还是给我的语雀文档打个广告： 《5. C++ TinyWebServer项目总结（5. Linux网络编程基础API）》我的文章都是先在语雀里记录的，然后再同步发送到CSDN上，有些格式问题实在是懒得改了，可能会导致大家看的不舒服，建议有需要的大家可以看看我的原文：

语雀https://www.yuque.com/u39624144/zvaea9/xdkson4kiaas4lx6?singleDoc#%20%E3%80%8AWebServer%E3%80%8B

主机字节序和网络字节序

现代 CPU 的累加器一次都能装载（至少）4个字节(对于 32 位的机器)，即一个 int 类型。那么这4个字节在内存中排列的顺序将影响它被累加器装载的整数值，这就是字节序问题。

字节存储顺序主要分为大端序（Big-endian）和小端序（Little-endian），区别如下

• Big-endian：高位字节存入低地址，低位字节存入高地址
• Little-endian：低位字节存入低地址，高位字节存入高地址

例如，将12345678h写入1000h开始的内存中，以大端序和小端序模式存放结果如下：

现代 PC 大多采用小端字节序，因此小端字节序又称为主机字节序；

而在两台不同字节序的主机之间传递数据时，发送端总是把要发送的数据转化成大端字节序数据后再发送，因此大端字节序也被称为网络字节序。

网络字节顺序是TCP / IP中规定好的一种数据表示格式，它与具体的CPU类型、操作系统等无关，从而可以保证数据在不同主机之间传输时能够被正确解释，网络字节顺序采用大端排序方式。

“大同小异 ”：大端字节序的 字节顺序 和 内存地址顺序相同；小端字节序则相反。

通用 socket 地址和专用 socket 地址

socket 网络编程接口中表示 socket 地址是结构体 sockaddr，其定义如下：

#include <bits/socket.h>

struct sockaddr{                           
    sa_family_t sa_family;
    char sa_data[14];
};

typedef unsigned short int sa_family_t;

sa_family成员是地址族类型(sa_family_t)的变量。地址族类型通常与协议类型对应。常见的协议族和对应的地址族如下所示：

而sa_data成员用于存放socket地址值。但是，不同的协议族的地址值具有不同的含义和长度 :

可以看到，14个字节只能装下 IPv4地址，没办法装下IPv6的地址。因此，该结构体表示方式已经被废掉，Linux定义了下面这个新的通用的socket地址结构体，这个结构体不仅提供了足够大的空间用于存放地址值，而且是内存对齐的（内存对齐可以加快CPU访问速度）

#include <bits/socket.h>
struct sockaddr_storage
{
    sa_family_t sa_family;
    unsigned long int __ss_align; //不用管，用来作内存对齐的
    char __ss_padding[ 128 - sizeof(__ss_align) ];
};
typedef unsigned short int sa_family_t;

Linux 为各个协议族提供了专门的 socket 地址结构体。

UNIX 本地域协议族使用如下专用的 socket 地址结构体：

#include <sys/un.h>
struct sockaddr_un
{
    sa_family_t sin_family; /* 地址族: AF_UNIX */
    char sun_path[108];     /* 文件路径名 */
};

TCP / IP 协议族有 sockaddr_in 和 sockaddr_in6 两个专用的 socket 地址结构体，它们分别用于 IPv4 和 IPv6：

#include <netinet/in.h>
struct sockaddr_in
{
    sa_family_t sin_family;         /* 地址族: AF_INET */
    in_port_t sin_port;             /* 端口号: 用网络字节序表示 */
    struct in_addr sin_addr;        /* IPv4地址结构体 */
};

struct in_addr
{
    u_int32_t s_addr;				/* IPv4地址, 用网络字节序表示 */
};

struct sockaddr_in6
{
    sa_family_t sin6_family;		/* 地址族: AF_INET6 */
    in_port_t sin6_port; 			/* 端口号: 用网络字节序表示 */
    uint32_t sin6_flowinfo; 		/* IPv6 flow information */
    struct in6_addr sin6_addr; 		/* IPv6 地址结构体 */
    uint32_t sin6_scope_id; 		/* IPv6 scope-id */
};

struct in6_addr
{
    unsigned char sa_addr[16];		/* IPv6 地址, 用网络字节序表示 */
};

