IPC通信--socket

1.windows环境

在C++中，Windows环境下实现socket通信的客户端与服务端的流程如下：

  1. 创建套接字：使用socket()函数创建一个套接字。
  2. 绑定套接字：使用bind()函数将套接字与一个地址（IP和端口）绑定在一起。
  3. 监听连接：使用listen()函数让服务器开始监听客户端的连接请求。
  4. 主动连接：使用connect()函数建立与指定IP地址和端口号的服务器的连接
  5. 接受连接：使用accept()函数接受客户端的连接请求。
  6. 发送和接收数据：使用send()和recv()函数进行数据的发送和接收。
  7. 关闭套接字：使用closesocket()函数关闭套接字。
  8. select函数：是一个用于I/O多路复用的函数。它可以同时监控多个socket，当某个socket上有数据可读、可写或者出现异常时，select()函数会返回。这样可以避免阻塞等待某个socket上的事件，提高程序的效率。

 socket()函数 

用于创建套接字的函数

#include <winsock2.h>SOCKET socket(int af, int type, int protocol);

参数说明：

  • af：地址族（Address Family），表示所使用的协议族。常用的值有AF_INET（IPv4协议）和AF_INET6（IPv6协议）。
  • type：套接字类型，表示套接字的功能。常用的值有SOCK_STREAM（面向连接的流式套接字，如TCP）和SOCK_DGRAM（无连接的数据报套接字，如UDP）。
  • protocol：协议类型，通常设置为0，让系统自动选择合适的协议。

返回值：

  • 如果成功，返回一个套接字描述符（非负整数）。
  • 如果失败，返回INVALID_SOCKET（-1）。

可能遇到的问题：

  1. 在使用socket()函数之前，需要先调用WSAStartup()函数初始化Winsock库。
  2. 在使用完套接字后，需要调用closesocket()函数关闭套接字。
  3. 在使用socket()函数时，可能会遇到错误，可以通过调用WSAGetLastError()函数获取错误代码。

 bind()函数

用于将套接字与特定的IP地址和端口号绑定。具体定义如下： 

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数说明：

  • sockfd：套接字描述符，由socket()函数创建。
  • addr：指向struct sockaddr结构体的指针，包含了要绑定的IP地址和端口号信息。
  • addrlen：addr指针所指向的结构体的大小。

返回值：

  • 成功：返回0。
  • 失败：返回-1，并设置errno为相应的错误码。

可能遇到的问题：

  1. 如果传入的sockfd不是有效的套接字描述符，bind()函数将返回-1，并设置errno为EBADF（Bad file number）。
  2. 如果传入的addr指针为NULL，bind()函数将返回-1，并设置errno为EINVAL（Invalid argument）。
  3. 如果传入的addrlen小于实际结构体大小，bind()函数将返回-1，并设置errno为EINVAL（Invalid argument）。
  4. 如果传入的IP地址和端口号已经被其他套接字绑定，bind()函数将返回-1，并设置errno为EADDRINUSE（Address already in use）。
  5. 如果传入的IP地址不在本地主机上，bind()函数将返回-1，并设置errno为EADDRNOTAVAIL（Cannot assign requested address）。

 listen()函数

listen()函数用于监听来自客户端的连接请求。它是TCP服务器端套接字的一个函数，用于设置套接字为监听模式，以便接受客户端的连接请求。

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

参数：

  • sockfd：一个已绑定到本地地址（使用bind()函数）的服务端套接字描述符。
  • backlog：允许挂起的最大连接数。通常设置为5或更大的值。

返回值：

  • 成功：返回0。
  • 失败：返回-1，并设置errno。

可能遇到的问题：

  1. 如果sockfd不是一个有效的套接字描述符，listen()函数将返回-1，并设置errno为EBADF。
  2. 如果sockfd未绑定到一个本地地址，listen()函数将返回-1，并设置errno为EINVAL。
  3. 如果backlog小于0，listen()函数将返回-1，并设置errno为EINVAL。
  4. 如果系统资源不足，listen()函数将返回-1，并设置errno为EAGAIN或ENOMEM。

connect()函数

#include <winsock2.h>int connect(SOCKET         s,const struct sockaddr *name,int            namelen
);

参数说明：

  • s：一个有效的套接字描述符，由socket()函数创建。
  • name：指向一个sockaddr结构的指针，该结构包含了要连接的服务器的地址信息。
  • namelen：name参数指向的结构的大小（以字节为单位）。

返回值：

  • 如果成功，返回0；如果失败，返回SOCKET_ERROR。可以使用WSAGetLastError()函数获取错误代码。

可能遇到的问题：

  1. 网络不可用或无法访问目标服务器。
  2. 目标服务器未运行或未监听指定的端口。
  3. 连接超时或被拒绝。
  4. 本地计算机上的防火墙设置阻止了连接。
  5. 本地计算机上的网络配置问题。

accept()函数

accept()函数用于接受一个已连接的客户端请求。它是在服务器端使用的，用于从已完成连接队列中取出一个连接请求，并创建一个新的套接字与客户端进行通信。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>SOCKET accept(SOCKET   s,struct sockaddr *addr,int      *addrlen
);

