深入理解Socket编程：构建简单的计算器服务器

已于 2025-04-13 20:46:51 修改
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于 2025-04-07 21:32:48 首次发布
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一、Socket通信基础

1. Socket通信基本流程

服务器端流程：

  1. 创建Socket (socket())

  2. 绑定地址和端口 (bind())

  3. 监听连接 (listen())

  4. 接受连接 (accept())

  5. 数据通信 (read()/write())

  6. 关闭连接 (close())

客户端流程：

  1. 创建Socket (socket())

  2. 连接服务器 (connect())

  3. 数据通信 (read()/write())

  4. 关闭连接 (close())

2. 关键数据结构

struct sockaddr_in 用于存储IPv4地址信息：

struct sockaddr_in {
    short            sin_family;   // 地址族，如AF_INET
    unsigned short   sin_port;     // 端口号
    struct in_addr   sin_addr;     // IP地址
    char             sin_zero[8];  // 填充字段
};

struct in_addr {
    unsigned long s_addr;  // 32位IPv4地址
};

二、服务器代码详解

1. 头文件引入

#include <stdio.h>    // 标准输入输出
#include <stdlib.h>   // 标准库函数
#include <string.h>   // 字符串处理
#include <unistd.h>   // POSIX系统调用
#include <sys/types.h> // 系统数据类型
#include <sys/socket.h> // Socket相关函数
#include <netinet/in.h> // Internet地址族

这些头文件提供了Socket编程所需的基本功能。

2. 错误处理函数

void error(const char *msg) {
    perror(msg);    // 打印错误信息
    exit(1);        // 异常退出
}

perror()会根据全局变量errno打印描述性错误信息。

3. 主函数结构

int main(int argc, char *argv[]) {
    if(argc < 2) {
        fprintf(stderr,"Port no not provided, Program terminated");
        exit(1);
    }
    // ... 其余代码
}

检查命令行参数，确保提供了端口号。

4. 变量声明

int sockfd, newsockfd, portno;
char buffer[255];
struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
socklen_t clilen;

  • sockfd: 监听Socket的文件描述符

  • newsockfd: 与客户端通信的Socket文件描述符

  • serv_addr/cli_addr: 服务器/客户端地址信息

  • clilen: 客户端地址结构长度

5. 创建Socket

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sockfd < 0) {
    error("Error opening Socket.");
}

socket()函数参数：

  • AF_INET: IPv4地址族

  • SOCK_STREAM: 面向连接的TCP Socket

  • 0: 默认协议(TCP)

6. 初始化服务器地址

bzero((char *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
portno = atoi(argv[1]);

serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
serv_addr.sin_port = htons(portno);

  • bzero(): 清零内存区域

  • INADDR_ANY: 监听所有网络接口

  • htons(): 将端口号转换为网络字节序(大端)

7. 绑定Socket

if(bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
    error("Binding Failed.");

bind()将Socket与地址和端口绑定。

8. 监听连接

listen(sockfd,5);

listen()开始监听连接，参数5指定等待连接队列的最大长度。

9. 接受连接

newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&cli_addr,&clilen);
if(newsockfd < 0)
    error("Error on Accept");

accept()接受客户端连接，返回新的Socket文件描述符用于通信。

10. 计算器业务逻辑

int num1, num2, ans, choice,n;
S: n = write(newsockfd,"Enter Number 1 : ",strlen("Enter Number 1")); 
if (n < 0) error("Error writing to socket");
read(newsockfd, &num1, sizeof(int));
printf("Client - Number 1 is : %d \n",num1);

// ... 类似处理num2和choice

switch (choice) {
case 1:
    ans = num1 + num2;
    break;
case 2:
    ans = num1 - num2;
    break;
case 3:
    ans = num1 * num2;
    break;
case 4:
    ans = num1 / num2;
    break;
case 5:
    goto Q;
    break;
}

write(newsockfd,&ans,sizeof(int));
if(choice != 5)
    goto S;

这里实现了简单的计算器功能，使用goto实现循环逻辑。

11. 关闭连接

Q:    
close(newsockfd);
close(sockfd);
return 0;

三、关键函数深度解析

1. socket()

