【C语言系统编程】【第三部分：网络编程】3.1 套接字编程（TCP/UDP基础）

🕗 发布于 2024-10-03 18:54 网络 c语言 tcp/ip

第三部分：网络编程

3.1 套接字编程（TCP/UDP基础）

3.1.1 套接字基础

3.1.1.1 套接字概念与类型

套接字（Socket）是网络编程的基础，它提供了一种进程间通信的机制。根据传输特点，套接字主要分为以下两种类型：

流套接字（Stream Socket）：适用于TCP协议，提供了可靠、面向连接的字节流服务。数据传输有序、不丢失且无重复。
数据报套接字（Datagram Socket）：适用于UDP协议，提供了无连接、尽力而为的服务。不保证数据按顺序到达、数据可能丢失或重复。

3.1.1.2 套接字地址结构

套接字地址用于表示网络上的主机和端口，包括以下几种常用结构：

sockaddr：通用套接字地址结构，通常作为其他具体地址结构的基类使用。

sockaddr_in：用于IPv4地址，包括如下成员：

struct sockaddr_in {
    short int sin_family;   // 地址族（AF_INET）
    unsigned short int sin_port;   // 端口号
    struct in_addr sin_addr;   // IP地址
    unsigned char sin_zero[8];   // 填充字节，保证结构大小
};

sockaddr_in6：用于IPv6地址，包括如下成员：

struct sockaddr_in6 {
    u_int16_t sin6_family;   // 地址族（AF_INET6）
    u_int16_t sin6_port;   // 端口号
    u_int32_t sin6_flowinfo;   // 流量信息
    struct in6_addr sin6_addr;   // IPv6地址
    u_int32_t sin6_scope_id;   // Scope ID
};

3.1.1.3 网络字节序与主机字节序转换

在网络编程中，数据的字节序（即在内存中存储多字节数据的方式）是一个重要概念。网络协议通常使用"大端字节序"（Big-endian），而不同主机可能使用"小端字节序"（Little-endian）。以下函数用于在主机字节序和网络字节序之间转换：

htonl（Host to Network Long）：将32位整数从主机字节序转换为网络字节序。
```
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
```
ntohl（Network to Host Long）：将32位整数从网络字节序转换为主机字节序。
```
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
```
htons（Host to Network Short）：将16位整数从主机字节序转换为网络字节序。
```
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
```
ntohs（Network to Host Short）：将16位整数从网络字节序转换为主机字节序。
```
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
```

这些转换函数在网络编程中至关重要，因为它们确保在不同架构的系统之间的通信中数据能被正确解释。

IPv4示例代码

以下是一个使用套接字连接TCP服务器的简单示例，展示了如何使用上述地址结构和字节序转换函数：

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

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;

    // 创建套接字 [1]
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置服务器地址 [2]
    server_addr.sin_family = AF_INET;   // [3]
    server_addr.sin_port = htons(8080); // 端口号使用 htons 转换 [4]
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // 本地主机 [5]

    // 连接到服务器 [6]
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("connect");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("连接到服务器成功\n");

    // 关闭套接字 [7]
    close(sockfd);
    return 0;
}

在上述示例中，我们创建了一个TCP种类的套接字，并连接到本地主机的8080端口。连接成功后，会打印一条消息并关闭套接字。

[1] 创建套接字：socket() 函数用于创建一个套接字，AF_INET 表示使用 IPv4，SOCK_STREAM 表示使用 TCP 协议，0 表示使用默认协议。成功时返回套接字描述符，失败时返回 -1。
[2] 设置服务器地址：我们需要指定服务器的 IP 地址和端口号以建立连接。
[3] 设置地址族：server_addr.sin_family = AF_INET; 设置地址族为 IPv4。
[4] 端口号转换：htons(8080) 将端口号 8080 转换为网络字节序，htons 表示 “host to network short”（主机到网络短整数）。这一操作确保了字节序的正确性，因为网络的字节序通常不同于计算机的字节序。
[5] 本地主机地址转换：inet_addr("127.0.0.1") 将 IP 地址字符串 “127.0.0.1” 转换为网络字节序的整数。127.0.0.1 是环回地址，表示本地主机。
[6] 连接到服务器：connect() 函数用于请求与指定服务器的连接。需要传入套接字描述符、服务器地址结构指针以及该结构的大小。若连接失败，connect 函数返回 -1。
[7] 关闭套接字：close(sockfd) 关闭套接字套接字描述符，释放系统资源。

