前言

内容来源：本文章为阅读《Linux高性能服务器编程》第五章.Linux网络编程基础API所记录的部分笔记。
摘要：这篇文章围绕 Linux 网络编程基础 API 展开，介绍了 socket 地址（字节序、通用 / 专用地址结构、IP 转换）、socket 创建 / 命名 / 监听 / 接受 / 发起连接的核心函数（socket/bind/listen/accept/connect）、连接关闭的两种方式（close/shutdown），以及 TCP（recv/send、带外数据）和 UDP（recvfrom/sendto）的数据读写接口。

1.socket地址API

1.1 主机字节序和网络字节序

一、字节序的核心概念

  1. 定义：多字节数据（如 32 位整数）在内存中的存储顺序，分为两种：
    • 大端字节序：高位字节存在内存低地址，低位字节存在高地址；
    • 小端字节序：高位字节存在内存高地址，低位字节存在低地址。
  2. 影响：不同字节序的主机直接传递数据，会导致接收端解析错误。

二、主机字节序与网络字节序

  1. 主机字节序：当前机器的字节序（现代 PC 大多是小端）；
  2. 网络字节序：网络传输的统一标准（强制为大端），解决不同主机字节序不兼容的问题。

三、字节序的适用场景

四、Linux 下的字节序转换函数
头文件：<netinet/in.h>
4 个核心函数（作用是主机字节序 ↔ 网络字节序）：

函数名 含义（host ↔ network） 处理数据类型 常用场景
htonl 长整型（32 位）主机→网络 unsigned long 转换 IP 地址
htons 短整型（16 位）主机→网络 unsigned short 转换端口号
ntohl 长整型（32 位）网络→主机 unsigned long 解析 IP 地址
ntohs 短整型（16 位）网络→主机 unsigned short 解析端口号

1.2 通用socket地址

一、基础 Socket 地址结构：struct sockaddr
image.png
定义与成员：
- 头文件：<bits/socket.h>；
- 成员：
- sa_family：地址族（与协议族对应，如AF_INET对应 IPv4）；
- sa_data[14]：存放 Socket 地址值，但仅 14 字节，空间不足。
二、协议族与地址族的关系

  1. 定义与特点：
    • 头文件：<bits/socket.h>；
    • 成员：
      • sa_family：地址族；
      • __ss_align：保证内存对齐；
      • __ss_padding：填充字段，总空间 128 字节（足够容纳所有协议族的地址）。
  2. 作用：提供足够大的空间存放任意协议族的地址，且内存对齐。

1.3 专用socket地址

一、专用 Socket 地址结构的设计原因
通用结构（sockaddr/sockaddr_storage）操作不便（比如设置 IP / 端口需要位操作），因此 Linux 为每个协议族设计了专用地址结构，字段更直观、易操作。
二、各协议族的专用地址结构

  1. UNIX 本地域协议族：struct sockaddr_un
    image.png
  1. TCP/IP 协议族：IPv4 专用struct sockaddr_in
    image.png
  1. TCP/IP 协议族：IPv6 专用struct sockaddr_in6
    image.png

1.4 IP地址转换函数

一、IP 地址转换的必要性
人们习惯用可读性字符串表示 IP（如 IPv4 的 “点分十进制”、IPv6 的 “十六进制”），但编程中需将其转为网络字节序的整数形式才能使用；记录日志时则需反向转换。
二、IPv4 专用转换函数（旧版）
image.png
头文件：<arpa/inet.h>，仅支持 IPv4：

函数名 功能 注意事项
inet_addr 点分十进制字符串 → 网络字节序整数 失败返回INADDR_NONE
inet_aton 点分十进制字符串 → 网络字节序整数（结果存入struct in_addr） 成功返回 1，失败返回 0；比inet_addr更安全（避免INADDR_NONE的歧义）
inet_ntoa 网络字节序整数 → 点分十进制字符串 内部用静态变量存储结果，不可重入（多次调用会覆盖之前的结果）

