Session(tcp::socket socket): socket_(std::move(socket)) {}// 开始会话void start() {do_read(); // 开始读取数据}private:// 异步读取数据void do_read() {auto self(shared_from_this());socket_.async_read_some(boost::asio::buffer(data_, max_length),[this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t length) {if (!ec) {std::cout Received: data_ std::endl;do_write(length); // 读取完成后写入数据}});}// 异步写入数据void do_write(std::size_t length) {auto self(shared_from_this());boost::asio::async_write(socket_, boost::asio::buffer(data_, length),[this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t /*length*/) {if (!ec) {do_read(); // 写入完成后继续读取数据}});}tcp::socket socket_; // 套接字enum { max_length 1024 };char data_[max_length]; // 数据缓冲区
};// 服务器类用于管理客户端连接
class Server {
public:Server(boost::asio::io_context io_context, short port): acceptor_(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), port)) {do_accept(); // 开始接受连接}private:// 异步接受连接void do_accept() {acceptor_.async_accept([this](boost::system::error_code ec, tcp::socket socket) {if (!ec) {std::make_sharedSession(std::move(socket))-start();}do_accept(); // 继续接受下一次连接});}tcp::acceptor acceptor_; // 接受器用于监听连接
};int main(int argc, char* argv[]) {try {if (argc ! 2) {std::cerr Usage: BoostServer port\n;return 1;}boost::asio::io_context io_context; // IO上下文Server s(io_context, std::atoi(argv[1])); // 创建服务器io_context.run(); // 运行IO上下文} catch (std::exception e) {std::cerr Exception: e.what() \n;}return 0;
}解析
Session类管理单个客户端连接。 do_read异步读取数据使用async_read_some方法。do_write异步写入数据使用async_write方法。Server类管理所有客户端连接。 do_accept异步接受新的连接使用async_accept方法。main函数创建io_context和Server实例调用io_context.run()运行事件循环。
四、核心技术及高级话题
4.1 同步I/O与异步I/O的选择
同步I/O
简单直接易于编程和调试。适合处理少量并发连接。
异步I/O
提高并发性能适合高并发场景。编程复杂度较高需要处理回调、状态管理等。
4.2 多线程与事件驱动模型
多线程模型
每个连接分配一个线程处理。线程同步开销大线程数量有限制。
事件驱动模型
使用事件循环处理I/O事件。无需大量线程仅需少量线程处理所有连接。
4.3 高效网络编程的关键技术
I/O复用如select、poll、epoll实现单线程高效处理多个连接。零拷贝减少内存拷贝提高数据传输效率。内存池复用内存减少内存分配和释放开销。负载均衡分配连接到不同服务器均衡负载提高系统吞吐量。
4.4 使用C11/14/17/20新特性优化网络编程
智能指针如std::shared_ptr、std::unique_ptr管理动态内存避免内存泄漏。lambda表达式简化回调函数编写。std::thread标准多线程库简化线程创建和管理。std::async异步任务执行简化异步编程。
五、实例高效异步HTTP服务器
5.1 异步HTTP服务器
使用Boost.Asio实现一个高效的异步HTTP服务器
#include boost/asio.hpp
#include iostream
#include memory
#include utilityusing boost::asio::ip::tcp;class HttpSession : public std::enable_shared_from_thisHttpSession {
public:explicit HttpSession(tcp::socket socket): socket_(std::move(socket)) {}void start() {do_read();}private:void do_read() {auto self(shared_from_this());socket_.async_read_some(boost::asio::buffer(buffer_),[this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t length) {if (!ec) {handle_request(length);}});}void handle_request(std::size_t length) {std::string data(buffer_.data(), length);std::cout Request: data std::endl;std::string response HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: 13\r\n\r\nHello, world!;auto self(shared_from_this());boost::asio::async_write(socket_, boost::asio::buffer(response),[this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t /*length*/) {if (!ec) {socket_.shutdown(tcp::socket::shutdown_both, ec);}});}tcp::socket socket_;std::arraychar, 8192 buffer_;
