无论是 Web 服务器处理网页请求、即时通讯工具的消息传递，还是在线游戏的数据同步，都离不开 Socket 的支持。Socket 的本质，是将复杂的网络通信抽象成一个简单的接口，让开发者可以通过像操作文件一样的方式实现数据的收发。这也是”Unix中万物皆文件”。本文将以 TCP Socket 编程为例，逐步拆解从服务器端到客户端的交互过程，解析系统调用的作用，建立清晰的理解框架。

什么是 Socket？

Socket 提供了一种通信的端点，就像电器与电源的插座。通过 Socket，两个设备之间可以建立通信链接。
程序员只需要按照 Socket 提供的接口进行操作，不需要关心底层的复杂网络协议。

Socket 的现代实现被称为 Berkeley Sockets，因为它起源于 Berkeley Unix（BSD Unix）中，是基于 Unix 操作系统设计的。Berkeley Sockets 的出现奠定了今天网络编程的基础。

  • 在Web浏览器与Web服务器通信：浏览器通过 Socket 向服务器发送 HTTP 请求，服务器通过 Socket 返回 HTTP 响应。
  • 在即时通讯工具中传递消息：客户端通过 Socket 向服务器发送消息，服务器通过 Socket 将消息推送给其他客户端。
  • 在在线游戏中同步数据：客户端通过 Socket 向服务器发送操作指令，服务器通过 Socket 将操作结果推送给其他客户端。

工作原理，怎么打电话？

  • 首先，我们需要一个电话，也就是创建一个 Socket 对象。
  • 如果想给朋友打电话，首先要知道朋友的电话号码。Socket 通信也是一样，需要知道对方的 IP 地址和端口号。

    IP类似于大楼的地址，而Socket端口号类似于房间号。即我们通过IP地址实现主机到主机的通信，通过端口号实现主机内的进程到进程的通信。

  • 打通电话后，可以开始通话。你说一句话（发送数据），对方听到并回复（接收数据）。Socket 通信也是一样，建立连接后，可以开始传输数据。
  • 通话结束后，挂断电话。Socket通信结束后，关闭 Socket。

TCP与UDP，就像是打电话和写信

Socket 通信可以基于两种协议：TCP 和 UDP。TCP需要建立连接，而UDP不需要建立连接。

  • TCP（Transmission Control Protocol）：面向连接的协议，提供可靠的数据传输。TCP 保证数据的顺序和完整性，适用于要求数据准确无误的场景（网页、聊天、文件传输）。
  • UDP（User Datagram Protocol）：面向无连接的协议，提供高效的数据传输。UDP 不保证数据的顺序和完整性，适用于实时性要求高的场景（在线游戏、直播）。

TCP Socket通信模型

TCP Socket 通信模型是一种客户端-服务器模型。

  • 服务器（Server）：被叫方（接线员）随时准备接电话。在程序中表示为一个服务器进程，而不是硬件服务器。
  • 客户端（Client）：主动拨打电话。在程序中表示为一个客户端进程。

双工文件描述符

使用TCP Socket进行通信后，客户端和服务器各自都会获得一个文件描述符，这使得网络通信就像在操作文件。
写操作即是发送字节给对方，而读操作就是接受对方发送的字节。

文件描述符是操作系统中对文件的引用，是一个非负整数。在Linux系统中，文件描述符0、1、2分别对应标准输入、标准输出和标准错误。
每次打开一个文件或资源，操作系统都会返回一个文件描述符，用于后续对文件的操作。

TCP服务器系统调用过程

模型

  • socket() –准备好电话啦☎️
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    // 1. 创建服务器的 Socket
    // socket() 函数创建一个 Socket，返回一个文件描述符
    // 参数说明：
    // - AF_INET: 表示使用 IPv4,AF_INET6 表示 IPv6
    // - SOCK_STREAM: 表示使用 TCP（流式传输）.SOCK_DGRAM 表示 UDP（数据报传输）
    // - 0: 默认协议（通常是 TCP）
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == -1) {               // 如果返回 -1，表示创建失败
        perror("socket");                // 打印错误信息
        exit(EXIT_FAILURE);              // 退出程序
    }

    // 2. 配置服务器地址
    server_addr.sin_family = AF_INET;    // 地址族，AF_INET 表示 IPv4
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 监听所有网络接口（本机 IP）
    server_addr.sin_port = htons(PORT); // 将端口号转换为网络字节序
    上述代码除了创建服务器的socket外，还对服务器地址进行了配置。配置过程的主要任务就是告诉操作系统，使用哪种地址类型，绑定到哪个IP地址和端口号。
    而这些信息都存储在struct sockaddr_in结构体中，通过该结构体的成员变量进行配置。
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    struct sockaddr_in {
        sa_family_t sin_family;   // 地址族 (AF_INET 表示 IPv4)
        in_port_t sin_port;       // 16 位端口号（网络字节序）
        struct in_addr sin_addr;  // IPv4 地址
        char sin_zero[8];         // 填充字段，保持与 struct sockaddr 大小一致
    };
    在配置IP地址时用到了INADDR_ANY，它表示监听所有网络接口，即服务器将接受来自任何网络接口的连接请求。

