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2、套接字 socket是基于哪个网络协议的?是TCP还是Http?
网络编程是现代软件开发的重要领域,广泛应用于客户端-服务器应用、分布式系统和互联网应用开发中。C++作为一门强大且高效的编程语言,在进行低层次、高性能网络编程时有显著优势。本文将深入剖析C++网络编程中的套接字(Socket)开发技术,详细讲解其概念、底层原理、网络协议知识、本质及需要掌握的核心点、实现方式等,同时结合经典实例进行解析。
一、概述与基础概念
1.1 套接字(Socket)概念
概念:套接字(Socket)是网络编程中用于描述网络连接的端点,是操作系统提供的用于网络通信的基础抽象。它可以看作是网络中的“文件”,通过对套接字的操作实现数据的发送和接收。
核心点:
- 类型:主要包括流套接字(SOCK_STREAM)和数据报套接字(SOCK_DGRAM),分别对应TCP和UDP协议。
- 地址:由IP地址和端口号组成,用于标识网络中的设备和应用。
1.2 底层原理与网络协议
1.2.1 网络协议
IP地址:标识网络中的主机,分为IPv4(如192.168.1.1)和IPv6(如2001:db8::1)地址。
端口号:标识主机上的应用程序,范围为0到65535。常见的端口号如HTTP的80端口、HTTPS的443端口等。
TCP/IP协议族:互联网的基础协议族,包含传输层的TCP和UDP、网络层的IP等。
- TCP(传输控制协议):提供可靠的字节流服务,包括连接建立、数据传输、连接终止等过程。TCP通过三次握手建立连接,四次挥手终止连接。
- UDP(用户数据报协议):提供不可靠的消息传递服务,数据报可能无序到达或丢失。UDP适用于实时性要求较高的应用,如视频传输、在线游戏等。
1.2.2 套接字工作原理
套接字是一种抽象层,使得应用程序能够通过操作系统提供的API进行网络通信。它包含以下基本操作:
- 创建:通过系统调用创建套接字。
- 绑定:将套接字绑定到特定的IP地址和端口。
- 监听:在服务端,套接字监听来自客户端的连接请求。
- 连接:在客户端,套接字连接到服务端的指定地址和端口。
- 发送/接收:通过套接字发送和接收数据。
- 关闭:关闭套接字,释放系统资源。
二、C++套接字编程核心技术
2.1 套接字编程的基本步骤
- 创建套接字
- 绑定地址
- 监听(服务端)
- 接受连接(服务端)
- 连接(客户端)
- 发送和接收数据
- 关闭套接字
2.2 套接字编程详细实现
2.2.1 创建套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
perror("socket creation failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
解析:
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)
:创建一个TCP套接字。AF_INET
表示使用IPv4,SOCK_STREAM
表示使用TCP协议。- 返回值:成功时返回套接字文件描述符,失败时返回-1。
2.2.2 绑定地址
struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_addr.sin_port = htons(PORT);
if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
perror("bind failed");
close(sockfd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
解析:
struct sockaddr_in
:定义IP地址和端口,sin_family
设为AF_INET
,sin_addr.s_addr
设为INADDR_ANY
表示接受任何IP地址,sin_port
设为端口(通过htons
函数转换为网络字节序)。bind
:将地址绑定到套接字。
2.2.3 监听和接受连接(服务端)
if (listen(sockfd, 5) < 0) {
perror("listen failed");
close(sockfd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
int newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
if (newsockfd < 0) {
perror("accept failed");
close(sockfd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
解析:
listen
:将套接字置于监听模式,准备接受连接。第二个参数为连接队列的最大长度。accept
:接受客户端连接,返回新的套接字用于通信。client_addr
保存客户端地址信息。
2.2.4 客户端连接
struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(PORT);
if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr) <= 0) {
perror("invalid address");
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
perror("connect failed");
close(sockfd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
解析:
inet_pton
:将字符串形式的IP地址转换为struct in_addr
。connect
:将套接字连接到指定的服务器地址和端口。
2.2.5 发送和接收数据
const char* message = "Hello, Server!";
send(sockfd, message, strlen(message), 0);
char buffer[1024];
int n = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
buffer[n] = '\0';
printf("Received: %s\n", buffer);
解析:
send
:发送数据,第四个参数为标志位,通常为0。recv
:接收数据,返回接收的字节数。
2.2.6 关闭套接字
close(sockfd);
2.3 经典实例:TCP客户端和服务器
2.3.1 TCP服务器
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#define PORT 8080
int main() {
int server_fd, new_socket;
struct sockaddr_in address;
int opt = 1;
int addrlen = sizeof(address);