所有专用 socket 地址（以及 sockaddr_storage）类型的变量在实际使用时都需要转化为通用 socket 地址类型 sockaddr（强制转化即可），因为所有 socket 编程接口使用的地址参数类型都是 sockaddr。

IP 地址转换函数

人们习惯用可读性好的字符串来表示IP地址，比如用点分十进制字符串表示IPV4地址，以及用十六进制字符串表示IPv6地址，但编程中我们需要先把他们转化为整数(二进制)方能使用。而记录日志相反，我们需要把整数表示的IP地址转化为可读的字符串。

/*
    #include <arpa/inet.h>
    // p:点分十进制的IP字符串，n:表示network，网络字节序的整数
    int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
        af: 地址族： AF_INET  AF_INET6
        src: 需要转换的点分十进制的IP字符串
        dst: 转换后的结果保存在这个里面

    // 将网络字节序的整数，转换成点分十进制的IP地址字符串
    const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
        af: 地址族： AF_INET  AF_INET6
        src: 要转换的ip的整数的地址
        dst: 转换成IP地址字符串保存的地方
        size：第三个参数的大小（数组的大小）
        返回值：返回转换后的数据的地址（字符串），和 dst 是一样的

*/

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {

    // 创建一个ip字符串, 点分十进制的IP地址字符串
    char buf[] = "192.168.1.0";
    unsigned int num = 0;

    // 将 点分十进制的IP字符串 转换成 网络字节序的整数
    inet_pton(AF_INET, buf, &num);
    unsigned char *p = (unsigned char *)&num;
    printf("%d %d %d %d\n", *p, *(p+1), *(p+2), *(p+3));


    // 将 网络字节序的IP整数 转换成 点分十进制的IP字符串
    char ip[16] = ""; //字符串 IP 地址四段，每段最多三个字节，加上3个“.”，再加一个字符串结束符
    const char * str =  inet_ntop(AF_INET, &num, ip, 16);
    printf("str : %s\n", str);
    printf("ip : %s\n", ip);
    printf("%d\n", ip == str);

    return 0;
}

一个 IPv4 地址，如果用字符串数组来存储，最多需要多大的字符串数组？

• IPv4 地址格式:

• • IPv4 地址是由四个八位字节（每个0-255之间）组成，每个字节以 . 分隔。
  • 一个完整的 IPv4 地址的格式示例为 255.255.255.255，这个是最大可能的字符串长度。

• 字符数计算:

• • 每个字节（0-255）可以用 1 到 3 个字符表示（如 0, 10, 255）。
  • 四个字节之间有三个 . 分隔符。
  • 因此，最大长度的 IPv4 地址字符串是 xxx.xxx.xxx.xxx，总共 15 个字符。

• 字符串结束符:

• • C 语言中的字符串以 \0 结束符结尾，所以需要额外的 1 个字节空间来存储这个结束符。

因此，字符串数组大小应该为 16 ，才可以存储最完整的 IPv4 地址字符串形式（15个字符 xxx.xxx.xxx.xxx）和一个结束符（\0）。

创建 socket

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>//包含了这个头文件，上面两个就可以省略

int socket(int domain，int type，int protoco1);

功能：创建一个套接字

参数：

domain：底层协议族

• • PF_INET：IPv4
  • PF_INET6：IPv6
  • PF_UNIX：UNIX 本地域协议族

type：指定通信过程中使用的服务类型

• • SOCK_STREAM：流服务（TCP等）
  • SOCK_DGRAM：数据报服务（UDP等）
  • 自 Linux 内核版本 2.6.17 起，type 参数可以接受上述服务类型与下面两个重要的标志相与的值：SOCK_NONBLOCK 和 SOCK_CLOEXEC，前者将 socket 设置为非阻塞的。

protocol：在前两个参数构成的协议集合下，再选择一个具体的协议。一般设置为 0（因为前面两个参数已经完全决定了它的值）

返回值：

成功：返回 socket 文件描述符，操作的就是内核缓冲区

失败：返回-1 并设置 errno

命名 socket

即将一个 socket 与 socket 地址绑定。

int bind(int sockfd，const struct sockaddr* my_addr，socklen_t addrlen);

