Linux C语言Socket编程的连接管理

一、Socket 连接概述

在 Linux 环境下，使用 C 语言进行 Socket 编程时，连接管理是关键部分。Socket 是一种进程间通信（IPC）机制，它允许不同主机或同一主机上的进程进行通信。连接管理涉及到建立连接、维护连接以及关闭连接等操作。

（一）Socket 地址结构

在进行连接之前，需要了解 Socket 地址结构。在 Linux 中，常用的地址结构是 sockaddr 和 sockaddr_in。sockaddr 是通用的地址结构，而 sockaddr_in 是专门为 IPv4 设计的地址结构。

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

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family;
    in_port_t      sin_port;
    struct in_addr sin_addr;
    char           sin_zero[8];
};

struct in_addr {
    in_addr_t s_addr;
};

• sin_family 通常设置为 AF_INET 表示 IPv4 协议。
• sin_port 是端口号，需要使用网络字节序（可以通过 htons 函数将主机字节序转换为网络字节序）。
• sin_addr.s_addr 是 IP 地址，同样需要使用网络字节序（可以通过 inet_addr 或 inet_pton 函数进行转换）。

（二）Socket 类型

在连接管理中，了解不同的 Socket 类型很重要。常见的 Socket 类型有：

1. 流式 Socket（SOCK_STREAM）：提供面向连接、可靠的数据传输服务，基于 TCP 协议。数据以字节流的形式传输，保证数据的顺序和完整性。
2. 数据报 Socket（SOCK_DGRAM）：提供无连接的数据传输服务，基于 UDP 协议。数据以独立的数据包形式传输，不保证数据的顺序和可靠性，但传输效率较高。

二、TCP 连接管理

（一）服务器端

1. 创建 Socket 使用 socket 函数创建一个 Socket 描述符。

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

• domain 通常为 AF_INET 表示 IPv4 网络。
• type 对于 TCP 连接，设置为 SOCK_STREAM。
• protocol 一般设置为 0，表示使用默认协议（对于 TCP 就是 TCP 协议）。

示例代码：

int sockfd;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
    perror("socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

2. 绑定地址 将创建的 Socket 绑定到一个特定的地址和端口。

#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• sockfd 是之前创建的 Socket 描述符。
• addr 是一个指向 sockaddr 结构的指针，通常需要将 sockaddr_in 结构强制转换为 sockaddr 结构。
• addrlen 是地址结构的长度。

示例代码：

struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(8080);
servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

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

3. 监听连接 使 Socket 处于监听状态，准备接受客户端的连接请求。

#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

• sockfd 是绑定后的 Socket 描述符。
• backlog 表示等待连接队列的最大长度。

示例代码：

if (listen(sockfd, 5) < 0) {
    perror("listen failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

4. 接受连接 接受客户端的连接请求，并返回一个新的 Socket 描述符用于与客户端通信。

#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• sockfd 是监听的 Socket 描述符。
• addr 用于返回客户端的地址信息（可以为 NULL）。
• addrlen 是 addr 的长度（传入时为初始长度，返回时为实际地址长度）。

示例代码：

struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t len = sizeof(cliaddr);
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
if (connfd < 0) {
    perror("accept failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

（二）客户端

1. 创建 Socket 与服务器端类似，使用 socket 函数创建 Socket 描述符。

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
    perror("socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

2. 连接服务器 使用 connect 函数连接到服务器。

#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• sockfd 是创建的 Socket 描述符。
• addr 是服务器的地址结构。
• addrlen 是地址结构的长度。

示例代码：

struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(8080);
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

if (connect(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
    perror("connect failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

三、UDP 连接管理

（一）服务器端

1. 创建 Socket 对于 UDP，同样使用 socket 函数，但 type 设置为 SOCK_DGRAM。

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd < 0) {
    perror("socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

2. 绑定地址 与 TCP 服务器端类似，绑定到特定的地址和端口。

struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(8080);
servaddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

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

3. 接收数据 使用 recvfrom 函数接收数据。

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

• sockfd 是 Socket 描述符。
• buf 是接收数据的缓冲区。
• len 是缓冲区的长度。
• flags 一般设置为 0。
• src_addr 用于返回发送方的地址信息。
• addrlen 是 src_addr 的长度。

示例代码：

char buffer[1024];
struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t len = sizeof(cliaddr);
ssize_t n = recvfrom(sockfd, (char *)buffer, 1024, MSG_WAITALL,
                     (struct sockaddr *)&cliaddr, &len);
buffer[n] = '\0';
printf("Message from client: %s\n", buffer);