char buffer[1024] = {0};
const char* hello = "Hello from server";
// 创建套接字
if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
perror("socket failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 强制绑定端口
if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
perror("setsockopt");
close(server_fd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 绑定地址
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
address.sin_port = htons(PORT);
if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)) < 0) {
perror("bind failed");
close(server_fd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 监听连接
if (listen(server_fd, 3) < 0) {
perror("listen");
close(server_fd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 接受客户端连接
if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
perror("accept");
close(server_fd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 读取客户端数据
int valread = read(new_socket, buffer, 1024);
printf("%s\n", buffer);
// 发送数据到客户端
send(new_socket, hello, strlen(hello), 0);
printf("Hello message sent\n");
// 关闭套接字
close(new_socket);
close(server_fd);
return 0;
}
解析:
- 创建套接字:
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)
- 绑定地址:
bind
- 监听连接:
listen
- 接受连接:
accept
- 读取数据:
read
- 发送数据:
send
- 关闭套接字:
close
2.3.2 TCP客户端
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#define PORT 8080
int main() {
int sock = 0, valread;
struct sockaddr_in serv_addr;
const char* hello = "Hello from client";
char buffer[1024] = {0};
// 创建套接字
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);
// 将IP地址转换成二进制形式
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;
}
// 发送数据到服务器
send(sock, hello, strlen(hello), 0);
printf("Hello message sent\n");
// 读取服务器响应
valread = read(sock, buffer, 1024);
printf("%s\n", buffer);
// 关闭套接字
close(sock);
return 0;
}
解析:
- 创建套接字:
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)
- 连接服务器:
connect
- 发送数据:
send
- 读取数据:
read
- 关闭套接字:
close
运行结果
-
启动服务器:
./server
输出:
Hello from client Hello message sent
-
启动客户端:
./client
输出:
Hello message sent Hello from server
三、深入理解与高级应用
3.1 异步I/O与事件驱动编程
异步I/O:允许程序在等待I/O操作完成时继续执行其他任务,提高程序的并发性能。实现方式包括:
- 多线程:每个I/O操作分配一个线程处理。
- 事件驱动:使用事件循环处理I/O事件,例如
select
、poll
、epoll
等。
3.2 高效并发编程
多线程网络编程:
- 线程同步:避免多个线程同时访问共享资源,使用互斥锁、条件变量等。
- 线程池:复用线程,减少线程创建和销毁的开销,提高性能。
实例:使用线程池处理多个客户端连接。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#define PORT 8080
std::mutex mtx; // 互斥锁用于保护共享资源
std::condition_variable cv; // 条件变量用于线程间同步
std::queue<int> clients; // 用于存储待处理的客户端套接字
// 处理客户端连接的函数
void handle_client(int client_sock) {
char buffer[1024];
int n = recv(client_sock, buffer, sizeof(buffer), 0); // 接收客户端消息
if (n > 0) {
buffer[n] = '\0'; // 添加字符串终止符
std::cout << "Received: " << buffer << std::endl;
const char* response = "Message received";
send(client_sock, response, strlen(response), 0); // 发送响应给客户端
}
close(client_sock); // 关闭客户端连接
}
// 工作线程函数,用于处理客户端连接
void worker() {
while (true) {
int client_sock;
{
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); // 获取锁
cv.wait(lock, [] { return !clients.empty(); }); // 等待条件变量通知
client_sock = clients.front(); // 从队列中取出客户端套接字
