第19章：网络编程基础——socket创建、TCP客户端/服务器、select多路复用、非阻塞IO

网络编程，说白了就是让两台机器能互相说话。我刚开始学的时候，觉得这东西特别玄乎——数据怎么就从我这台电脑跑到别人那去了？后来写多了才发现，核心就那么几个概念：socket、bind、listen、accept、connect。今天咱们就把这些讲透。

19.1 socket是什么？

socket，中文叫“套接字”，你可以把它想象成一根网线的插头。一端插在你的程序里，另一端插在远程机器上。数据从这头进去，从那头出来。

在Linux里，socket也是一个文件描述符。嗯，你没看错——跟打开文件返回的那个int是一回事。所以你可以用read()、write()来读写socket，也可以用close()关掉它。

核心函数：socket()

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
  • domain：地址族，AF_INET（IPv4）或AF_INET6（IPv6）
  • type：SOCK_STREAM（TCP）或SOCK_DGRAM（UDP）
  • protocol：一般填0，让系统自动选

返回一个int，就是socket描述符。如果返回-1，说明创建失败了。我见过不少新手忘了检查返回值，结果后面各种段错误。

19.2 TCP客户端/服务器模型

TCP是面向连接的协议。什么意思？就是通信之前先“握手”，确认双方都在线，然后再传数据。就像你打电话，先拨号，对方接了，才开始说话。

19.2.1 服务器端流程

服务器端的套路很固定，我总结为四步走：

  1. socket()：创建socket
  2. bind()：绑定IP和端口
  3. listen()：开始监听
  4. accept()：接受客户端连接

避坑指南：bind之前，最好设置一下SO_REUSEADDR选项。我曾经在调试时频繁重启服务器，结果bind总是报“Address already in use”。加上这个选项，就能重用TIME_WAIT状态的端口。

// 服务器端核心代码
int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 监听所有网卡
addr.sin_port = htons(8080);        // 端口号，网络字节序

bind(server_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
listen(server_fd, 5);               // 最大等待队列长度

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);

19.2.2 客户端流程

客户端更简单，两步走：

  1. socket()：创建socket
  2. connect()：连接服务器
// 客户端核心代码
int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);

connect(sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

连接成功后，两边就可以用read()和write()互相发数据了。注意，TCP是流式协议，没有消息边界。你发两次write("hello")和write("world")，对方可能一次read就收到"helloworld"。所以应用层需要自己定义消息格式，比如加个长度头。

19.3 select多路复用

上面那个模型有个问题：一个服务器只能服务一个客户端。如果accept之后，你开始read，那其他客户端就只能排队等着。这显然不行。

解决方案之一就是select。它让你可以同时监视多个socket，哪个有数据来了，就去处理哪个。

select()函数原型

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,
           fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

fd_set是一个位图，每个bit对应一个文件描述符。用FD_SET、FD_CLR、FD_ISSET这几个宏来操作它。

我个人习惯这样用：

fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(server_fd, &read_fds);  // 把服务器socket加进去

int max_fd = server_fd;

while (1) {
    fd_set tmp_fds = read_fds;  // select会修改fd_set，所以每次要重新赋值
    int ret = select(max_fd + 1, &tmp_fds, NULL, NULL, NULL);
    
    if (ret < 0) {
        perror("select error");
        break;
    }
    
    // 检查服务器socket是否有新连接
    if (FD_ISSET(server_fd, &tmp_fds)) {
        int client_fd = accept(server_fd, NULL, NULL);
        FD_SET(client_fd, &read_fds);
        if (client_fd > max_fd) max_fd = client_fd;
    }
    
    // 检查各个客户端socket是否有数据
    for (int i = 0; i <= max_fd; i++) {
        if (i == server_fd) continue;
        if (FD_ISSET(i, &tmp_fds)) {
            char buf[1024];
            int n = read(i, buf, sizeof(buf));
            if (n <= 0) {
                close(i);
                FD_CLR(i, &read_fds);
            } else {
                // 处理数据...
            }
        }
    }
}

注意：select有最大文件描述符数量的限制，通常是1024。如果你要处理成千上万的连接，建议用epoll（Linux）或kqueue（BSD）。

19.4 非阻塞IO

默认情况下，socket是阻塞的。比如你调用read()，如果没有数据，线程就会卡在那里，直到有数据到来。这在单线程服务器里是致命的——一个客户端卡住了，其他客户端全得等着。

非阻塞IO就是让这些操作立即返回。没数据？返回-1，errno设为EAGAIN或EWOULDBLOCK。你可以继续干别的事，过一会儿再来检查。

设置非阻塞有两种方式：

  1. 创建时指定：socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, 0)
  2. 运行时设置：fcntl(sock, F_SETFL, fcntl(sock, F_GETFL) | O_NONBLOCK)

我更喜欢第二种，因为灵活。比如服务器socket可以阻塞，但客户端socket设成非阻塞。

// 设置非阻塞
int flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0);
fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

// 非阻塞read
char buf[1024];
int n = read(sock, buf, sizeof(buf));
if (n == -1 && (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)) {
    // 暂时没数据，过会儿再试
} else if (n == 0) {
    // 对方关闭连接
} else {
    // 正常处理数据
}

19.5 知识体系图

下面这张图总结了本章的核心知识点和它们之间的关系：

网络编程核心知识体系 socket编程 TCP客户端/服务器 select多路复用 非阻塞IO socket() bind()/listen() accept() connect() fd_set位图 FD_SET/FD_CLR FD_ISSET检查 SOCK_NONBLOCK fcntl()设置 EAGAIN处理 三者结合：非阻塞socket + select轮询 = 高性能服务器

19.6 实战经验总结

最后，分享几个我在项目中踩过的坑：

  • 字节序问题：网络字节序是大端，x86是小端。bind端口时一定要用htons()转换。我见过有人直接写8080，结果bind到了别的端口上。
  • 信号干扰：read/write被信号中断时会返回-1，errno是EINTR。这时候应该重试，而不是直接报错。
  • select的timeout：如果设为NULL，会一直阻塞。设为0，则立即返回（轮询模式）。我一般设个100ms的超时，既不会太忙，也不会太慢。
  • 非阻塞connect：connect本身也可以是非阻塞的。调用后立即返回，然后用select检查是否连接成功。这在写高并发客户端时很有用。

网络编程这东西，光看是学不会的。你得自己动手写一个echo服务器，再写一个客户端连上去，看着数据一来一回，才能真正理解。嗯，今天就到这里，去写代码吧。

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321

← 上一章 📖 返回目录 下一章 →