三、inet_ntoa的不可重入性
由于inet_ntoa用静态变量存结果，多次调用会导致前一次的结果被覆盖：
运行

// 示例：两次调用inet_ntoa，szValue1和szValue2会指向同一个静态内存
char* szValue1 = inet_ntoa("1.2.3.4");
char* szValue2 = inet_ntoa("10.194.71.60");
// 最终szValue1和szValue2都会输出"10.194.71.60"

四、通用转换函数（新版，支持 IPv4/IPv6）
头文件：<arpa/inet.h>，同时支持 IPv4 和 IPv6：
image.png

函数名 功能 参数说明
inet_pton 字符串 IP → 网络字节序整数 - af：地址族（AF_INET=IPv4，AF_INET6=IPv6）
- src：字符串 IP
- dst：存储结果的内存
inet_ntop 网络字节序整数 → 字符串 IP - af：地址族
- src：整数形式的 IP
- dst：存储字符串的缓冲区
- cnt：缓冲区大小（可用宏INET_ADDRSTRLEN（IPv4，16 字节）/INET6_ADDRSTRLEN（IPv6，46 字节））

关键结论

2.创建socket

一、socket()的核心定位
在 UNIX/Linux 中，套接字（socket）是一种文件描述符，遵循 “一切皆文件” 的设计：可以像操作文件一样对 socket 执行读、写、控制、关闭等操作。
二、socket()函数的定义与头文件
运行

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket( int domain, int type, int protocol );
  1. domain：协议族（底层协议类型）
    作用：指定 socket 使用的协议族，决定了地址结构的类型。
    常见取值：
  1. type：服务类型（套接字类型）
    作用：指定 socket 的通信类型，决定了传输层协议的特性。
    核心取值：
  1. protocol：具体协议
    作用：在前两个参数确定的协议集合中，选择具体协议。

3.命名socket

一、bind()的核心作用

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind( int sockfd, const struct sockaddr* my_addr, socklen_t addrlen );
//例如：ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
  1. EACCES：
    • 原因：绑定的地址是 “受保护地址”，普通用户无权限；
    • 典型场景：普通用户绑定0~1023的知名端口（如 80、443）。
  2. EADDRINUSE：
    • 原因：绑定的地址正在被使用；
    • 典型场景：地址处于TIME_WAIT状态（服务器刚关闭，端口未释放）。

4.监听socket

一、listen()的核心作用
socket被bind()命名后，需调用listen()将其转为被动监听状态，并创建监听队列来存放待处理的客户端连接 —— 只有调用listen()后，服务器才能通过accept()接收客户端连接。
二、listen()函数的定义与头文件

#include <sys/socket.h>
int listen( int sockfd, int backlog );
  1. 内核 2.2 之前：backlog是 “半连接（SYN_RCVD）+ 完全连接（ESTABLISHED）” 的总数上限；
  2. 内核 2.2 之后：backlog仅限制 “完全连接（ESTABLISHED）” 的数量；半连接的上限由内核参数/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog控制。

5.接受连接

一、accept()的核心逻辑
accept()是从监听队列中取出一个已完成三次握手的连接，返回一个新的连接 socket（用于和客户端通信），同时通过addr参数获取客户端的远端地址。
image.png
二、核心特性

时间阶段 服务器行为（应用层） 客户端行为（应用层） 内核行为（三次握手核心）
阶段 1：服务器准备 调用socket()创建监听 socket → bind()绑定地址 → listen()进入监听状态（LISTEN） 无 服务器内核初始化 “半连接队列”“完全连接队列”，等待客户端连接请求
阶段 2：客户端发起连接 服务器处于sleep(20)（应用层暂停，内核仍在工作） 调用telnet（本质是connect()） 1. 客户端内核发SYN 包给服务器 → 客户端进入SYN_SENT状态；

2. 服务器内核收到 SYN 包 → 发SYN+ACK 包给客户端 → 服务器该连接进入SYN_RCVD状态（加入半连接队列）；

3. 客户端内核收到 SYN+ACK 包 → 发ACK 包给服务器 → 客户端进入ESTABLISHED状态；

✅ 三次握手完成！
阶段 3：连接入队 服务器仍在sleep(20) 客户端可能断网 / 退出（应用层操作） 服务器内核将这个 “完成三次握手的连接” 从半连接队列移到完全连接队列 → 连接状态变为ESTABLISHED
阶段 4：服务器取连接 服务器sleep结束 → 调用accept() 客户端已断连 / 退出（应用层）