IPv6示例代码

以下是一个使用套接字连接到一个支持 IPv6 的 TCP 服务器的简单示例，展示了如何使用 sockaddr_in6 结构体来处理 IPv6 地址：

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

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in6 server_addr;

    // 创建套接字 [1]
    if ((sockfd = socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置服务器地址 [2]
    server_addr.sin6_family = AF_INET6;  // 设置地址族为 IPv6 [3]
    server_addr.sin6_port = htons(8080); // 端口号使用 htons 转换 [4]
    inet_pton(AF_INET6, "::1", &server_addr.sin6_addr); // 本地主机 IPv6 地址 [5]
    server_addr.sin6_flowinfo = 0; // 流量信息不设置 [6]
    server_addr.sin6_scope_id = 0; // Scope ID 不设置 [7]

    // 连接到服务器 [8]
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("connect");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("连接到服务器成功\n");

    // 关闭套接字 [9]
    close(sockfd);
    return 0;
}

在上述示例中，我们创建了一个支持 IPv6 的 TCP 套接字，并连接到支持 IPv6 的本地服务器的8080端口。连接成功后，程序会打印一条消息并关闭套接字。

[1] 创建套接字：socket() 函数用于创建 IPv6 套接字，AF_INET6 表示使用 IPv6 地址，SOCK_STREAM 表示使用 TCP 协议，0 表示使用默认协议。成功时返回套接字描述符，失败时返回 -1。
[2] 设置服务器地址：为 IPv6，我们指定需要使用的 IPv6 地址和端口号。
[3] 设置地址族：server_addr.sin6_family = AF_INET6; 设置为 IPv6 地址族。
[4] 端口号转换：htons(8080) 将端口号 8080 转换到网络字节序。
[5] 本地主机地址转换：使用 inet_pton 函数将字符串形式的 IPv6 地址 “::1”（也即 IPv6 的环回地址，类似于 IPv4 的 127.0.0.1）转换到网络字节序。
[6] 流量信息：sin6_flowinfo 设置成 0，通常用于服务质量 (QoS) 和流标签。
[7] Scope ID：对于环回地址，这里为 0。Scope ID 用于标识链路本地 IPv6 地址的接口。
[8] 连接到服务器：与 IPv4 中的 connect() 类似，用于请求与指定 IPv6 服务器的连接。
[9] 关闭套接字：释放系统资源，关闭套接字描述符。

3.1.2 TCP 编程

在进行网络编程时，TCP（传输控制协议）是一种常见的选择，因其提供了可靠的、有序的、基于连接的数据传输服务。以下内容将详细介绍如何使用C语言进行TCP编程。

3.1.2.1 TCP 套接字的创建与配置 (`socket`, `setsockopt`)

套接字创建
- 使用 socket 函数创建TCP套接字。socket 函数通常使用如下形式：
```
int socket(int domain, int type, int protocol);
```
  - domain：协议族，比如 AF_INET 表示IPv4协议。
  - type：套接字类型，比如 SOCK_STREAM 表示流套接字。
  - protocol：一般设为 0，默认值代表TCP。
- 示例代码：
```
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
    perror("socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
```
套接字配置
- 使用 setsockopt 函数配置套接字选项以提高通信效率、解决地址复用问题等：
```
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
```
  - sockfd：套接字描述符。
  - level：选项所在的协议层，比如 SOL_SOCKET 表示套接字层。
  - optname：指定需要设置的选项名，如 SO_REUSEADDR。
  - optval：选项对应的值。
  - optlen：optval 的长度。
  - 示例代码设置地址复用：
```
int opt = 1;
if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)) < 0) {
    perror("setsockopt failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
```

3.1.2.2 服务器端编程（`bind`, `listen`, `accept`）

绑定（bind）

绑定套接字到特定的地址与端口上，使服务器可以接收客户端的连接请求：

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

sockfd：套接字描述符。
addr：服务器地址和端口号，采用 struct sockaddr 结构体来存储。
addrlen：addr 的长度。
示例代码：

struct sockaddr_in address;
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定到所有可用地址
address.sin_port = htons(PORT); // 将端口号转换为网络字节序

if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
    perror("bind failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