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

  • 功能：创建通信端点

  • 参数：

    • domain: 通信域(AF_INET, AF_INET6等)

    • type: 通信语义(SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM等)

    • protocol: 通常为0，表示默认协议

  • 返回值：成功返回文件描述符，失败返回-1

2. bind()

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

  • 功能：将Socket与地址绑定

  • 参数：

    • sockfd: Socket文件描述符

    • addr: 指向地址结构的指针

    • addrlen: 地址结构大小

  • 返回值：成功返回0，失败返回-1

3. listen()

int listen(int sockfd, int backlog);

  • 功能：开始监听连接请求

  • 参数：

    • sockfd: Socket文件描述符

    • backlog: 等待连接队列的最大长度

  • 返回值：成功返回0，失败返回-1

4. accept()

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

  • 功能：接受连接请求

  • 参数：

    • addr: 用于存储客户端地址

    • addrlen: 地址结构大小

  • 返回值：成功返回新的Socket文件描述符，失败返回-1

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

void error(const char *msg)
{
    perror(msg);
    exit(1);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc < 2)
    {
        fprintf(stderr,"Port no not provided, Program terminated");
        exit(1);
    }

    int sockfd, newsockfd, portno;
    char buffer[255];

    struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
    socklen_t clilen;
     
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sockfd < 0)
    {
        error ("Error opening Socket.");
    }

    bzero((char *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    portno = atoi(argv[1]);

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    serv_addr.sin_port = htons(portno);

    if(bind(sockfd , (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
        error("Binding Failed.");

    listen(sockfd,5);
    clilen = sizeof(cli_addr);
     
    newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&cli_addr,&clilen);

    if(newsockfd < 0)
        error("Error on Accept");

    int num1, num2, ans, choice,n;
  S: n = write(newsockfd,"Enter Number 1 : ",strlen("Enter Number 1")); 
   if (n < 0) error("Error writing to socket");
    read(newsockfd, &num1, sizeof(int));
    printf("Client - Number 1 is : %d \n",num1);

    n = write(newsockfd,"Enter Number 2 : ",strlen("Enter Number 2")); 
    if (n < 0) error("Error writing to socket");
    read(newsockfd, &num2, sizeof(int));
    printf("Client - Number 2 is : %d \n",num2);

    n = write(newsockfd,"Enter your choice: \n1.Addition\n2.subtraction\n3.Multiplication\n4.Division\n5.Exit\n",strlen("Enter your choice: \n1.Addition\n2.subtraction\n3.Multiplication\n4.Division\n5.Exit\n"));
    if(n < 0) error("ERROR writing to socket");
    read(newsockfd, &choice, sizeof(int));
    printf("Client - choice is :%d\n",choice);

    switch (choice)
    {
    case 1:
        ans = num1 + num2;
        break;

    case 2:
        ans = num1 - num2;
        break;
    
    case 3:
        ans = num1 * num2;
        break;
    
    case 4:
        ans = num1 / num2;
        break;

    case 5:
        goto Q;
        break;
    
   
    }

    write(newsockfd,&ans,sizeof(int));
    if(choice != 5)
        goto S;

Q:    
    close(newsockfd);
    close(sockfd);
    return 0;



}
/*
filename server_ipaddress portno

argc[0] filename
argv[1] serve_ipaddress
argv[2] portno
*/

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

void error(const char *msg)
{
    perror(msg);
    exit(0);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    int sockfd, portno, n;
    char buffer[256];

    struct sockaddr_in serv_addr;
    struct hostent *server;
    if (argc < 3)
    {
        fprintf(stderr, "usage %s hostname port\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    
    portno = atoi(argv[2]);
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sockfd < 0)
    {
        error ("Error opening Socket.");
    }

    server = gethostbyname(argv[1]);
    if(server == NULL)
    {
        fprintf(stderr, "Error,no such host");
    }
     
    bzero((char *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    bcopy((char *)server->h_addr, (char *)&serv_addr.sin_addr.s_addr, server->h_length);
    serv_addr.sin_port = htons(portno);
    if(connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0)
    {
        error("Connection Failed");
    }