clients.pop(); // 移除队列中的套接字
}
handle_client(client_sock); // 处理客户端连接
}
}
int main() {
int server_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建TCP套接字
if (server_sock < 0) {
perror("socket creation failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET; // 使用IPv4
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定所有可用的网络接口
server_addr.sin_port = htons(PORT); // 绑定端口
if (bind(server_sock, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
perror("bind failed");
close(server_sock);
exit(EXIT_FAILURE);
}
if (listen(server_sock, 5) < 0) { // 设置监听队列的最大长度为5
perror("listen failed");
close(server_sock);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 创建多个工作线程
std::vector<std::thread> workers;
for (int i = 0; i < 4; ++i) {
workers.emplace_back(worker); // 启动工作线程
}
while (true) {
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
int client_sock = accept(server_sock, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len); // 接受客户端连接
if (client_sock < 0) {
perror("accept failed");
continue;
}
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 获取锁
clients.push(client_sock); // 将客户端套接字添加到队列中
}
cv.notify_one(); // 通知一个工作线程
}
for (auto& t : workers) {
t.join(); // 等待所有工作线程结束
}
close(server_sock); // 关闭服务器套接字
return 0;
}
3.3 使用Boost.Asio进行异步编程
Boost.Asio 是一个强大且灵活的库,提供了跨平台的异步I/O操作,支持多平台。我们继续讨论如何使用Boost.Asio实现一个高效的异步TCP服务器。
完整代码示例:使用Boost.Asio进行异步TCP服务器
BoostServer.cpp
#include <boost/asio.hpp>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <utility>
using boost::asio::ip::tcp;
// 会话类,用于管理单个客户端连接
class Session : public std::enable_shared_from_this<Session> {
public:
explicit Session(tcp::socket socket)
: socket_(std::move(socket)) {}
// 开始会话
void start() {
do_read(); // 开始读取数据
}
private:
// 异步读取数据
void do_read() {
auto self(shared_from_this());
socket_.async_read_some(boost::asio::buffer(data_, max_length),
[this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t length) {
if (!ec) {
std::cout << "Received: " << data_ << std::endl;
do_write(length); // 读取完成后写入数据
}
});
}
// 异步写入数据
void do_write(std::size_t length) {
auto self(shared_from_this());
boost::asio::async_write(socket_, boost::asio::buffer(data_, length),
[this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t /*length*/) {
if (!ec) {
do_read(); // 写入完成后继续读取数据
}
});
}
tcp::socket socket_; // 套接字
enum { max_length = 1024 };
char data_[max_length]; // 数据缓冲区
};
// 服务器类,用于管理客户端连接
class Server {
public:
Server(boost::asio::io_context& io_context, short port)
: acceptor_(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), port)) {
do_accept(); // 开始接受连接
}
private:
// 异步接受连接
void do_accept() {
acceptor_.async_accept(
[this](boost::system::error_code ec, tcp::socket socket) {
if (!ec) {
std::make_shared<Session>(std::move(socket))->start();
}
do_accept(); // 继续接受下一次连接
});
}
tcp::acceptor acceptor_; // 接受器,用于监听连接
};
int main(int argc, char* argv[]) {
try {
if (argc != 2) {
std::cerr << "Usage: BoostServer <port>\n";
return 1;
}
boost::asio::io_context io_context; // IO上下文
Server s(io_context, std::atoi(argv[1])); // 创建服务器
io_context.run(); // 运行IO上下文