监听（listen）
- listen 函数将套接字设为被动模式，用于接收客户端连接：
```
int listen(int sockfd, int backlog);
```
  - sockfd：套接字描述符。
  - backlog：等待连接队列的最大长度。指明了内核为此套接字排队的最大连接数。
  - 示例代码：
```
if (listen(sockfd, 3) < 0) {
    perror("listen failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
```
接受连接（accept）
- accept 函数提取待处理连接请求，为每个连接分配一个新的套接字：
```
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
```
  - sockfd：监听套接字的描述符。
  - addr：指向一个用于存储已连接客户端地址信息的 struct sockaddr 结构体。
  - addrlen：指向一个值的指针，最初这个值指定客户端地址结构体 addr 的大小，函数返回时更新为实际客户端地址的大小。
  - 示例代码：
```
int new_socket;
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t addrlen = sizeof(client_address);

new_socket = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_address, &addrlen);
if (new_socket < 0) {
    perror("accept failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Connection accepted.\n");
```

3.1.2.3 客户端编程（`connect`）

连接服务器（connect）

connect 函数用于客户端尝试连接服务器：

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

示例代码连接服务器：

struct sockaddr_in server_address;
server_address.sin_family = AF_INET;
server_address.sin_port = htons(PORT);
if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_address.sin_addr) <= 0) {
    perror("invalid address/ Address not supported");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address)) < 0) {
    perror("connection failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Connected to server.\n");

3.1.2.4 数据传输（`send`, `recv`）

发送数据（send）
- send 函数用于将数据从客户端/服务器发送到另一端：
```
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
```
  - sockfd：套接字描述符，标识要发送数据的套接字。
  - buf：指向包含要发送数据的缓冲区。
  - len：要发送的数据长度，以字节为单位。
  - flags：发送数据的标志，可以是 0 或使用位掩码组合的其他标志（如 MSG_DONTWAIT）。
  - 示例代码：
```
char *message = "Hello, World!";
send(new_socket, message, strlen(message), 0);
printf("Message sent.\n");
```
接收数据（recv）
- recv 函数用于从连接中接收数据：
```
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
```
  - sockfd：套接字描述符，从中接收数据。
  - buf：指向用于存储接收数据的缓冲区。
  - len：缓冲区的大小，以字节为单位。
  - flags：接收操作的标志，操作的修改行为，如 MSG_WAITALL，MSG_PEEK。
  - 示例代码：
```
char buffer[1024] = {0};
int valread = recv(new_socket, buffer, 1024, 0);
printf("Received: %s\n", buffer);
```

3.1.2.5 连接关闭（`close`, `shutdown`）

连接关闭（close）
- close 函数用于关闭套接字及其创建的连接：
```
int close(int fd);
```
  - fd：需要关闭的文件描述符，通常表示一个打开的套接字。
  - 示例代码：
```
close(new_socket);
```
关闭连接（shutdown）
- shutdown 函数用于关闭部分连接，即停止进一步发送或接收数据：
```
int shutdown(int sockfd, int how);
```
  - how 参数：
    - SHUT_RD：关闭读但继续写。
    - SHUT_WR：关闭写但继续读。
    - SHUT_RDWR：关闭读写。
  - 示例代码：
```
shutdown(sockfd, SHUT_RDWR);
```

3.1.3 UDP 编程

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的协议，与面向连接的TCP不同，UDP更轻量、无需建立连接，因此常用于对时延要求高但不需要可靠传输的场景。下面是关于UDP编程的详细讲解：

3.1.3.1 UDP 套接字的创建与配置 (`socket`, `setsockopt`)

套接字的创建：

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

int main() {
    int sockfd;
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 创建UDP套接字 [1]
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("UDP socket created successfully\n");
    close(sockfd);
    return 0;
}

[1] 创建UDP套接字：socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0) 创建了一个IPv4的UDP套接字。AF_INET 表示IPv4地址族，SOCK_DGRAM表示数据报套接字，0 表示默认协议。

套接字选项配置：

// 省略必要的#include和main函数启动部分
int opt = 1;
if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) { // 配置套接字选项 [2]
    perror("setsockopt failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Socket options set successfully\n");

[2] 配置套接字选项：setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)) 设置套接字的选项。SO_REUSEADDR 允许在套接字关闭后立即重新使用该端口。

