C语言必背100代码系列文章-第五篇：数据结构实现

C语言必背100代码系列文章目录

第一篇：基础语法与入门必背代码

    核心内容：Hello World、条件判断、循环结构、数组基础、函数定义等。

第二篇：数组与字符串操作

   核心内容：数组排序、字符串处理、多维数组、字符匹配、内存拷贝等。

第三篇：指针与内存管理

核心内容：指针运算、动态内存分配、结构体指针、函数指针、内存泄漏检测等。

第四篇：递归与算法

核心内容：阶乘递归、汉诺塔、分治算法、回溯算法、动态规划基础等。

第五篇：数据结构实现

核心内容：链表、栈、队列、二叉树、哈希表、图的基本操作。

第六篇：文件操作与IO

核心内容：文本文件读写、二进制文件操作、日志管理、CSV/JSON解析等。

第七篇：数学与算法进阶

核心内容：快速幂、素数测试、进制转换、矩阵运算、蒙特卡洛模拟等。

第八篇：系统编程与底层开发

核心内容：进程控制、线程同步、信号处理、套接字编程、系统调用封装等。

第九篇：网络编程进阶

核心内容：TCP/UDP通信、HTTP请求、WebSocket、SSL/TLS加密、网络抓包等。

第十篇：综合项目与工具

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第五篇：数据结构实现

想系统掌握C语言网络开发？这篇硬核教程带你从零构建TCP/UDP通信框架，破解HTTP协议实现原理！通过10个实战案例+源码级解析，深度揭秘Socket编程、多线程服务器、广播通信等核心技术。从三次握手细节到字节序转换陷阱，从简易聊天室到HTTP客户端开发，本文涵盖网络编程全链路。无论你是刚接触Socket的萌新，还是想优化网络模块的工程师，这篇覆盖TCP粘包处理、UDP广播实战、端口扫描原理等干货的进阶指南，都能让你的网络开发能力实现质的突破！

1. TCP客户端（连接服务器并发送数据）

c

	#include <stdio.h>
	#include <stdlib.h>
	#include <string.h>
	#include <unistd.h>
	#include <arpa/inet.h>
	#define PORT 8080
	#define BUFFER_SIZE 1024
	int main() {
	int sock = 0;
	struct sockaddr_in serv_addr;
	char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
	// 创建Socket
	if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
	perror("Socket creation error");
	return -1;
	}
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_port = htons(PORT);
	// 转换IP地址（示例：127.0.0.1）
	if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
	perror("Invalid address/Address not supported");
	return -1;
	}
	// 连接服务器
	if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
	perror("Connection Failed");
	return -1;
	}
	// 发送数据
	const char *message = "Hello from client!";
	send(sock, message, strlen(message), 0);
	printf("Message sent: %s\n", message);
	// 接收响应
	read(sock, buffer, BUFFER_SIZE);
	printf("Server response: %s\n", buffer);
	close(sock);
	return 0;
	}

• 详细注释：
  • socket()：创建Socket（AF_INET表示IPv4，SOCK_STREAM表示TCP）。
  • inet_pton()：将点分十进制IP转为二进制格式。
  • connect()：阻塞式连接，超时需设置SO_RCVTIMEO选项。
• 应用场景：客户端工具（如HTTP请求、即时通讯）。
• 常见问题：
  • 服务器未启动导致connect()失败。
  • 缓冲区溢出（需检查read()返回值）。

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2. TCP服务器（多线程处理客户端）

c

	#include <stdio.h>
	#include <stdlib.h>
	#include <string.h>
	#include <unistd.h>
	#include <arpa/inet.h>
	#include <pthread.h>
	#define PORT 8080
	#define BUFFER_SIZE 1024
	void *handleClient(void *arg) {
	int clientSock = *(int *)arg;
	char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
	read(clientSock, buffer, BUFFER_SIZE);
	printf("Received: %s\n", buffer);
	const char *response = "Hello from server!";
	send(clientSock, response, strlen(response), 0);
	close(clientSock);
	return NULL;
	}
	int main() {
	int serverSock, clientSock;
	struct sockaddr_in address;
	int opt = 1;
	int addrlen = sizeof(address);
	// 创建Socket
	if ((serverSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
	perror("Socket failed");
	exit(EXIT_FAILURE);
	}
	// 设置Socket选项（允许地址重用）
	if (setsockopt(serverSock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
	perror("setsockopt");
	exit(EXIT_FAILURE);
	}
	address.sin_family = AF_INET;
	address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	address.sin_port = htons(PORT);
	// 绑定Socket
	if (bind(serverSock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
	perror("Bind failed");
	exit(EXIT_FAILURE);
	}
	// 监听
	if (listen(serverSock, 3) < 0) {
	perror("Listen");
	exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("Server listening on port %d...\n", PORT);
	while (1) {
	// 接受客户端连接
	if ((clientSock = accept(serverSock, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen)) < 0) {
	perror("Accept");
	continue;
	}
	printf("Client connected: %s:%d\n",
	inet_ntoa(address.sin_addr), ntohs(address.sin_port));
	// 创建线程处理客户端
	pthread_t tid;
	if (pthread_create(&tid, NULL, handleClient, &clientSock) < 0) {
	perror("Thread creation failed");
	close(clientSock);
	continue;
	}
	pthread_detach(tid); // 分离线程，避免资源泄漏
	}
	return 0;
	}

