第18章 UDP Socket编程

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一、UDP协议的特点

UDP，全称是用户数据报协议。说白了，它就是个"只管发，不管到"的传输协议。

我在项目中用过不少UDP，最深的感受就是——它简单到让人有点不放心。但恰恰是这种简单，让它在某些场景下比TCP更香。

UDP的核心特点

无连接：发数据前不需要握手，直接扔出去就行
不可靠：数据丢了？乱序了？重复了？UDP不管
无状态：不维护连接状态，不记录收发进度
面向报文：应用层给多少数据，UDP就发多少，不拆分也不合并
支持广播和组播：这是TCP做不到的

重要：UDP头部只有8个字节，而TCP头部至少20个字节。开销小，延迟低，这是UDP最大的优势。

二、UDP Socket通信流程

UDP的通信流程，比TCP简单太多了。你想想看，TCP要三次握手、四次挥手，UDP呢？直接发就完了。

服务端流程

创建socket：socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)
绑定地址：bind()
接收数据：recvfrom()
发送数据：sendto()
关闭socket：close()

客户端流程

创建socket：socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)
发送数据：sendto()
接收数据：recvfrom()
关闭socket：close()

个人经验：客户端其实可以不调用bind()，系统会自动分配一个临时端口。但我建议你还是显式bind一下，方便调试时抓包定位。

三、UDP服务器的实现

写一个UDP服务器，核心就是recvfrom和sendto这两个函数。我刚开始用的时候，老是把它们的参数顺序搞混，后来干脆写了个小工具函数封装了一下。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 1. 创建socket
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    // 2. 绑定地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind");
        close(sockfd);
        exit(1);
    }

    printf("UDP server listening on port %d...\n", PORT);

    // 3. 循环接收数据
    while (1) {
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        int n = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0,
                         (struct sockaddr*)&client_addr, &addr_len);
        if (n < 0) {
            perror("recvfrom");
            continue;
        }

        printf("Received from %s:%d: %s\n",
               inet_ntoa(client_addr.sin_addr),
               ntohs(client_addr.sin_port),
               buffer);

        // 4. 回显数据
        sendto(sockfd, buffer, n, 0,
               (struct sockaddr*)&client_addr, addr_len);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

注意：recvfrom的最后一个参数addr_len，传入时必须是sizeof(client_addr)，传出时才是实际地址长度。我曾经在这里踩过坑，传了个0进去，结果recvfrom一直返回-1。

四、UDP客户端的实现

客户端更简单，连bind都不用。直接sendto就完事了。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    socklen_t addr_len = sizeof(server_addr);
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    // 1. 创建socket
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    // 2. 设置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 3. 发送数据
    while (1) {
        printf("Enter message: ");
        fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin);
        buffer[strcspn(buffer, "\n")] = 0;

        sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0,
               (struct sockaddr*)&server_addr, addr_len);

        // 4. 接收回显
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        int n = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0,
                         (struct sockaddr*)&server_addr, &addr_len);
        if (n > 0) {
            printf("Server echo: %s\n", buffer);
        }
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

小技巧：客户端也可以调用connect()，虽然UDP是无连接的，但connect之后可以用send()和recv()代替sendto()和recvfrom()，代码会简洁一些。不过要注意，connect之后就只能和这一个地址通信了。

五、UDP的广播与组播

这是UDP独有的能力。TCP是点对点的，UDP可以一对多。

广播

广播地址通常是xxx.xxx.xxx.255，或者255.255.255.255。发送广播前，需要设置socket选项：

int broadcast = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcast, sizeof(broadcast));

然后往广播地址发数据，同一网段的所有机器都能收到。

组播

组播比广播更灵活。它用D类地址（224.0.0.0 ~ 239.255.255.255）。加入组播组需要：

struct ip_mreq mreq;
mreq.imr_multiaddr.s_addr = inet_addr("224.0.0.1");
mreq.imr_interface.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &mreq, sizeof(mreq));