功能：将 my_addr 所指的 socket 地址分配给未命名的 sockfd 文件描述符，addrlen 指出 socket 地址长度。

参数：

sockfd：通过socket函数得到的文件描述符

my_addr：需要绑定的 socket 地址，这个地址封装了ip 地址和端口号的信息

addrlen：第二个参数结构体占的内存大小

返回值：

成功：返回 0

失败：返回-1 并设置 errno

监听 socket

socket 被命名后，还不能马上接受客户连接，需要使用如下系统调用，创建一个监听队列，存放待处理的客户连接：

int listen(int sockfd，int backlog);

功能：监听指定 socket上的连接

参数：

sockfd：通过socket()函数得到的文件描述符，指定被监听的 socket

backlog：提示内核监听队列的最大长度，超过该设定的最大值，服务器将不受理新的客户连接。

返回值：

成功：返回 0

失败：返回 -1 并设置 errno

接受连接

int accept(int sockfd，struct sockaddr *addr ，sock1en_t *addrlen);

功能：从 listen 监听队列中接受一个连接。accept 只是从监听队列中取出连接，而不关心连接处于何种状态。

参数：
sockfd：执行过 listen 系统调用的监听 socket
addr：记录了连接成功后客户端的地址信息（socket 地址）
addrlen：指定第二个参数的 socket 地址长度。
返回值：
成功：返回一个新的连接 socket，该 socket 唯一标识了被接受的这个连接，服务器可以通过读写该 socket 来与被接受连接的客户端通信。
失败：返回-1 并设置 errno

发起连接

服务器通过 listen 调用来被动接受连接，而客户端通过 connect 来主动与服务器发起连接。

int connect(int sockfd，const struct sockaddr *serv_addr，socklen_t addr1en);

参数：
sockfd：用于通信的文件描述符，由 socket 系统调用返回。
addr：客户端要连接的服务器的地址信息，即服务器监听的 socket 地址。
addrlen：addr 的地址长度。

返回值：

成功：返回0，连接成功建立，则 sockfd 唯一标识这个连接，客户端可以通过读写 sockfd 来与服务器通信。

失败：返回 -1并设置 errno

关闭连接

int close (int fd);

功能：关闭该连接对应的 socket

参数：

fd：待关闭的 socket。注意，close 调用并非总是立即关闭一个连接，而是将 fd 的引用计数减一。当引用计数为 0 时，才真正关闭这个连接。如果要立即终止连接，可以使用 shutdown 系统调用：

int shutdown(int sockfd, int howto);

功能：立即关闭该连接对应的 socket

参数：

sockfd：待关闭的 socket。

howto：决定了 shutdown 的行为。

• • SHUT_RD：断开输入流。套接字无法接收数据（即使输入缓冲区收到数据也被抹去），无法调用输入相关函数。
  • SHUT_WR：断开输出流。套接字无法发送数据，但如果输出缓冲区中还有未传输的数据，则将传递到目标主机。
  • SHUT_RDWR：同时断开 I/O 流。相当于分两次调用 shutdown()，其中一次以 SHUT_RD 为参数，另一次以 SHUT_WR 为参数。

返回值：

成功：返回0

失败：返回 -1并设置 errno

shutdown 可以分别关闭 socket 上的读和写，而 close 只能同时关闭。

数据读写

TCP 数据读写

用于 TCP 流数据的读写调用：

#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)

recv()成功时返回实际读取到的数据长度，可能小于指定读缓冲区的大小 len，因此可能需要多次调用才能读取完整数据。返回 0 说明对方已经关闭连接。返回-1 说明出错；

send()成功时返回实际写入 sockfd 的数据长度

flags 参数为数据收发提供了额外的控制。只对 send 和 recv 的当前调用生效。而 setsockopt 可以永久修改 socket 的某些属性。

UDP 数据读写

系统调用是：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

recvfrom：

参数：

sockfd：一个已打开的套接字的描述符。

buf：一个指针，指向读缓冲区。

len：读缓冲区的大小（以字节为单位）。

src_addr：一个指针，指向发送端的 socket 地址。（UDP 是无连接的，每次通信都需要指定通信地址）

addrlen：开始时，它应该设置为 src_addr 缓冲区的大小。当 recvfrom() 返回时，该值会被修改为实际地址的长度（以字节为单位）。

flags：控制接收行为的标志。通常可以设置为0。

返回值：

在成功的情况下，recvfrom() 返回接收到的字节数。

如果没有数据可读或 socket 已经关闭，那么返回值为0。

出错时，返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误类型。

sendto：与recvfrom类似。

实际上，recvfrom和sendto也可以用于面向连接的 socket 的数据读写，当连接已经建立时，只需要把recvfrom/sendto的 src_addr和addrlen设置为 NULL，即可忽略发送端/接收端的 socket 地址。

