Linux網絡編程詳解

一、套接字(Socket)

套接字是進行網絡編程時非常重要的概念，它是一種通信的機制，可以在不同主機之間進行通信。套接字在網絡編程中扮演着重要的角色，下面我們來一步步地了解它。

1.創建套接字

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

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

socket()函數可以創建一個新的套接字。其中，domain參數指定了通信協議的領域，如AF_INET表示IPv4協議族，AF_INET6表示IPv6協議族。type參數指定了套接字的類型，如SOCK_STREAM表示TCP類型。protocol參數指定使用的協議，一般為0。

2.綁定套接字

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

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

bind()函數將本地的Socket地址和創建的Socket進行綁定。其中，sockfd參數即為socket()函數返回的文件描述符。addr參數是一個指向本地Socket地址結構體的指針。addrlen參數是該結構體的長度。

3.監聽套接字

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

listen()函數將sockfd指定的Socket轉換成被動式的Socket，backlog指定了連接請求隊列的最大長度。

4.接收連接請求

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

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

accept()函數從連接請求隊列中取得一個連接請求，生成一個全新的Socket進行通信。其中，sockfd為listen()函數創建的Socket。addr和addrlen參數表示請求連接的客戶端的地址信息。

二、進程和線程

進程和線程是操作系統中非常基礎的概念，本篇文章着重介紹在網絡編程中如何使用它們。

1.進程

進程是操作系統中進行資源分配和調度的基本單位。在網絡編程中，我們可以使用fork()函數創建一個新進程，讓進程分別運行不同的代碼。

#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

fork()函數會創建一個新的進程，並將父進程的數據複製到子進程中。父子進程是並發的，但是它們運行的是同一個代碼。我們可以通過進程間的通信(IPC)，使它們在運行過程中進行信息的交互。

2.線程

線程是進程中的更小單位，它可以輕鬆的與其他線程共享進程數據，便於實現並發。在Linux系統中，線程的實現依賴於POSIX的線程庫。

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t \*thread, const pthread_attr_t \*attr, void *(*start_routine) (void *), void \*arg);

pthread_create()函數可以創建一個新的線程，其中參數thread是線程的標識符，attr指向線程屬性的結構，start_routine是線程的入口地址，arg參數將傳遞給入口函數。

三、並發編程

在網絡編程中，進程和線程是實現並發編程的基本手段。當多個客戶端同時連接服務器時，我們需要一種方法來同時處理這些連接請求，這時候並發編程便派上了用場。

1.多進程實現並發

#include <sys/wait.h>

pid_t pid;

switch (pid = fork()) {
    case -1:
        perror("fork");
        break;
    case 0:
        /* child */
        exit(0);
        break;
    default:
        /* parent */
        waitpid(pid, NULL, 0);
        break;

上述代碼中，我們可以在主進程中調用fork()函數創建一個子進程來處理一個請求。這樣，就可以同時處理多個請求。通過使用進程的基於文件描述符的機制可以實現進程之間的通信。

2.多線程實現並發

#include <pthread.h>

int threads_num;
pthread_t threads[THREAD_NUM];

/* create threads */
for (int i = 0; i < threads_num; i++) {
    if (pthread_create(&threads[i], NULL, worker, NULL)) {
        perror("pthread_create failed");
        exit(1);
    }
}

/* join threads */
for (int i = 0; i < threads_num; i++) {
    if (pthread_join(threads[i], NULL)) {
        perror("pthread_join failed");
        exit(1);
    }
}

上述代碼中，我們使用pthread_create()函數創建若干個線程，並通過pthread_join()函數等待線程結束。線程可以共享數據，且線程和線程之間的切換速度比進程之間的切換速度要快得多。

四、網絡編程實踐

下面我們通過一個簡單的例子來演示Linux網絡編程的過程。

1.創建Socket

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
    perror("socket error");
    exit(1);
}

上述代碼中，我們使用socket()函數創建一個新的Socket。其中，參數AF_INET表示使用IPv4協議族，SOCK_STREAM表示使用TCP協議。

2.綁定Socket

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

struct sockaddr_in server_addr;
bzero(\&server_addr, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
server_addr.sin_port = htons(port);

int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
if (ret == -1) {
    perror("bind error");
    exit(1);
}

上述代碼中，我們使用bind()函數將Socket與本地的IP地址和端口進行綁定。

3.監聽Socket

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int ret = listen(sockfd, backlog);
if (ret == -1) {
    perror("listen error");
    exit(1);
}

上述代碼中，我們使用listen()函數將Socket轉化為可接受的請求，backlog參數指定了連接請求隊列的長度。

4.接受連接請求

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t len = sizeof(client_addr);
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
if (connfd == -1) {
    perror("accept error");
    exit(1);
}
printf("accept from %s:%d\n", inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

上述代碼中，我們使用accept()函數從連接請求隊列中取出一個連接請求生成一個全新的Socket，客戶端的地址信息保存在client_addr結構體中，我們可以通過inet_ntoa()和ntohs()函數將網絡位元組順序的IP地址和端口轉換為可讀形式。

5.接收和發送消息

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

上述代碼中，我們使用recv()和send()函數進行接收和發送消息，分別對應於TCP中的read()和write()函數。

結論

以上便是Linux網絡編程的詳解，我們介紹了套接字、進程和線程、並發編程、以及通過一個簡單例子演示了網絡編程的基本流程。在進一步的使用和探索中，相信本篇文章為讀者提供了很好的指引。