• 详细注释：
  • setsockopt()：设置SO_REUSEADDR避免端口占用。
  • pthread_create()：为每个客户端创建独立线程。
  • pthread_detach()：线程退出时自动释放资源。
• 应用场景：Web服务器、聊天室。
• 扩展知识：
  • 使用线程池（如pthread_pool）优化性能。
  • 添加SSL/TLS加密（如OpenSSL库）。

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3. UDP客户端（发送广播消息）

c

	#include <stdio.h>
	#include <stdlib.h>
	#include <string.h>
	#include <unistd.h>
	#include <arpa/inet.h>
	#define PORT 8888
	#define BUFFER_SIZE 1024
	int main() {
	int sock = 0;
	struct sockaddr_in serv_addr;
	char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
	// 创建UDP Socket
	if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
	perror("Socket creation error");
	return -1;
	}
	// 启用广播选项
	int broadcastEnable = 1;
	if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &broadcastEnable, sizeof(broadcastEnable)) < 0) {
	perror("setsockopt (SO_BROADCAST)");
	return -1;
	}
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_port = htons(PORT);
	serv_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("255.255.255.255"); // 广播地址
	// 发送广播消息
	const char *message = "This is a broadcast message!";
	sendto(sock, message, strlen(message), 0,
	(const struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
	printf("Broadcast message sent: %s\n", message);
	close(sock);
	return 0;
	}

• 详细注释：
  • SOCK_DGRAM：UDP协议。
  • SO_BROADCAST：允许发送广播包。
  • 255.255.255.255：本地广播地址（需在子网内有效）。
• 应用场景：局域网设备发现（如打印机、游戏服务器）。
• 常见问题：
  • 路由器可能禁止广播包转发。
  • 防火墙可能拦截UDP端口。

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4. UDP服务器（接收广播消息）

c

	#include <stdio.h>
	#include <stdlib.h>
	#include <string.h>
	#include <unistd.h>
	#include <arpa/inet.h>
	#define PORT 8888
	#define BUFFER_SIZE 1024
	int main() {
	int sock = 0;
	struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
	char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
	socklen_t addrlen = sizeof(cli_addr);
	// 创建UDP Socket
	if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
	perror("Socket creation error");
	return -1;
	}
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	serv_addr.sin_port = htons(PORT);
	// 绑定Socket
	if (bind(sock, (const struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
	perror("Bind failed");
	return -1;
	}
	printf("UDP server listening on port %d...\n", PORT);
	while (1) {
	// 接收消息
	int n = recvfrom(sock, buffer, BUFFER_SIZE, 0,
	(struct sockaddr *)&cli_addr, &addrlen);
	buffer[n] = '\0';
	printf("Received from %s:%d: %s\n",
	inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port), buffer);
	}
	close(sock);
	return 0;
	}

• 详细注释：
  • recvfrom()：接收UDP数据包并返回发送方地址。
  • INADDR_ANY：监听所有网络接口。
• 应用场景：网络监控、实时数据采集。
• 扩展知识：
  • 多播（Multicast）替代广播（减少网络负担）。
  • 使用epoll（Linux）处理高并发UDP连接。

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5. HTTP GET请求（Socket实现）

c

	#include <stdio.h>
	#include <stdlib.h>
	#include <string.h>
	#include <unistd.h>
	#include <arpa/inet.h>
	#define PORT 80
	#define BUFFER_SIZE 4096
	int main() {
	int sock = 0;
	struct sockaddr_in serv_addr;
	char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
	// 创建Socket
	if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
	perror("Socket creation error");
	return -1;
	}
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_port = htons(PORT);
	// 解析域名（示例：example.com）
	struct hostent *host = gethostbyname("example.com");
	if (host == NULL) {
	perror("Host not found");
	return -1;
	}
	memcpy(&serv_addr.sin_addr, host->h_addr, host->h_length);
	// 连接服务器
	if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
	perror("Connection Failed");
	return -1;
	}
	// 发送HTTP GET请求
	const char *request = "GET / HTTP/1.1\r\nHost: example.com\r\n\r\n";
	send(sock, request, strlen(request), 0);
	// 接收响应
	int bytesRead;
	while ((bytesRead = read(sock, buffer, BUFFER_SIZE - 1)) > 0) {
	buffer[bytesRead] = '\0';
	printf("%s", buffer); // 输出HTML内容
	}
	close(sock);
	return 0;
	}