3.1.3.2 服务器端编程（`bind`）

// 省略必要的#include和main函数启动部分
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET; // IPv4
servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 监听所有接口
servaddr.sin_port = htons(PORT); // 端口

if (bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) { // 绑定 [3]
    perror("bind failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Bind to port %d successful\n", PORT);

[3] 绑定：bind(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) 将IP地址和端口绑定到套接字上。INADDR_ANY表示绑定到所有可用接口。

3.1.3.3 数据发送与接收（`sendto`, `recvfrom`）

数据发送：

char *message = "Hello, UDP!";
struct sockaddr_in cliaddr;
memset(&cliaddr, 0, sizeof(cliaddr));
cliaddr.sin_family = AF_INET;
cliaddr.sin_port = htons(CLIENT_PORT);
cliaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

int n = sendto(sockfd, message, strlen(message), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *) &cliaddr, sizeof(cliaddr)); // 发送数据 [4]
if (n < 0) {
    perror("sendto failed");
} else {
    printf("Message sent.\n");
}

[4] 发送数据：sendto(sockfd, message, strlen(message), MSG_CONFIRM, (const struct sockaddr *) &cliaddr, sizeof(cliaddr)) 将数据发送到指定的地址和端口。
- sockfd：套接字描述符，标识要使用的套接字。
- message：指向要发送数据的缓冲区，在此例中是一个字符串 "Hello, UDP!"。
- strlen(message)：要发送数据的长度，以字节为单位。这一参数确保只发送指定长度的数据。
- MSG_CONFIRM：标志参数，用于指定发送操作的特定选项，例如 MSG_CONFIRM 表示在某些协议中需要确认（该标志在 UDP 中实际上不常用）。
- (const struct sockaddr *) &cliaddr：指向包含目标地址和端口信息的 sockaddr 结构的指针。在此例中，cliaddr 包含了目标 IP 地址和端口。
- sizeof(cliaddr)：目标地址结构的长度。指明 cliaddr 的大小，让函数正确理解地址结构的长度。

数据接收：

char buffer[MAXLINE];
struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t len = sizeof(cliaddr);

int n = recvfrom(sockfd, buffer, MAXLINE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *) &cliaddr, &len); // 接收数据 [5]
if (n < 0) {
    perror("recvfrom failed");
} else {
    buffer[n] = '\0'; // 添加字符串终止符
    printf("Client : %s\n", buffer);
}

[5] 接收数据：recvfrom(sockfd, buffer, MAXLINE, MSG_WAITALL, (struct sockaddr *) &cliaddr, &len) 从指定的地址和端口接收数据。
- sockfd：套接字描述符，用于标识接收数据的套接字。
- buffer：用于存储接收到的数据的缓冲区。
- MAXLINE：接收缓冲区的最大字节数，buffer 的大小。
- MSG_WAITALL：接收选项标志。此标志表示在完整接收到请求字节的数据之前，调用不会返回。可以根据需要选择其他标志，如 0。
- (struct sockaddr *) &cliaddr：指向存储来源地址信息的指针。cliaddr 是一个用于保存发送端地址信息的结构体。
- &len：指向一个变量的指针，存储 cliaddr 结构体的大小，并在接收函数返回时，包含发送端地址的实际长度。

3.1.3.4 连接管理（无连接特性分析）

UDP是无连接的，即在发送数据前不需要与对方建立连接。每个数据包（数据报）独立发送，可能会乱序到达或丢失，因此需要应用层实现可靠性保证。

3.1.3.5 数据报的丢失与重传机制

在UDP中，由于无连接特性，数据包可能丢失、重复或乱序到达。实际应用中通常需要在应用层实现：

重传机制：超时未收到ACK则重传数据。
序列号机制：为每个数据包加上序列号，以便接收方按序重组。
校验和检查：用来检查数据完整性。

综上所述，UDP编程的核心在于通过创建和配置套接字、实现数据的发送与接收，并结合应用层机制来应对数据丢失及乱序问题。希望以上讲解对你的项目开发有所帮助。

3.1.4 高级套接字编程技巧

3.1.4.1 非阻塞套接字与多路复用（`select`, `poll`, `epoll`）

在高级网络编程中，非阻塞I/O与多路复用技术是处理高并发连接的关键。非阻塞I/O使套接字在I/O操作时不会阻塞进程，多路复用则允许程序同时监视多个套接字，提升效率。