参数说明：

  1. s：服务器端的套接字描述符，通常是通过socket()函数创建的。
  2. addr：指向一个sockaddr结构体的指针，用于存储客户端的地址信息。
  3. addrlen：指向一个整数的指针，表示addr缓冲区的大小。在调用accept()之前，需要将addrlen设置为addr缓冲区的大小；在调用accept()之后，addrlen将被设置为实际接收到的客户端地址信息的长度。

返回值：

  • 如果成功，accept()函数返回一个新的套接字描述符，用于与客户端进行通信。
  • 如果失败，返回INVALID_SOCKET（通常为-1）。

可能遇到的问题：

  1. 如果在调用accept()之前没有调用bind()和listen()函数，将无法接受客户端的连接请求。
  2. 如果客户端连接请求的数量超过了系统允许的最大值，accept()函数可能会阻塞，直到有可用的连接请求为止。
  3. 如果客户端连接请求被拒绝，accept()函数将返回错误代码。

 select()函数

#include <sys/select.h>
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

参数说明：

  • nfds：需要监控的文件描述符的最大值加1。
  • readfds：需要监控可读事件的socket文件描述符集合。
  • writefds：需要监控可写事件的socket文件描述符集合。
  • exceptfds：需要监控异常事件的socket文件描述符集合。
  • timeout：select()函数的超时时间，如果设置为NULL，则表示永远等待。

返回值：

  • 成功：返回就绪的文件描述符个数。
  • 超时：返回0。
  • 出错：返回-1。

可能遇到的问题：

  1. 每次调用select()函数时，都需要重新设置文件描述符集合，这可能会导致效率较低。
  2. select()函数只能处理最多1024个文件描述符，如果需要处理更多的文件描述符，可以使用poll()函数。
  3. select()函数在Windows环境下不可用，可以使用WSAEventSelect()函数替代。

示例

#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <windows.h>#pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")int main() {WSADATA wsaData;WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);SOCKET listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);sockaddr_in serverAddr;serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);serverAddr.sin_port = htons(8888);bind(listenSocket, (SOCKADDR*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));listen(listenSocket, 5);fd_set readfds;FD_ZERO(&readfds);FD_SET(listenSocket, &readfds);while (1) {struct timeval timeout;timeout.tv_sec = 5;timeout.tv_usec = 0;int ret = select(0, &readfds, NULL, NULL, &timeout);if (ret == SOCKET_ERROR) {printf("select error: %d", WSAGetLastError());break;} else if (ret == 0) {printf("select timeout");continue;}for (int i = 0; i < listenSocket + 1; i++) {if (FD_ISSET(i, &readfds)) {if (i == listenSocket) {sockaddr_in clientAddr;int clientAddrLen = sizeof(clientAddr);SOCKET clientSocket = accept(listenSocket, (SOCKADDR*)&clientAddr, &clientAddrLen);FD_SET(clientSocket, &readfds);printf("new connection: %d", clientSocket);} else {char buffer[1024];int recvLen = recv(i, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (recvLen <= 0) {closesocket(i);FD_CLR(i, &readfds);printf("connection closed: %d", i);} else {buffer[recvLen] = '\0';printf("received from %d: %s", i, buffer);}}}}}closesocket(listenSocket);WSACleanup();return 0;
}

send()函数

send()函数用于发送数据

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

参数说明：

  • sockfd：表示要发送数据的套接字描述符。
  • buf：指向要发送数据的缓冲区。
  • len：要发送数据的长度。
  • flags：可选参数，用于设置发送数据的行为，如阻塞或非阻塞等。常用的标志有：MSG_DONTROUTE（不查找路由表）、MSG_OOB（发送带外数据）等。

返回值：

  • 成功时，返回实际发送的字节数。
  • 失败时，返回-1，并设置errno为相应的错误码。

可能遇到的问题：

  1. 发送缓冲区满：当发送缓冲区满时，send()函数会阻塞，直到有足够的空间可用。可以通过设置socket选项SO_SNDBUF来调整发送缓冲区的大小。
  2. 网络中断：当网络连接中断时，send()函数可能会返回-1，并设置errno为EINTR。此时，可以尝试重新发送数据。
  3. 地址不可达：当目标地址不可达时，send()函数会返回-1，并设置errno为EHOSTUNREACH。需要检查目标地址是否正确。
  4. 超时：当发送操作超时时，send()函数会返回-1，并设置errno为EAGAIN或EWOULDBLOCK。可以通过设置socket选项SO_SNDTIMEO来设置发送超时时间。

recv()函数

用于接收从指定的socket发送过来的数据

#include <winsock2.h>int recv( SOCKET s, char *buf,  int len,  int flags);

参数说明：

  • s：指定要接收数据的socket。
  • buf：指向接收到的数据的缓冲区。
  • len：指定要接收的最大字节数。
  • flags：通常设置为0，表示使用默认操作。

