Socket 编程接口详细介绍

Socket（套接字）是操作系统提供的标准网络编程 API，封装 TCP/IP 协议栈，实现跨主机 / 跨进程通信，遵循 “一切皆文件” 思想，以文件描述符（sockfd）操作。下面从核心概念、完整 API、TCP/UDP 流程、错误处理、示例全维度详解。

一、Socket 核心基础

1.1 核心三要素（唯一标识通信端点）

• 地址族（domain/AF_xxx）：指定网络类型
  • AF_INET：IPv4（最常用）
  • AF_INET6：IPv6
  • AF_UNIX/AF_LOCAL：本地进程通信（Unix 域）
• 套接字类型（type/SOCK_xxx）：指定传输语义
  • SOCK_STREAM：TCP，面向连接、可靠、字节流、有序无重复
  • SOCK_DGRAM：UDP，无连接、不可靠、数据报、无序
  • SOCK_RAW：原始套接字，直接操作 IP/ICMP 等网络层
• 协议（protocol）：通常填0（自动匹配默认：TCP 对应 IPPROTO_TCP，UDP 对应 IPPROTO_UDP）

1.2 地址结构体（通用 / IPv4）

// 通用地址（所有socket函数参数要求） struct sockaddr { sa_family_t sa_family; // 地址族 AF_xxx char sa_data[14]; // 地址数据（IP+端口） }; // IPv4专用（实际使用，强制转换为struct sockaddr*） struct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; // AF_INET in_port_t sin_port; // 端口号（必须网络字节序，htons()） struct in_addr sin_addr;// IP地址（htonl()） char sin_zero[8]; // 填充，全0 }; // 常用宏：INADDR_ANY（绑定所有网卡IP，0.0.0.0）

1.3 字节序转换（必须）

主机字节序（小端）↔网络字节序（大端）：

• htons()：主机短整型→网络短整型（端口）
• htonl()：主机长整型→网络长整型（IP）
• ntohs()、ntohl()：反向转换

二、核心 Socket API（函数原型 + 参数 + 返回值 + 用法）

下面介绍程序中用到的socket API,这些函数都在sys/socket.h中。

#include <sys/types.h> #include <sys/socket.h>

2.1 socket () —— 创建套接字（入口）

int socket(int domain, int type, int protocol);

• 参数：对于IPv4, family参数指定为AF_INET;
  对于TCP协议,type参数指定为SOCK_STREAM, 表示面向流的传输协议;对于UDP协议，type参数指定为SOCK_DGRAM,表示面向数据报的传输协议； protocol参数的介绍从略,指定为0即可。
• 返回：成功→非负整数sockfd（文件描述符）；失败→-1，设置errno
• 作用：socket()打开一个网络通讯端口,如果成功的话,就像open()一样返回一个文件描述符;
  应用程序可以像读写文件一样用read/write在网络上收发数据;

2.2 bind () —— 绑定 IP + 端口（服务端必须）

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的,客户端程序得知服务器程序的地址和端
口号后就可以向服务器发起连接; 服务器需要调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号;

• 参数：sockfd（socket 返回值）、addr（sockaddr_in，填 IP + 端口）、addrlen（sizeof (struct sockaddr_in)）
• 返回：成功→0；失败→-1（常见错误：端口被占用 EADDRINUSE、权限不足 EACCES）
• 作用：bind()的作用是将参数sockfd和myaddr绑定在一起, 使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听myaddr所描述的地址和端口号;

struct sockaddr *是一个通用指针类型,myaddr参数实际上可以接受多种协议的sockaddr结构体,而它们的长度各不相同,所以需要第三个参数addrlen指定结构体的长度;

我们的程序中对myaddr参数是这样初始化的:

1. 将整个结构体清零;
2. 设置地址类型为AF_INET;
3. 网络地址为INADDR_ANY, 这个宏表示本地的任意IP地址,因为服务器可能有多个网卡,每个网也可能绑定多个IP 地址, 这样设置可以在所有的IP地址上监听,直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪个IP 地址;
4. 端口号为SERV_PORT, 我们定义为9999;

2.3 listen () —— TCP 服务端监听连接（仅 TCP）

int listen(int sockfd, int backlog);

• 参数：sockfd（已 bind 的监听 fd）、backlog（半连接 + 全连接队列总长度，受内核net.core.somaxconn限制，默认 128）
• 返回：成功→0；失败→-1
• 作用：将 socket 设为被动监听模式，等待客户端连接，内核维护连接队列

2.4 accept () —— TCP 服务端接受连接（仅 TCP）

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• 参数：sockfd（监听 fd）;addr是一个传出参数,accept()返回时传出客户端的地址和端口号;如果给addr 传 NULL,表示不关心客户端的地址; addrlen参数是一个传入传出参数(value-result argument), 传入的是调用者提供的缓冲区addr的长度以避免缓冲区溢出问题, 传出的是客户端地址结构体的实际长度(有可能没有占满调用者提供的缓冲区);
• 返回：成功→新的客户端 fd（专用于和该客户端通信）；失败→-1（阻塞时无连接挂起，非阻塞返回 EAGAIN）
• 作用：从全连接队列取一个连接，创建新通信套接字，三次握手完成后, 服务器调用accept()接受连接;如果服务器调用accept()时还没有客户端的连接请求,就阻塞等待直到有客户端连接上来;