通用数据读写

不仅能用于 TCP 流数据，还能用于 UDP 数据报。

#include <sys/socket.h>

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

带外标记

Linux内核检测到TCP紧急标志时，将通知应用程序有带外数据需要接收。内核通知应用程序带外数据到达的两种常见方式是：I/O复用产生的异常事件和SIGURG信号。但是，即使应用程序得到了有带外数据需要接收的通知，还需要知道带外数据在数据流中的具体位置，才能准确接收带外数据。这一点可通过如下系统调用实现：

#include <sys/socket.h>
int sockatmark( int sockfd );

sockatmark 判断 sockfd 是否处于带外标记，即下一个被读取到的数据是否是带外数据。

如果是，sockatmark返回1，此时我们就可以利用带MSG_OOB标志的recv调用来接收带外数据。如果不是，则sockatmark返回0。

地址信息函数

在某些情况下，我们想知道一个连接socket的本端socket地址，以及远端的socket地址。下面这两个函数正是用于解决这个问题：

#include <sys/socket.h>

int getsockname( int sockfd,struct sockaddr* address,socklen t* address_len );
int getpeername( int sockfd,struct sockaddr* address, socklen t* address_len );

getsockname获取sockfd 对应的本端socket地址，并将其存储于address参数指定的内存中，该socket地址的长度则存储于address_len参数指向的变量中。如果实际socket地址的长度大于 address所指内存区的大小，那么该socket地址将被截断。getsockname 成功时返回0，失败返回-1并设置 errno。

getpeerame 获取 sockfd对应的远端socket地址，其参数及返回值的含义与 getsockname的参数及返回值相同。

socket 选项

用来读取和设置socket文件描述符属性的方法：

#include <sys/socket.h>

int getsockopt( int sockfd, int level,int option_name, 
                    void* option_value, socklen_t* restrict option_len );
int setsockopt( int sockfd, int level,int option_name, 
                    const void* option_value, socklen_t option_len );

实战：TCP通信实现（服务器端和客户端）

接下来，我们通过一个实战小项目，来更加深刻的理解 TCP 通信和 socket 的使用。项目代码来自：【Linux】socket 编程（socket套接字介绍、字节序、socket地址、IP地址转换函数、套接字函数、TCP通信实现）_linux socket-CSDN博客

整个流程经历了以下阶段：

1. 在代码中，服务器端先通过socket调用，创建了一个 socket；
2. 服务器端调用 bind 将 socket 绑定到一个 IP 地址和端口号；
3. 服务器端调用 listen 使 socket 进入监听状态，准备接收客户端的连接请求；
4. 客户端调用 connect，发起连接请求；
5. 服务器端调用 accept，接受客户端的连接请求；
6. TCP 连接建立，可以通过 read/write 收发数据。

服务器端

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

/* TCP服务器端实现 */
int main() {

    /*
     * 1.创建socket(用于监听的套接字):
     *  使用 socket 函数创建一个套接字 listen_fd
     *  AF_INET: 表示使用 IPv4 协议
     *  SOCK_STREAM: 表示使用 TCP 连接。
     */  
    int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    if(listen_fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }

    /*
     * 2.绑定/命名 socket: 
     *  struct sockaddr_in 用于指定服务器的地址和端口。
     *  INADDR_ANY 让服务器绑定到所有可用的网络接口（即可以接受任何 IP 地址的连接）。
     *  使用 bind 函数将套接字与指定的 IP 地址和端口绑定。
     *  如果 bind 返回 -1，表示绑定失败，输出错误信息并退出程序。
     */
    struct sockaddr_in saddr;
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 0.0.0.0
    saddr.sin_port = htons(9999);
    int ret = bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&saddr, sizeof(saddr));

    if(ret == -1) {
        perror("bind");
        exit(-1);
    }

    /*
     * 3.监听连接
     *  listen 函数使套接字进入监听状态，准备接收来自客户端的连接请求。
     *  第二个参数 8 指定了连接队列的最大长度，即最多可以有 8 个连接请求排队等待处理。
     *  如果 listen 返回 -1，表示监听失败，输出错误信息并退出程序。
     */ 
    ret = listen(listen_fd, 8);
    if(ret == -1) {
        perror("listen");
        exit(-1);
    }