    网络接口是连接设备和网络的桥梁，每个接口可以有自己的IP地址，例如有线网卡、无线网卡等。一台服务器可能有多个网络接口，一个连接到内网，一个连接到外网。所以一台服务器可能有多个IP地址。
    INADDR_ANY表示监听所有网络接口，而INADDR_LOOPBACK表示监听本地回环接口，即只接受来自本机的连接请求。

在配置端口号时，使用了htons()函数将端口号转换为网络字节序。网络字节序是大端字节序，即高位字节存储在低地址，低位字节存储在高地址。

  • bind() 给电话装上号码📞

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    // 3. 绑定地址到服务器的 Socket
    // bind() 函数将服务器地址绑定到服务器 Socket
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind");                  // 如果失败，打印错误信息
        close(server_fd);                // 关闭文件描述符
        exit(EXIT_FAILURE);              // 退出程序
    }

  • listen() 准备接听来电🤭

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    // 4. 开始监听端口
    // listen() 函数使服务器进入监听状态，准备接受连接
    // 第二个参数指定连接队列的最大长度（这里为 5）
    if (listen(server_fd, 5) == -1) {
        perror("listen");                // 如果失败，打印错误信息
        close(server_fd);                // 关闭文件描述符
        exit(EXIT_FAILURE);              // 退出程序
    }
    printf("Server is listening on port %d...\n", PORT);

  • accept() 电话接通了🤩

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    // 5. 接受客户端连接
    // accept() 函数等待客户端连接，成功后返回一个新的文件描述符（用于与客户端通信）
    client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
    if (client_fd == -1) {
        perror("accept");                // 如果失败，打印错误信息
        close(server_fd);                // 关闭文件描述符
        exit(EXIT_FAILURE);              // 退出程序
    }
    printf("Client connected!\n");

    (struct sockaddr *)&client_addr的含义
    在网络编程中，许多函数（如 bind() 和 connect()）需要传递地址参数，类型为 struct sockaddr *，而不是 struct sockaddr_in *。
    struct sockaddr 是一个通用的地址结构，可以表示多种类型的地址（IPv4、IPv6 等）。 struct sockaddr_in 是 IPv4 专用的地址结构。
    函数要求地址参数的类型为 struct sockaddr *，以便支持多种协议。
    为了解决这个问题，可以使用类型转换将 struct sockaddr_in * 转换为 struct sockaddr *，这样就可以传递给函数了。

accept()函数会阻塞等待客户端连接，一旦有客户端连接，就会返回一个新的文件描述符，用于与客户端通信。
这两个文件描述符各司其职，server_fd用于监听客户端连接，而client_fd用于与客户端通信。

  • read() write() 通话中…🤔

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    // 6. 接收客户端发送的消息
    memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);      // 清空缓冲区
    read(client_fd, buffer, BUFFER_SIZE); // 从客户端接收数据，存入缓冲区
    printf("Client says: %s\n", buffer); // 打印接收到的消息

    // 7. 回复客户端
    const char *response = "Hello from server!";
    write(client_fd, response, strlen(response));  // 将消息发送给客户端

  • close() 挂断电话👋

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    // 8. 关闭文件描述符
    close(client_fd);                    // 关闭客户端文件描述符
    close(server_fd);                    // 关闭服务器文件描述符
    return 0;

TCP客户端系统调用过程

对于客户端呢，和TCP服务器一样，都要先准备电话，所以socket系统调用与TCP服务器是完全一致的。
客户端要想连接服务器，不需要限定自己的IP地址和端口号，只需要知道服务器的IP地址和端口号即可。

IPv4的地址是32位的，通常用点分十进制表示，例如本机回送地址是”127.0.0.1”‘,如果用32位整数表示，就是0x7F000001。十进制就是127256^3+0256^2+0*256+1=2130706433。
为了方便，我们可以使用inet_addr库函数将点分十进制的IP地址转换为网络字节序的整数。

connect()的调用格式与bind很类似，但是connect后的文件描述符不是通过返回值获得的，而是通过参数sockfd传递的。connect成功后，通过read/write操作文件描述符socket就可以与服务器通信了。通信结束后，
同样通过close()关闭文件描述符。

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// 连接服务器
// connect() 函数尝试连接服务器
if (connect(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
    perror("connect");            // 如果失败，打印错误信息
    close(sock_fd);               // 关闭文件描述符
    exit(EXIT_FAILURE);           // 退出程序
}
printf("Connected to server!\n");