} catch (std::exception& e) {
std::cerr << "Exception: " << e.what() << "\n";
}
return 0;
}
解析:
- Session类:管理单个客户端连接。
- do_read:异步读取数据,使用
async_read_some
方法。 - do_write:异步写入数据,使用
async_write
方法。
- do_read:异步读取数据,使用
- Server类:管理所有客户端连接。
- do_accept:异步接受新的连接,使用
async_accept
方法。
- do_accept:异步接受新的连接,使用
- main函数:创建
io_context
和Server
实例,调用io_context.run()
运行事件循环。
四、核心技术及高级话题
4.1 同步I/O与异步I/O的选择
同步I/O:
- 简单直接,易于编程和调试。
- 适合处理少量并发连接。
异步I/O:
- 提高并发性能,适合高并发场景。
- 编程复杂度较高,需要处理回调、状态管理等。
4.2 多线程与事件驱动模型
多线程模型:
- 每个连接分配一个线程处理。
- 线程同步开销大,线程数量有限制。
事件驱动模型:
- 使用事件循环处理I/O事件。
- 无需大量线程,仅需少量线程处理所有连接。
4.3 高效网络编程的关键技术
- I/O复用:如
select
、poll
、epoll
,实现单线程高效处理多个连接。 - 零拷贝:减少内存拷贝,提高数据传输效率。
- 内存池:复用内存,减少内存分配和释放开销。
- 负载均衡:分配连接到不同服务器,均衡负载,提高系统吞吐量。
4.4 使用C++11/14/17/20新特性优化网络编程
- 智能指针:如
std::shared_ptr
、std::unique_ptr
,管理动态内存,避免内存泄漏。 - lambda表达式:简化回调函数编写。
std::thread
:标准多线程库,简化线程创建和管理。std::async
:异步任务执行,简化异步编程。
五、实例:高效异步HTTP服务器
5.1 异步HTTP服务器
使用Boost.Asio实现一个高效的异步HTTP服务器:
#include <boost/asio.hpp>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <utility>
using boost::asio::ip::tcp;
class HttpSession : public std::enable_shared_from_this<HttpSession> {
public:
explicit HttpSession(tcp::socket socket)
: socket_(std::move(socket)) {}
void start() {
do_read();
}
private:
void do_read() {
auto self(shared_from_this());
socket_.async_read_some(boost::asio::buffer(buffer_),
[this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t length) {
if (!ec) {
handle_request(length);
}
});
}
void handle_request(std::size_t length) {
std::string data(buffer_.data(), length);
std::cout << "Request: " << data << std::endl;
std::string response = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: 13\r\n\r\nHello, world!";
auto self(shared_from_this());
boost::asio::async_write(socket_, boost::asio::buffer(response),
[this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t /*length*/) {
if (!ec) {
socket_.shutdown(tcp::socket::shutdown_both, ec);
}
});
}
tcp::socket socket_;
std::array<char, 8192> buffer_;
};
class HttpServer {
public:
HttpServer(boost::asio::io_context& io_context, short port)
: acceptor_(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), port)) {
do_accept();
}
private:
void do_accept() {
acceptor_.async_accept(
[this](boost::system::error_code ec, tcp::socket socket) {
if (!ec) {
std::make_shared<HttpSession>(std::move(socket))->start();
}
do_accept();
});
}
tcp::acceptor acceptor_;
};
int main(int argc, char* argv[]) {
try {
if (argc != 2) {
std::cerr << "Usage: HttpServer <port>\n";
return 1;
}
boost::asio::io_context io_context;
HttpServer server(io_context, std::atoi(argv[1]));
io_context.run();
} catch (std::exception& e) {
std::cerr << "Exception: " << e.what() << "\n";
}
return 0;
}
解析:
- HttpSession类:管理单个HTTP会话。
- do_read:异步读取HTTP请求。
- handle_request:处理HTTP请求,生成响应。
- do_write:异步发送HTTP响应。
- HttpServer类:管理所有HTTP会话。
- do_accept:异步接受新的HTTP连接。
- main函数:创建
io_context
和HttpServer
实例,调用io_context.run()
运行事件循环。
运行结果
-
启动HTTP服务器:
./HttpServer 8080
-
使用浏览器或
curl
访问服务器:curl http://localhost:8080
输出:
Hello, world!
六、拓展思考
1、套接字(Socket)是什么?它包括哪些核心内容?