    /*
     * 4.接收客户端连接
     *  使用 accept 函数接受客户端的连接请求，accept 返回一个新的套接字 cfd，用于与客户端通信。
     *  clientaddr 用于存储客户端的地址信息。
     *  如果 accept 返回 -1，表示接收连接失败，输出错误信息并退出程序。
    */
    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t len = sizeof(clientaddr);
    int cfd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *)&clientaddr, &len);
    
    if(cfd == -1) {
        perror("accept");
        exit(-1);
    }

    /*
     * 5. 输出客户端的信息
     *  inet_ntop 函数将客户端的 IP 地址从网络字节序转换为点分十进制字符串格式，并输出。
     *  ntohs 函数将客户端的端口号从网络字节序转换为主机字节序，并输出。
     */
    char clientIP[16];
    inet_ntop(AF_INET, &clientaddr.sin_addr.s_addr, clientIP, sizeof(clientIP));
    unsigned short clientPort = ntohs(clientaddr.sin_port);
    printf("client ip is %s, port is %d\n", clientIP, clientPort);

    // 6.通信
    char recvBuf[1024] = {0};
    while(1) {
        
        // 获取客户端的数据
        int num = read(cfd, recvBuf, sizeof(recvBuf));
        if(num == -1) {
            perror("read");
            exit(-1);
        } else if(num > 0) {
            printf("recv client data : %s\n", recvBuf);
        } else if(num == 0) {
            // 表示客户端断开连接
            printf("clinet closed...");
            break;
        }

        char *data = "hello,i am server";
        // 给客户端发送数据
        write(cfd, data, strlen(data));
    }
   
    // 7. 关闭文件描述符
    close(cfd);
    close(listen_fd);

    return 0;
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

/* TCP客户端实现 */
int main() {

    // 1.创建套接字: AF_INET 表示使用 IPv4 地址，SOCK_STREAM 表示使用 TCP 连接。
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(-1);
    }

    // 2.连接服务器端: 设定服务器的 IP 地址和端口号（此处为 "10.1.1.161" 和 9999）。
    struct sockaddr_in serveraddr;
    serveraddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "10.1.1.161", &serveraddr.sin_addr.s_addr);
    serveraddr.sin_port = htons(9999);
    int ret = connect(fd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));

    if(ret == -1) {
        perror("connect");
        exit(-1);
    }

    
    // 3.通信
    char recvBuf[1024] = {0};
    while(1) {

        char *data = "hello,i am client";
        // 通过 write 函数发送消息 "hello,i am client" 到服务器。
        write(fd, data , strlen(data));

        sleep(1);
        
        int len = read(fd, recvBuf, sizeof(recvBuf));
        if(len == -1) {
            perror("read");
            exit(-1);
        } else if(len > 0) {
            printf("recv server data : %s\n", recvBuf);
        } else if(len == 0) {
            // 如果 read 返回 0，表示服务器关闭了连接，客户端程序将结束循环并关闭连接。
            printf("server closed...");
            break;
        }
    }
    
    // 4. 关闭连接
    close(fd);

    return 0;
}

效果

编译运行上述代码，在终端中可以看单到：

参考

1. 大端序和小端序_大端序和小端序的区别-CSDN博客
2. C++的socket地址详解_如何定义c socket ip地址-CSDN博客
3. 深入理解TCP协议及其源代码-send和recv背后数据的收发过程 - zhqian - 博客园
4. Linux网络编程- recvfrom() & sendto()-CSDN博客
5. recvmsg 和 sendmsg 函数详解 以及如何进行多进程之间文件描述符的发送与接收-CSDN博客
6. 【Linux】socket 编程（socket套接字介绍、字节序、socket地址、IP地址转换函数、套接字函数、TCP通信实现）_linux socket-CSDN博客