• 详细注释：
  • gethostbyname()：解析域名（需包含<netdb.h>）。
  • HTTP请求格式：GET / HTTP/1.1\r\nHost: ...\r\n\r\n。
• 应用场景：爬虫、API调用。
• 常见问题：
  • 服务器可能关闭连接（需处理Connection: close）。
  • 大响应需分块处理（避免缓冲区溢出）。

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6. 域名解析（gethostbyname）

c

	#include <stdio.h>
	#include <stdlib.h>
	#include <netdb.h>
	#include <arpa/inet.h>
	int main() {
	const char *hostname = "example.com";
	struct hostent *host = gethostbyname(hostname);
	if (host == NULL) {
	perror("Host not found");
	return 1;
	}
	printf("Official name: %s\n", host->h_name);
	printf("IP addresses:\n");
	for (int i = 0; host->h_addr_list[i] != NULL; i++) {
	char *ip = inet_ntoa(*(struct in_addr *)host->h_addr_list[i]);
	printf(" %s\n", ip); // 输出：93.184.216.34等
	}
	return 0;
	}

• 详细注释：
  • hostent结构体：包含主机名、别名列表、IP地址列表。
  • h_addr_list：以NULL结尾的IP地址数组。
• 应用场景：网络工具开发、日志分析。
• 扩展知识：
  • 使用getaddrinfo()替代（支持IPv6）。
  • 异步DNS解析（如c-ares库）。

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7. 端口扫描（基础实现）

c

	#include <stdio.h>
	#include <stdlib.h>
	#include <string.h>
	#include <unistd.h>
	#include <arpa/inet.h>
	#include <netdb.h>
	#define START_PORT 1
	#define END_PORT 1024
	#define TIMEOUT 1 // 秒
	int isPortOpen(const char *ip, int port) {
	int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (sock < 0) return 0;
	struct sockaddr_in serv_addr;
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_port = htons(port);
	inet_pton(AF_INET, ip, &serv_addr.sin_addr);
	// 设置超时
	struct timeval tv;
	tv.tv_sec = TIMEOUT;
	tv.tv_usec = 0;
	setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &tv, sizeof(tv));
	// 尝试连接
	if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) == 0) {
	close(sock);
	return 1;
	}
	close(sock);
	return 0;
	}
	int main() {
	const char *ip = "127.0.0.1";
	printf("Scanning ports %d-%d on %s...\n", START_PORT, END_PORT, ip);
	for (int port = START_PORT; port <= END_PORT; port++) {
	if (isPortOpen(ip, port)) {
	printf("Port %d is open\n", port);
	}
	}
	return 0;
	}

• 详细注释：
  • SO_RCVTIMEO：设置连接超时。
  • 扫描范围：1-1024（常见服务端口）。
• 应用场景：网络安全测试。
• 注意事项：
  • 未经授权扫描可能违法。
  • 需处理防火墙拦截（如RST包）。

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8. 文件传输（TCP Socket）

c

	#include <stdio.h>
	#include <stdlib.h>
	#include <string.h>
	#include <unistd.h>
	#include <arpa/inet.h>
	#define PORT 8080
	#define BUFFER_SIZE 1024
	void sendFile(int sock, const char *filename) {
	FILE *file = fopen(filename, "rb");
	if (file == NULL) {
	perror("Failed to open file");
	return;
	}
	char buffer[BUFFER_SIZE];
	size_t bytesRead;
	while ((bytesRead = fread(buffer, 1, BUFFER_SIZE, file)) > 0) {
	send(sock, buffer, bytesRead, 0);
	}
	fclose(file);
	printf("File sent: %s\n", filename);
	}
	int main() {
	int sock = 0;
	struct sockaddr_in serv_addr;
	// 创建Socket
	if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
	perror("Socket creation error");
	return -1;
	}
	serv_addr.sin_family = AF_INET;
	serv_addr.sin_port = htons(PORT);
	inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr);
	// 连接服务器
	if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
	perror("Connection Failed");
	return -1;
	}
	// 发送文件名
	const char *filename = "test.txt";
	send(sock, filename, strlen(filename), 0);
	// 发送文件内容
	sendFile(sock, filename);
	close(sock);
	return 0;
	}