2.5 connect () —— TCP 客户端发起连接（仅 TCP）

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 参数：sockfd（客户端 socket）、addr（服务端 IP + 端口）、addrlen（地址长度）
• 返回：成功→0；失败→-1（ECONNREFUSED：端口无监听、ETIMEDOUT：超时）
• 作用：触发 TCP三次握手，建立可靠连接，客户端需要调用connect()连接服务器;

connect和bind的参数形式一致, 区别在于bind的参数是自己的地址, 而connect的参数是对方的
地址;

2.6 send () /write () —— TCP 发送数据（已连接）

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags); ssize_t write(int sockfd, const void *buf, size_t len); // 等价send(flags=0)

• 参数：sockfd（已连接 fd）、buf（数据缓冲区）、len（发送长度）、flags（0 默认；MSG_OOB 带外数据；MSG_DONTWAIT 非阻塞）
• 返回：成功→实际发送字节数（可能 < len，需循环发送）；失败→-1
• 注意：TCP 是流，无边界，需自定义分包（先发长度再发数据）

2.7 recv () /read () —— TCP 接收数据（已连接）

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags); ssize_t read(int sockfd, void *buf, size_t len); // 等价recv(flags=0)

• 参数：sockfd、buf（接收缓冲区）、len（最大接收长度）、flags（0 默认；MSG_PEEK 偷看不清除；MSG_DONTWAIT 非阻塞）
• 返回：成功→接收字节数；0→对端关闭连接；失败→-1

2.8 sendto () —— UDP 发送（无连接，指定目标）

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

• 参数：比 send 多目标地址 dest_addr（服务端 IP + 端口）
• 返回：成功→发送字节数；失败→-1
• 特点：无需 connect，每次指定目标，数据报独立

2.9 recvfrom () —— UDP 接收（获取源地址）

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

• 参数：比 recv 多 src_addr（输出发送方 IP + 端口）、addrlen（长度）
• 返回：成功→接收字节数；失败→-1
• 特点：UDP 无连接，必须用此函数获取发送方地址

2.10 close () /closesocket () —— 关闭套接字

int close(int sockfd); // Linux/Unix int closesocket(SOCKET sockfd); // Windows（Winsock）

• 作用：释放文件描述符，关闭连接；TCP 会触发四次挥手；UDP 直接释放资源
• 注意：必须关闭，避免资源泄漏

2.11 setsockopt () /getsockopt () —— 设置 / 获取套接字选项

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

• 常用选项：
  • SO_REUSEADDR：允许端口重用（解决 TIME_WAIT 问题）
  • SO_RCVBUF/SO_SNDBUF：设置接收 / 发送缓冲区大小
  • SO_KEEPALIVE：开启 TCP 保活
  • TCP_NODELAY：禁用 Nagle 算法（降低延迟）

三、TCP vs UDP 完整调用流程

3.1 TCP 服务端流程（面向连接，可靠）

1. socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)→ 创建监听 fd
2. bind()→ 绑定 IP: 端口
3. listen(backlog)→ 开启监听
4. accept()→ 阻塞等待，获取客户端 fd
5. send()/recv()→ 与客户端收发数据
6. close(客户端fd)→ 关闭单个连接
7. close(监听fd)→ 停止服务

3.2 TCP 客户端流程

1. socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)→ 创建客户端 fd
2. connect(服务端IP:端口)→ 发起三次握手
3. send()/recv()→ 收发数据
4. close()→ 关闭连接

3.3 UDP 流程（无连接，不可靠，简化）

• 服务端：socket→bind→recvfrom（循环接收，获取源地址）→sendto（回复）→close
• 客户端：socket→sendto（指定服务端地址）→recvfrom（接收）→close
• 特点：无 listen/accept/connect，直接收发数据报

四、错误处理与常见 errno

所有 Socket 函数失败均返回 - 1，需用perror()或strerror(errno)打印错误：

• EADDRINUSE：端口已被占用
• ECONNREFUSED：连接被拒绝（服务端未监听）
• ETIMEDOUT：连接 / 接收超时
• EAGAIN/EWOULDBLOCK：非阻塞模式下无数据 / 无连接
• EPIPE：向已关闭的连接发送（需忽略 SIGPIPE 信号）

五、补充参考内容

地址转换函数

本节只介绍基于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
但是我们通常用点分十进制的字符串表示IP 地址,以下函数可以在字符串表示 和in_addr表示之间转换;
字符串转in_addr的函数:

in_addr转字符串的函数:

其中inet_pton和inet_ntop不仅可以转换IPv4的in_addr,还可以转换IPv6的in6_addr,因此函数接口是
void *addrptr。