非阻塞套接字
- 设置方法：使用 fcntl 函数将套接字设置为非阻塞模式。
```
#include <fcntl.h>
    int set_nonblocking(int sock) { // [1]
    int flags = fcntl(sock, F_GETFL, 0); // [2][3]
    if (flags == -1) return -1;
    return fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); // [4]
}
```
  - sock：要设置为非阻塞模式的套接字描述符。
  - flags：套接字的当前标志位，通过 fcntl 的 F_GETFL 命令获取。
  - fcntl(sock, F_GETFL, 0)：获取 sock 当前的文件状态标志。
  - fcntl(sock, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK)：将套接字设为非阻塞模式，在现有标志位的基础上添加 O_NONBLOCK，更新文件状态标志。
select
- 用于监视一组文件描述符（套接字），在任何一个或多个文件描述符变为可读、可写或有错误时返回。
```
fd_set readfds; // [1]
FD_ZERO(&readfds); // [2]
FD_SET(sock, &readfds); // [3]
int result = select(sock + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout); // [4]
if (result > 0 && FD_ISSET(sock, &readfds)) { // [5]
    // sock 变为可读
}
```
  - readfds：一个文件描述符集合，用于存储需要监视的文件描述符，检查它们是否可读。
  - FD_ZERO(&readfds)：初始化文件描述符集合 readfds，将其清空。
  - FD_SET(sock, &readfds)：将套接字 sock 添加到 readfds 集合中，用于监控其可读事件。
  - select(sock + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout)：
    - sock + 1：第一个参数指定监视的文件描述符范围，即待监控的最大描述符加一（因数组索引从零开始）。
    - &readfds：第二个参数指定需要检查可读性的文件描述符集合。
    - NULL：第三个和第四个参数用于检查可写性和异常情况的文件描述符集合，设置为 NULL 表示不检查。
    - &timeout：第五个参数为 select 等待的超时时间。
  - result：select 函数的返回值；大于 0 表示有文件描述符变为可读、可写或有错误，小于 0 表示出错，等于 0 表示超时无事件发生。
  - FD_ISSET(sock, &readfds)：宏用于判断套接字 sock 是否在 readfds 集合中可读。
poll
- 类似于 select, 但处理的文件描述符数量更大，且性能更好。
```
struct pollfd fds[1];
fds[0].fd = sock; // [1]
fds[0].events = POLLIN; // [2]
int result = poll(fds, 1, timeout); // [3][4][5]
if (result > 0 && (fds[0].revents & POLLIN)) { // [6]
    // sock 变为可读
}
```
- fds：pollfd 结构体数组，用于指定要监视的文件描述符和事件。
- fds[0].fd：要检测的套接字描述符。
- fds[0].events：待检测的事件类型，例如 POLLIN 表示等待数据可读。
- poll(fds, 1, timeout)：调用 poll 函数执行检测。
- 1：指定 fds 数组中需要检测的文件描述符数量。
- timeout：指定 poll 等待事件的毫秒数。负值表示无限等待。
- result：poll 的返回值，表示准备就绪的文件描述符数量。若大于 0，表示有文件描述符满足条件。
epoll
- 专为Linux设计的更高效的I/O多路复用机制，适用于处理大量并发连接。
```
int epoll_fd = epoll_create1(0); // [1]
struct epoll_event ev = {.events = EPOLLIN, .data.fd = sock}; // [2]
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sock, &ev); // [3]
struct epoll_event events[MAX_EVENTS]; // [4]
int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1); // [5]
for (int i = 0; i < nfds; i++) {
    if (events[i].events & EPOLLIN) {
        // sock 变为可读
    }
}
```
  - epoll_create1(0)：创建一个 epoll 实例，返回一个 epoll 文件描述符，用于后续的 epoll 操作。
  - struct epoll_event ev：定义一个 epoll 事件结构体 ev，用于描述要监视的事件类型和相关数据。
    - ev.events：代表事件类型，如 EPOLLIN 表示可读事件。
    - ev.data.fd：事件关联的文件描述符，这里是套接字 sock。
  - epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sock, &ev)：将套接字 sock 添加到 epoll 监控列表中，通过 epoll_fd 进行管理。
    - epoll_fd：epoll 文件描述符。
    - EPOLL_CTL_ADD：操作码，表示将新的描述符添加到 epoll 实例中。
    - sock：要添加的文件描述符。
    - &ev：指向要添加的事件结构的指针。
  - struct epoll_event events[MAX_EVENTS]：定义事件数组 events，用于存储被触发事件的信息，数组大小由 MAX_EVENTS 定义。
  - epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1)：等待事件发生。
    - epoll_fd：epoll 文件描述符。
    - events：指向 epoll_event 结构体数组，存储触发的事件。
    - MAX_EVENTS：可以监听的最大事件数。
    - -1：超时值，-1 代表无限期等待直到事件发生。
  - nfds：epoll_wait 返回值，表示已触发事件的数量。