};class HttpServer {
public:HttpServer(boost::asio::io_context io_context, short port): acceptor_(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), port)) {do_accept();}private:void do_accept() {acceptor_.async_accept([this](boost::system::error_code ec, tcp::socket socket) {if (!ec) {std::make_sharedHttpSession(std::move(socket))-start();}do_accept();});}tcp::acceptor acceptor_;
};int main(int argc, char* argv[]) {try {if (argc ! 2) {std::cerr Usage: HttpServer port\n;return 1;}boost::asio::io_context io_context;HttpServer server(io_context, std::atoi(argv[1]));io_context.run();} catch (std::exception e) {std::cerr Exception: e.what() \n;}return 0;
}解析
HttpSession类管理单个HTTP会话。 do_read异步读取HTTP请求。handle_request处理HTTP请求生成响应。do_write异步发送HTTP响应。HttpServer类管理所有HTTP会话。 do_accept异步接受新的HTTP连接。main函数创建io_context和HttpServer实例调用io_context.run()运行事件循环。
运行结果 启动HTTP服务器 ./HttpServer 8080使用浏览器或curl访问服务器 curl http://localhost:8080 输出
Hello, world!六、拓展思考
1、套接字Socket是什么它包括哪些核心内容
套接字Socket是计算机网络编程中一个重要的概念它提供了一种通信的抽象使得程序可以通过网络进行数据传输。套接字在应用层和传输层之间起到了桥梁作用使得不同主机上的应用程序能够进行通信。换句话说套接字是网络通信的端点负责处理网络协议栈中的底层细节。
套接字的定义
套接字是一个网络编程接口允许程序发送和接收数据通过IP地址和端口号唯一标识网络中的通信端点。套接字可以基于多种传输协议进行操作最常见的有TCP传输控制协议和UDP用户数据报协议。
套接字的核心内容
套接字编程涉及多个核心概念和操作步骤下面详细介绍这些内容
1. 套接字类型
SOCK_STREAM使用TCP协议提供可靠的面向连接的通信。SOCK_DGRAM使用UDP协议提供不可靠的无连接的通信。SOCK_RAW使用原始套接字允许直接访问底层协议如IP协议通常用于网络测试和低层次的网络编程。
2. 地址族
AF_INETIPv4地址族。AF_INET6IPv6地址族。AF_UNIX本地通信的Unix套接字。
3. 套接字的基本操作
创建套接字使用socket()系统调用创建一个套接字。绑定地址使用bind()将套接字绑定到本地地址和端口。监听仅用于TCP服务器使用listen()将套接字置于监听模式等待客户端连接。接受连接仅用于TCP服务器使用accept()接受客户端连接返回新的套接字用于通信。连接仅用于TCP客户端使用connect()将套接字连接到服务器地址。发送数据使用send()或sendto()发送数据。接收数据使用recv()或recvfrom()接收数据。关闭套接字使用close()关闭套接字释放资源。
套接字的高级内容
非阻塞模式套接字可以设置为非阻塞模式使得I/O操作不会阻塞程序执行。多线程/多进程使用多线程或多进程处理多个客户端连接提高并发性能。异步I/O使用异步I/O操作如select、poll、epoll或Boost.Asio实现高效的事件驱动编程。安全套接字使用SSL/TLS加密通信确保数据传输的安全性。
概括总结 套接字Socket是网络编程中关键的抽象和接口提供了通过网络进行数据传输的基本功能。理解和掌握套接字的核心内容和操作步骤是进行网络编程的基础。通过深入学习和实践开发者可以灵活地使用套接字进行各种网络应用的开发从简单的客户端-服务器通信到复杂的分布式系统。 2、套接字 socket是基于哪个网络协议的是TCP还是Http? 套接字Socket是一种网络编程的抽象提供了一种通用的接口使得程序能够灵活地使用不同的网络协议进行通信。套接字并不局限于某一种协议可以基于TCPSOCK_STREAM或UDPSOCK_DGRAM等多种协议进行操作。HTTP协议是一种应用层协议通常运行在TCP套接字之上。通过掌握套接字编程可以实现各种网络应用从简单的客户端-服务器通信到复杂的分布式系统。 总结 本文深入探讨了C网络编程中的套接字Socket开发技术详细讲解了其概念、底层原理、网络协议知识、本质及需要掌握的核心点并通过经典实例进行解析。我们介绍了同步与异步I/O、多线程与事件驱动模型、高效网络编程的关键技术最后详细展示了如何使用Boost.Asio实现一个高效的异步HTTP服务器。通过这些技术和示例代码高级C开发者可以深入理解和掌握网络编程的关键技术为开发高效、可扩展的网络应用打下坚实的基础。希望这些代码和注释能够帮助你更好地理解和应用C网络编程。