返回值：

  • 如果成功，返回接收到的字节数；
  • 如果失败，返回SOCKET_ERROR，可以通过调用WSAGetLastError()函数获取错误代码。

可能遇到的问题：

  1. 网络连接断开或对方关闭连接，recv()函数会返回0，表示连接已关闭。
  2. 阻塞模式下，如果没有数据可接收，recv()函数会一直等待，直到有数据到达或发生错误。
  3. 非阻塞模式下，如果没有数据可接收，recv()函数会立即返回SOCKET_ERROR，错误代码为WSAEWOULDBLOCK。
  4. 缓冲区大小不足以容纳接收到的数据，recv()函数会截断数据并返回实际接收到的字节数。
  5. 网络延迟或丢包可能导致数据接收不完整或顺序错乱。

代码示例

服务端

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // Winsock Library#define BUF_SIZE 100
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 1234
int main() {WSADATA wsaData;SOCKET hServSock, hClntSock;char buffer[BUF_SIZE];int strLen;SOCKADDR_IN servAddr, clntAddr;int clntAddrSize;// 初始化Winsockif (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {std::cerr << "WSAStartup failed.\n";return -1;}// 创建套接字hServSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (hServSock == INVALID_SOCKET) {std::cerr << "Socket creation failed.\n";return -1;}// 绑定套接字memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));servAddr.sin_family = AF_INET;servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);servAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);if (bind(hServSock, (SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "Bind failed.\n";return -1;}// 监听套接字if (listen(hServSock, 5) == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "Listen failed.\n";return -1;}// 接受客户端的连接请求clntAddrSize = sizeof(clntAddr);hClntSock = accept(hServSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &clntAddrSize);if (hClntSock == INVALID_SOCKET) {std::cerr << "Accept failed.\n";return -1;}// 接收并打印数据while ((strLen = recv(hClntSock, buffer, BUF_SIZE, 0)) != 0) {buffer[strLen] = '\0';std::cout << "Received: " << buffer << std::endl;}// 关闭套接字closesocket(hClntSock);closesocket(hServSock);WSACleanup();return 0;
}

客户端

 

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // Winsock Library#define BUF_SIZE 100
#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 1234
int main() {WSADATA wsaData;SOCKET hSocket;char buffer[BUF_SIZE];int strLen;SOCKADDR_IN servAddr;// 初始化Winsockif (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {std::cerr << "WSAStartup failed.\n";return -1;}// 创建套接字hSocket = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (hSocket == INVALID_SOCKET) {std::cerr << "Socket creation failed.\n";return -1;}// 设置服务器地址结构体memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));servAddr.sin_family = AF_INET;servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);servAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);// 连接到服务器if (connect(hSocket, (SOCKADDR*)&servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "Connect failed.\n";return -1;}// 发送数据while (true) {std::cin >> buffer;send(hSocket, buffer, strlen(buffer), 0);}// 关闭套接字closesocket(hSocket);WSACleanup();return 0;
}

编译

g++ server.cpp -o server -lws2_32

g++ client.cpp -o client -lws2_32

2.Linux环境

 在C语言的Linux环境下，实现socket通信以实现进程间通信，可以分为以下几个步骤：

  1. 创建socket
  2. 绑定地址和端口
  3. 监听连接
  4. 发送和接收数据

 创建socket

 需要包含头文件<sys/types.h>、<sys/socket.h>和<netinet/in.h>。然后，使用socket()函数创建一个socket

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>int main() {int server_sockfd;server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
}

 绑定地址和端口

使用bind()函数将socket与指定的地址和端口绑定

#include <arpa/inet.h>struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8888);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

监听连接/主动连接

使用listen()函数开始监听客户端的连接请求

listen(server_sockfd, 5);

使用connect()函数用于建立与指定IP地址和端口号的服务器之间的连接 

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数说明：

  • sockfd：套接字描述符，由socket()函数创建。
  • addr：指向目标服务器的地址结构体指针，通常使用struct sockaddr_in来表示IPv4地址。
  • addrlen：地址结构体的大小，对于struct sockaddr_in，其大小为sizeof(struct sockaddr_in)。

返回值：

  • 成功：返回0，表示连接已建立。
  • 失败：返回-1，表示连接失败，可以通过errno获取错误码。

发送和接收数据

服务端使用accept()函数接受客户端的连接请求，然后使用send()和recv()函数进行数据的发送和接收。

#include <unistd.h>struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
int client_sockfd = accept(server_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);char buffer[1024];
send(client_sockfd, "Hello, client!", strlen("Hello, client!"), 0);
recv(client_sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);

代码示例

服务端

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>int main() {// 创建socketint server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 定义sockaddr_in结构体struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(8888); // 端口号server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // IP地址// 绑定socketbind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));// 监听socketlisten(server_fd, 5);// 接受客户端连接struct sockaddr_in client_addr;socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);// 向客户端发送数据char msg[] = "Hello, client!";send(client_fd, msg, strlen(msg), 0);// 关闭socketclose(client_fd);close(server_fd);return 0;
}

客户端

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>int main() {// 创建socketint client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 定义sockaddr_in结构体struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(8888); // 端口号server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // IP地址// 连接服务器connect(client_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));// 接收服务器发送的数据char buffer[1024] = {0};recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0);printf("Received from server: %s\n", buffer);// 关闭socketclose(client_fd);return 0;
}

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