3.1.4.2 套接字选项（`SO_REUSEADDR`, `SO_KEEPALIVE`, `SO_LINGER`等）

套接字选项用于控制套接字的行为，可以通过 setsockopt 函数设置不同选项。

SO_REUSEADDR

允许在套接字关闭后立即重用地址。

int opt = 1;
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

SO_KEEPALIVE
- 启用保持连接功能，内核会定期发送探测包以检测连接是否活跃。
```
int opt = 1;
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, &opt, sizeof(opt));
```

SO_LINGER

控制套接字关闭时的行为，避免未发送的数据丢失。

struct linger so_linger;
so_linger.l_onoff = 1; /* 开启linger选项 */
so_linger.l_linger = 30; /* 超时30秒 */
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_LINGER, &so_linger, sizeof(so_linger));

3.1.4.3 多线程与多进程服务器模型（预创建线程/进程池）

为了提升服务器的性能和并发处理能力，常采用多线程或多进程模型，每个线程或进程处理不同的连接。

多线程模型
- 使用线程池预创建多个线程，每个线程等待处理新的连接。
```
void *thread_function(void *arg) { // [1]
    int sock = *(int*)arg; // [2]
    // 处理连接
    return NULL;
}

void create_thread_pool(int num_threads) { // [3]
    pthread_t threads[num_threads]; // [4]
    for (int i = 0; i < num_threads; i++) { // [5]
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, (void*)&sock); // [6]
    }
}
```
  - arg：传递给线程函数的参数，一般为指向套接字描述符的指针。
  - sock：从 arg 解引用得到的套接字描述符，用于处理连接。
  - num_threads：要创建的线程数量，也就是线程池中的线程数量。
  - threads：存储线程标识符的数组，用于跟踪和管理线程。
  - i：循环变量，用于迭代创建 num_threads 个线程。
  - pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, (void*)&sock)：用于创建线程，将每个线程绑定到 thread_function 函数，并传递套接字作为参数。
多进程模型
- 使用fork创建子进程处理新连接，或使用预创建的进程池。
```
void create_process_pool(int num_processes) {
    for (int i = 0; i < num_processes; i++) { // [1]
        pid_t pid = fork(); // [2]
        if (pid == 0) { 
            // 子进程处理连接
            exit(0); // [3]
        }
    }
    // 父进程等待子进程结束
}
```
  - num_processes：需要创建的子进程数量，用于处理并发连接。
  - i：循环变量，用于迭代创建指定数量的子进程。
  - pid：进程ID，由 fork() 函数返回，用于区分父进程和子进程。pid 为0表示当前进程是子进程，正数表示父进程获得的子进程ID。
  - exit(0)：子进程完成任务后正常退出，返回0表示成功执行退出。

3.1.4.4 套接字超时设置（连接超时与操作超时）

设置超时可以防止程序在某些操作上无限期等待，常用的选项有 SO_RCVTIMEO 和 SO_SNDTIMEO。

设置接收超时

struct timeval tv;
tv.tv_sec = 5;  // 5秒超时
tv.tv_usec = 0;
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &tv, sizeof(tv));

设置发送超时

struct timeval tv;
tv.tv_sec = 5;  // 5秒超时
tv.tv_usec = 0;
setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &tv, sizeof(tv));

通过上述技术，您可以显著提高基于C语言的网络应用程序的性能和稳定性，确保其在高并发场景下的健壮性。

原文地址：https://blog.csdn.net/fjw12998/article/details/142689479

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