   int num1, num2, choice, ans;
   S:
   bzero(buffer,256);
   n = read (sockfd, buffer, 255);
   if( n < 0 )
    error("ERROR reading from socket");
    printf("Server - %s\n",buffer);
    scanf("%d",&num1);
    write(sockfd, &num1,sizeof(int));

    bzero(buffer,256);
   n = read (sockfd, buffer, 255);
   if( n < 0 )
    error("ERROR reading from socket");
    printf("Server - %s\n",buffer);
    scanf("%d",&num2);
    write(sockfd, &num2,sizeof(int));

    bzero(buffer,256);
   n = read (sockfd, buffer, 255);
   if( n < 0 )
    error("ERROR reading from socket");
    printf("Server - %s\n",buffer);
    scanf("%d",&choice);
    write(sockfd, &choice,sizeof(int));

    if (choice == 5)
    goto Q;

    read(sockfd, &ans ,sizeof(int));
    printf("Server- The answer is :%d\n",ans);

    if(choice !=5)
         goto S;

    Q:
    printf("You have selected to exit.Exit Successful");
    close(sockfd);
    return 0;
   
}

一、函数参数记忆框架（TCP Socket版）

1. 核心思维："3W1H"模型

  • Where (地址相关)：sockaddr_in, addrlen

  • What (数据相关)：buffer, strlen

  • Which (标识符)：sockfd, newsockfd

  • How (方式)：flags (通常填0)

2. 函数参数速记表
函数参数顺序助记口诀必须记住的参数
socket()"家-门-钥匙"AF_INET, SOCK_STREAM, 0
bind()"门牌-地址本-地址长度"sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)
listen()"门牌-候客室大小"sockfd, 5 (backlog)
accept()"门牌-客户登记表-表长度"sockfd, cli_addr, &clilen
connect()"门牌-目的地地址-地址长度"sockfd, serv_addr, sizeof(serv_addr)
read()/write()"信箱-纸条-纸条大小"newsockfd, buffer, sizeof(buffer)

二、参数分类记忆法

1. 地址家族三件套

serv_addr.sin_family = AF_INET;        // IPv4
serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 所有IP
serv_addr.sin_port = htons(portno);    // 端口转换

  • 记忆口诀："家-门-方向牌"（family-address-port）

2. 类型转换四重奏

// 指针转换
(struct sockaddr*)&serv_addr

// 字节序转换
htons()    // host to network short
htonl()    // host to network long
ntohs()    // network to host short
ntohl()    // network to host long

  • 记忆技巧："h→n是出门，n→h是回家"

三、实战填参模板

1. 服务端标准流程

// 1. 创建socket（三固定参数）
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

// 2. 绑定地址（结构体强制转换）
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

// 3. 接受连接（注意&clilen）
accept(sockfd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &clilen);
2. 客户端连接模板

connect(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

四、常见参数填错场景

错误场景正确写法记忆要点
忘记地址结构体转换(struct sockaddr*)&serv_addr"套外套"法则
传值 vs 传地址混淆&clilen 而不是 clilenaccept()要修改长度值
字节序未转换htons(portno)所有网络传输的数据都要转换
buffer大小计算错误read(fd, buf, sizeof(buf))用sizeof而不是strlen

五、调试技巧

  1. 参数检查清单：

    • 所有网络字节序转换了吗？

    • 地址结构体转换了吗？

    • 长度参数传地址了吗？

    • 错误处理都写了吗？

  2. GDB调试命令：

      
    (gdb) p serv_addr  # 查看地址结构体
(gdb) p &serv_addr # 确认指针类型

六、类比记忆法

函数现实类比关键参数对应关系
socket()买手机手机类型=AF_INET
bind()办手机卡电话号码=portno
listen()开机最大未接来电=backlog
accept()接听来电来电显示=cli_addr
connect()拨打电话对方号码=serv_addr

七、进阶记忆法（协议栈层次）

应用层：buffer数据
传输层：SOCK_STREAM/SOCK_DGRAM
网络层：AF_INET/AF_INET6
链路层：系统自动处理

记住：从上到下越来越底层，从下到上越来越抽象

羊羊一洋
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