（二）客户端

1. 创建 Socket

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd < 0) {
    perror("socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

2. 发送数据 使用 sendto 函数发送数据。

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

• sockfd 是 Socket 描述符。
• buf 是要发送的数据缓冲区。
• len 是数据的长度。
• flags 一般设置为 0。
• dest_addr 是目标地址结构。
• addrlen 是目标地址结构的长度。

示例代码：

char *message = "Hello, server!";
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(8080);
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

sendto(sockfd, (const char *)message, strlen(message), MSG_CONFIRM,
       (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

四、连接维护与异常处理

（一）心跳机制

在长时间的连接中，为了确保连接的有效性，常使用心跳机制。以 TCP 为例，服务器和客户端可以定期互相发送简单的心跳包。

1. 服务器端心跳示例

// 假设已经建立连接，connfd 为连接描述符
fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(connfd, &read_fds);

struct timeval tv;
tv.tv_sec = 10; // 10 秒超时
tv.tv_usec = 0;

int activity = select(connfd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &tv);
if (activity < 0) {
    perror("select error");
} else if (activity == 0) {
    // 超时，可能连接已断开，可选择重新发送心跳或关闭连接
    printf("Heartbeat timeout, connection may be lost\n");
} else {
    // 有数据可读，可能是心跳包或其他数据
    char buffer[1024];
    ssize_t n = recv(connfd, buffer, 1024, 0);
    buffer[n] = '\0';
    if (strcmp(buffer, "heartbeat") == 0) {
        // 收到心跳包，回复心跳
        send(connfd, "heartbeat", strlen("heartbeat"), 0);
    }
}

2. 客户端心跳示例

// 假设 sockfd 为连接到服务器的 Socket 描述符
while (1) {
    send(sockfd, "heartbeat", strlen("heartbeat"), 0);
    char buffer[1024];
    ssize_t n = recv(sockfd, buffer, 1024, 0);
    buffer[n] = '\0';
    if (strcmp(buffer, "heartbeat") != 0) {
        // 未收到正确的心跳回复，可能连接有问题
        printf("Unexpected response from server, connection may be broken\n");
        break;
    }
    sleep(10); // 每隔 10 秒发送一次心跳
}

（二）错误处理

在连接管理过程中，可能会遇到各种错误。例如，socket 函数可能因为系统资源不足而创建失败，connect 函数可能因为服务器未启动或网络问题而连接失败。

1. 通用错误处理 在每次系统调用后，通过检查返回值来判断是否发生错误。如果返回值小于 0，使用 perror 函数打印错误信息。

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
    perror("socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

2. 特定错误处理

• 连接超时：在 connect 操作中，可以通过设置 SO_SNDTIMEO 和 SO_RCVTIMEO 套接字选项来设置连接超时时间。

struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 5; // 5 秒超时
timeout.tv_usec = 0;

setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, (const char *)&timeout, sizeof(timeout));
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (const char *)&timeout, sizeof(timeout));

if (connect(sockfd, (const struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
    if (errno == EINPROGRESS) {
        // 连接超时
        printf("Connection timed out\n");
    } else {
        perror("connect failed");
    }
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

五、连接关闭

（一）TCP 连接关闭

1. 正常关闭
   • 主动关闭方：在完成数据传输后，调用 close 函数关闭连接。

close(connfd);

• 被动关闭方：当收到主动关闭方发送的 FIN 包后，也调用 close 函数关闭连接。

2. 优雅关闭 使用 shutdown 函数可以实现更优雅的关闭方式。

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how);

• how 参数可以取值：
  • SHUT_RD：关闭读操作，不再接收数据。
  • SHUT_WR：关闭写操作，不再发送数据。
  • SHUT_RDWR：关闭读写操作。

示例代码：

// 关闭写操作，继续接收数据
shutdown(connfd, SHUT_WR);

（二）UDP 连接关闭

UDP 是无连接的协议，在完成数据传输后，直接调用 close 函数关闭 Socket 即可。

close(sockfd);

通过以上对 Linux C 语言 Socket 编程连接管理的详细介绍，从连接的建立、维护到关闭，涵盖了 TCP 和 UDP 两种常见协议的相关操作，并结合了实际的代码示例和错误处理机制，希望能帮助开发者更好地理解和应用 Socket 连接管理技术。在实际的网络编程中，还需要根据具体的需求和场景进行适当的优化和扩展。