经验之谈：我在做视频监控项目时，用组播把摄像头画面分发给多个客户端。如果当时用TCP，每个客户端都要单独建连接，服务器压力会大很多。组播一发，所有客户端都能收到，省事多了。

六、UDP的丢包与乱序

UDP不保证可靠传输，所以丢包和乱序是家常便饭。为什么会这样？因为UDP没有确认机制，也没有序号机制。

丢包的原因

网络拥塞，路由器丢包
接收缓冲区满了
数据包损坏被丢弃

应对策略

如果应用层需要可靠性，就得自己实现。我常用的方法：

超时重传：发送后启动定时器，没收到确认就重发
序号机制：每个包加个序号，接收方检测乱序和重复
应用层ACK：自己实现确认包

避坑指南：我曾经在一个项目中，直接用UDP传文件，结果大文件传输时丢包率高达30%。后来加了简单的超时重传机制，才把丢包率降到可接受范围。记住，UDP不保证可靠，应用层必须自己处理。

七、UDP与TCP的选择

场景	推荐协议	原因
文件传输、网页浏览	TCP	需要可靠传输
视频直播、语音通话	UDP	容忍丢包，要求低延迟
DNS查询	UDP	一次请求一次响应，简单高效
物联网传感器数据	UDP	数据量小，连接开销不划算
远程控制	TCP	命令必须可靠到达

说白了，选TCP还是UDP，就看你能不能接受丢包。能接受丢包，就用UDP，快；不能接受，就用TCP，稳。

八、UDP Socket综合案例

最后，我写一个简单的聊天程序，展示UDP的实际应用。这个程序既可以是服务端，也可以是客户端，启动时通过参数指定模式。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 9999
#define BUFFER_SIZE 1024

void *receive_thread(void *arg) {
    int sockfd = *(int*)arg;
    struct sockaddr_in from_addr;
    socklen_t addr_len = sizeof(from_addr);
    char buffer[BUFFER_SIZE];

    while (1) {
        memset(buffer, 0, BUFFER_SIZE);
        int n = recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0,
                         (struct sockaddr*)&from_addr, &addr_len);
        if (n > 0) {
            printf("\n[%s:%d] %s\n> ",
                   inet_ntoa(from_addr.sin_addr),
                   ntohs(from_addr.sin_port),
                   buffer);
            fflush(stdout);
        }
    }
    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in addr;
    pthread_t tid;

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    addr.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0) {
        perror("bind");
        close(sockfd);
        exit(1);
    }

    printf("Chat started on port %d\n", PORT);
    printf("Enter messages (format: IP:message)\n");

    // 启动接收线程
    pthread_create(&tid, NULL, receive_thread, &sockfd);

    // 主线程负责发送
    char input[BUFFER_SIZE];
    while (1) {
        printf("> ");
        fflush(stdout);
        fgets(input, BUFFER_SIZE, stdin);
        input[strcspn(input, "\n")] = 0;

        // 解析目标IP和消息
        char *ip = strtok(input, ":");
        char *msg = strtok(NULL, "");

        if (ip && msg) {
            struct sockaddr_in dest;
            dest.sin_family = AF_INET;
            dest.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
            dest.sin_port = htons(PORT);

            sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0,
                   (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));
        }
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

使用说明：启动两个终端，都运行这个程序。在其中一个输入"127.0.0.1:你好"，另一个就能收到消息。这就是一个最简单的UDP聊天室。

UDP虽然简单，但用好了威力很大。我做了这么多年嵌入式，UDP在音视频传输、传感器数据采集、游戏通信这些场景下，几乎是首选。记住它的特点，选对场景，UDP就是一把利器。

📚 课程目录

一、UDP协议的特点

UDP的核心特点

二、UDP Socket通信流程

服务端流程

客户端流程

三、UDP服务器的实现

四、UDP客户端的实现

五、UDP的广播与组播

广播

组播

六、UDP的丢包与乱序

丢包的原因

应对策略

七、UDP与TCP的选择

八、UDP Socket综合案例