套接字(Socket)是计算机网络编程中一个重要的概念,它提供了一种通信的抽象,使得程序可以通过网络进行数据传输。套接字在应用层和传输层之间起到了桥梁作用,使得不同主机上的应用程序能够进行通信。换句话说,套接字是网络通信的端点,负责处理网络协议栈中的底层细节。
套接字的定义
套接字是一个网络编程接口,允许程序发送和接收数据,通过IP地址和端口号唯一标识网络中的通信端点。套接字可以基于多种传输协议进行操作,最常见的有TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)。
套接字的核心内容
套接字编程涉及多个核心概念和操作步骤,下面详细介绍这些内容:
1. 套接字类型
- SOCK_STREAM:使用TCP协议,提供可靠的面向连接的通信。
- SOCK_DGRAM:使用UDP协议,提供不可靠的无连接的通信。
- SOCK_RAW:使用原始套接字,允许直接访问底层协议,如IP协议,通常用于网络测试和低层次的网络编程。
2. 地址族
- AF_INET:IPv4地址族。
- AF_INET6:IPv6地址族。
- AF_UNIX:本地通信的Unix套接字。
3. 套接字的基本操作
- 创建套接字:使用
socket()
系统调用创建一个套接字。 - 绑定地址:使用
bind()
将套接字绑定到本地地址和端口。 - 监听(仅用于TCP服务器):使用
listen()
将套接字置于监听模式,等待客户端连接。 - 接受连接(仅用于TCP服务器):使用
accept()
接受客户端连接,返回新的套接字用于通信。 - 连接(仅用于TCP客户端):使用
connect()
将套接字连接到服务器地址。 - 发送数据:使用
send()
或sendto()
发送数据。 - 接收数据:使用
recv()
或recvfrom()
接收数据。 - 关闭套接字:使用
close()
关闭套接字,释放资源。
套接字的高级内容
- 非阻塞模式:套接字可以设置为非阻塞模式,使得I/O操作不会阻塞程序执行。
- 多线程/多进程:使用多线程或多进程处理多个客户端连接,提高并发性能。
- 异步I/O:使用异步I/O操作,如
select
、poll
、epoll
或Boost.Asio,实现高效的事件驱动编程。 - 安全套接字:使用SSL/TLS加密通信,确保数据传输的安全性。
概括总结
套接字(Socket)是网络编程中关键的抽象和接口,提供了通过网络进行数据传输的基本功能。理解和掌握套接字的核心内容和操作步骤是进行网络编程的基础。通过深入学习和实践,开发者可以灵活地使用套接字进行各种网络应用的开发,从简单的客户端-服务器通信到复杂的分布式系统。
2、套接字 socket是基于哪个网络协议的?是TCP还是Http?
套接字(Socket)是一种网络编程的抽象,提供了一种通用的接口,使得程序能够灵活地使用不同的网络协议进行通信。套接字并不局限于某一种协议,可以基于TCP(SOCK_STREAM)或UDP(SOCK_DGRAM)等多种协议进行操作。HTTP协议是一种应用层协议,通常运行在TCP套接字之上。通过掌握套接字编程,可以实现各种网络应用,从简单的客户端-服务器通信到复杂的分布式系统。
总结
本文深入探讨了C++网络编程中的套接字(Socket)开发技术,详细讲解了其概念、底层原理、网络协议知识、本质及需要掌握的核心点,并通过经典实例进行解析。我们介绍了同步与异步I/O、多线程与事件驱动模型、高效网络编程的关键技术,最后详细展示了如何使用Boost.Asio实现一个高效的异步HTTP服务器。通过这些技术和示例代码,高级C++开发者可以深入理解和掌握网络编程的关键技术,为开发高效、可扩展的网络应用打下坚实的基础。希望这些代码和注释能够帮助你更好地理解和应用C++网络编程。
标签:std,addr,编程,开发技术,C++,server,学懂,接字,socket From: https://blog.csdn.net/martian665/article/details/141322734