细节：三次握手的触发点

  1. 三次握手和accept()的关系

6.发起连接

客户端通过connect()主动向服务器发起 TCP 连接请求，是客户端建立网络通信的关键调用（对应服务器的listen()/accept()）。
image.png

sockfd在connect和accept区别

对比维度 connect中的sockfd（客户端） accept中的sockfd（服务器）
所属端 客户端的套接字 服务器的套接字
职责 代表 “客户端与服务器的这条连接”，用于和服务器通信 代表 “服务器与某一个客户端的这条连接”，用于和该客户端通信
来源 客户端调用socket()直接创建（无需bind/listen） 服务器调用accept()后新返回的套接字（不是监听 socket）
与监听 socket 的关系 无（客户端没有监听 socket） 由服务器的监听 socket（listen()后的 socket）触发生成
数量 客户端通常只有 1 个（对应一条连接） 服务器会有多个（每accept一个客户端连接，就生成一个新的sockfd）

7.关闭连接

一、close：通用的文件描述符关闭（适用于 socket，但有局限性）

#include <unistd.h>
int close(int fd);
#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int howto);
维度 close shutdown
依赖引用计数 是（计数归 0 才关） 否（直接操作连接）
支持半关闭 否（只能同时关读写） 是（可单独关读 / 写）
适用场景 单进程、简单关闭 多进程、需要灵活控制读写的场景

四、注意客户端和服务器的区别
image.png
五、注意监听socket和连接socket区别
image.png
举个直观例子：

8.数据读写

8.1 TCP数据读写

一、TCP 数据读写：recv/send

  1. 通用接口兼容：
    对 socket 的读写可以直接用read/write（因为 UNIX “一切皆文件”），但socket提供了更灵活的专用接口recv/send。
  2. recv/send的定义： 
    #include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
    • flags参数是核心：提供额外的读写控制（如非阻塞、带外数据等），默认填0时效果等同于read/write。
  3. recv的返回值含义：
    • 正数：实际读取的字节数（可能小于len，需循环读取）；
    • 0：对方关闭连接；
    • -1：出错（需检查errno）。
      image.png

二、示例：带外数据的发送与接收

  1. 客户端代码（testoobsend）逻辑：
  1. 服务器代码（testoobrecv）逻辑：
  1. 实验结果与关键结论：
    服务器输出：
got 5 bytes of normal data '123ab'
got 1 bytes of oob data 'c'
got 3 bytes of normal data '123'

8.2 UDP数据读写

一、UDP 数据读写的专用系统调用
UDP 是无连接的协议，因此读写数据时需要明确指定通信对方的地址，对应的系统调用是：

#include <sys/socket.h>
// 读取UDP数据（同时获取发送端地址）
ssize_t recvfrom(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags, 
                 struct sockaddr* src_addr, socklen_t* addrlen);
// 发送UDP数据（指定接收端地址）
ssize_t sendto(int sockfd, const void* buf, size_t len, int flags, 
               const struct sockaddr* dest_addr, socklen_t addrlen);

二、核心参数与逻辑（适配 UDP 的无连接特性）

  1. recvfrom（读）：
    • 因为 UDP 无连接，每次读数据都需要通过src_addr获取发送端的 socket 地址（IP + 端口）；
    • addrlen需先初始化（传入src_addr的内存大小），内核会返回实际地址长度。
  2. sendto（写）：
    • 因为 UDP 无连接，每次写数据都需要通过dest_addr指定接收端的 socket 地址（IP + 端口）；
    • addrlen是dest_addr的地址长度
      三、与 TCP 读写接口的关联
  1. UDP 的无连接特性，决定了其读写必须通过recvfrom/sendto明确处理通信地址；
  2. recvfrom/sendto是通用接口，既支持 UDP（无连接），也支持 TCP（面向连接）；
  3. 核心区别：UDP 用这两个接口处理 “动态地址”，TCP 用它们时可以忽略地址参数。