• 详细注释：
  • 先发送文件名，再传输文件内容。
  • 需服务器端配合接收并保存文件。
• 扩展知识：
  • 添加校验和（如MD5）验证文件完整性。
  • 分块传输（支持大文件）。

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9. 简单聊天室（TCP多客户端）

c

	#include <stdio.h>
	#include <stdlib.h>
	#include <string.h>
	#include <unistd.h>
	#include <arpa/inet.h>
	#include <pthread.h>
	#define PORT 8080
	#define MAX_CLIENTS 10
	#define BUFFER_SIZE 1024
	int clientSocks[MAX_CLIENTS] = {0};
	void broadcastMessage(const char *message, int senderSock) {
	for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
	if (clientSocks[i] != 0 && clientSocks[i] != senderSock) {
	send(clientSocks[i], message, strlen(message), 0);
	}
	}
	}
	void *handleClient(void *arg) {
	int clientSock = *(int *)arg;
	char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};
	int bytesRead;
	while ((bytesRead = read(clientSock, buffer, BUFFER_SIZE)) > 0) {
	buffer[bytesRead] = '\0';
	printf("Client %d: %s", clientSock, buffer);
	char response[BUFFER_SIZE + 20];
	snprintf(response, sizeof(response), "Client %d: %s", clientSock, buffer);
	broadcastMessage(response, clientSock);
	}
	// 客户端断开
	printf("Client %d disconnected\n", clientSock);
	close(clientSock);
	for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
	if (clientSocks[i] == clientSock) {
	clientSocks[i] = 0;
	break;
	}
	}
	return NULL;
	}
	int main() {
	int serverSock, clientSock;
	struct sockaddr_in address;
	int opt = 1;
	int addrlen = sizeof(address);
	// 创建Socket
	if ((serverSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
	perror("Socket failed");
	exit(EXIT_FAILURE);
	}
	if (setsockopt(serverSock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
	perror("setsockopt");
	exit(EXIT_FAILURE);
	}
	address.sin_family = AF_INET;
	address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
	address.sin_port = htons(PORT);
	if (bind(serverSock, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
	perror("Bind failed");
	exit(EXIT_FAILURE);
	}
	if (listen(serverSock, 3) < 0) {
	perror("Listen");
	exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("Chat server started on port %d...\n", PORT);
	while (1) {
	if ((clientSock = accept(serverSock, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen)) < 0) {
	perror("Accept");
	continue;
	}
	// 查找空闲槽位
	int i;
	for (i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
	if (clientSocks[i] == 0) {
	clientSocks[i] = clientSock;
	break;
	}
	}
	if (i == MAX_CLIENTS) {
	printf("Max clients reached. Rejecting client %d\n", clientSock);
	close(clientSock);
	continue;
	}
	printf("New client connected: %d\n", clientSock);
	pthread_t tid;
	if (pthread_create(&tid, NULL, handleClient, &clientSock) < 0) {
	perror("Thread creation failed");
	close(clientSock);
	continue;
	}
	pthread_detach(tid);
	}
	return 0;
	}

• 详细注释：
  • clientSocks数组：管理所有客户端连接。
  • broadcastMessage()：向其他客户端广播消息。
• 应用场景：实时通讯工具。
• 扩展知识：
  • 添加用户认证（如用户名/密码）。
  • 使用select/poll替代多线程（简化资源管理）。

---

10. 网络字节序转换

c

	#include <stdio.h>
	#include <arpa/inet.h>
	int main() {
	uint32_t hostValue = 0x12345678;
	uint32_t netValue = htonl(hostValue); // 主机序转网络序
	printf("Host: 0x%08X, Network: 0x%08X\n", hostValue, netValue);
	uint32_t backToHost = ntohl(netValue); // 网络序转主机序
	printf("Back to host: 0x%08X\n", backToHost);
	// 16位整数转换
	uint16_t hostShort = 0x1234;
	uint16_t netShort = htons(hostShort);
	printf("Host short: 0x%04X, Network short: 0x%04X\n", hostShort, netShort);
	return 0;
	}

• 详细注释：
  • htonl()/ntohl()：32位整数转换。
  • htons()/ntohs()：16位整数转换。
• 应用场景：跨平台网络协议实现。
• 常见问题：
  • 忽略字节序导致数据解析错误。
  • 浮点数需自定义序列化（如IEEE 754标准）。

---

扩展知识

1. 高性能网络编程：
   • 使用epoll（Linux）或kqueue（macOS/BSD）处理高并发。
   • 零拷贝技术（如sendfile）。
2. 安全建议：
   • 验证输入数据（防止缓冲区溢出）。
   • 使用加密协议（如TLS）。
3. 协议设计：
   • 自定义二进制协议（如<length><data>格式）。
   • 使用现有协议（如HTTP/2、WebSocket）。

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