Socket 基础¶

是什么 / 解决什么问题¶

Socket 是进程间网络通信的抽象接口。通过 socket API，程序可以在不关心底层网络协议细节的情况下进行 TCP/UDP 通信。

使用模式¶

TCP 服务器基本流程¶

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

// 1. 创建 socket
int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// AF_INET:  IPv4
// AF_INET6: IPv6
// SOCK_STREAM: TCP (可靠、有序、面向连接)
// SOCK_DGRAM:  UDP (不可靠、无序、无连接)

// 2. 绑定地址
struct sockaddr_in addr = {
    .sin_family = AF_INET,
    .sin_port = htons(8080),        // 端口号（网络字节序）
    .sin_addr.s_addr = INADDR_ANY,  // 监听所有网卡
};
bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

// 3. 开始监听
listen(listen_fd, 128);  // backlog: 未完成连接队列大小

// 4. 接受连接
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t addrlen = sizeof(client_addr);
int conn_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addrlen);

// 5. 读写数据
char buf[1024];
ssize_t n = read(conn_fd, buf, sizeof(buf));
write(conn_fd, buf, n);

// 6. 关闭
close(conn_fd);
close(listen_fd);

TCP 客户端基本流程¶

int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

struct sockaddr_in server = {
    .sin_family = AF_INET,
    .sin_port = htons(8080),
};
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.1", &server.sin_addr);

// 连接服务器
connect(fd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));

// 收发数据
write(fd, "hello", 5);
char buf[1024];
ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));

close(fd);

UDP 通信（无连接）¶

// 服务端
int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

struct sockaddr_in client;
socklen_t clen = sizeof(client);
ssize_t n = recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0,
                     (struct sockaddr *)&client, &clen);
sendto(fd, reply, reply_len, 0,
       (struct sockaddr *)&client, clen);

// 客户端
int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
sendto(fd, msg, msg_len, 0, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));
recvfrom(fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);

创建时直接设置属性（Linux 扩展）¶

// SOCK_NONBLOCK: 创建时就是非阻塞
// SOCK_CLOEXEC: exec 时自动关闭
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK | SOCK_CLOEXEC, 0);

// accept4 也支持
int conn = accept4(listen_fd, NULL, NULL, SOCK_NONBLOCK | SOCK_CLOEXEC);

行为与语义¶

listen 的 backlog 参数¶

客户端 connect ──→ [SYN队列(半连接)] ──→ [Accept队列(全连接)] ──→ accept() 取走
                   三次握手进行中          三次握手完成，等待accept

backlog 控制的是 Accept 队列（全连接队列）的大小。
SYN 队列大小由 /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 控制。

listen(fd, 128) — Accept 队列最大 128 个已完成连接
队列满时新连接的 SYN 会被静默丢弃（客户端会重试）
实际值被 /proc/sys/net/core/somaxconn 截断（默认 4096）

read/write vs recv/send vs recvfrom/sendto¶

API	适用	额外功能
`read/write`	TCP socket	无
`recv/send`	TCP socket	flags 参数（MSG_PEEK, MSG_NOSIGNAL 等）
`recvfrom/sendto`	UDP socket	可指定/获取对端地址
`recvmsg/sendmsg`	任意	辅助数据、scatter/gather、fd 传递

地址复用¶

// 为什么服务器重启时 bind 报 "Address already in use"？
// 因为旧连接处于 TIME_WAIT 状态，地址还被占用

int on = 1;
setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));
// 允许 bind 到处于 TIME_WAIT 的地址

setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &on, sizeof(on));
// 允许多个 socket bind 到同一个 address:port（负载均衡）

shutdown vs close¶

close(fd);
// 关闭 fd，引用计数减1。只有引用计数为0时才真正关闭连接。
// 如果 fd 被 dup/fork 过，close 不会立即断开。

shutdown(fd, SHUT_RD);    // 关闭读端（后续 read 返回 0）
shutdown(fd, SHUT_WR);    // 关闭写端（发送 FIN，对端 read 返回 0）
shutdown(fd, SHUT_RDWR);  // 同时关闭

// shutdown 不管引用计数，立即影响底层连接
// 典型用途：通知对端"我不再发送数据了"

性能考量¶

SO_REUSEPORT：多线程服务器各自 bind+listen，内核负载均衡，消除 accept 锁竞争
accept4：避免额外的 fcntl 调用设置 NONBLOCK/CLOEXEC
TCP_FASTOPEN：减少一次 RTT（客户端在 SYN 中携带数据）
连接池：避免频繁 connect 的三次握手和 TIME_WAIT 开销

常见陷阱与 FAQ¶

1. 忘记网络字节序转换¶

// 错误：直接赋值端口号
addr.sin_port = 8080;  // 在小端机器上变成 0x901F

// 正确：htons 转换
addr.sin_port = htons(8080);  // 正确的网络字节序 0x1F90

2. connect 超时太长¶

默认 TCP connect 超时约 2 分钟（内核重试 SYN）。对于需要快速失败的场景：

// 方法1：非阻塞 connect + epoll + 自定义超时
// 方法2：setsockopt 设置 TCP_USER_TIMEOUT
int timeout_ms = 3000;
setsockopt(fd, IPPROTO_TCP, TCP_USER_TIMEOUT, &timeout_ms, sizeof(timeout_ms));

3. read 返回的数据量不确定¶

TCP 是字节流，没有消息边界：

// 发送方：
write(fd, "hello world", 11);

// 接收方可能收到：
// 一次 read: "hello world" (11字节)
// 或两次 read: "hello" + " world"
// 或三次 read: "hel" + "lo wo" + "rld"

// 需要应用层协议界定消息边界（长度前缀、分隔符等）

观测与调试¶

# 查看监听端口
ss -tlnp

# 查看连接状态
ss -tnp dst :8080

# 查看 backlog 使用情况
ss -tlnp | grep 8080
# Recv-Q: 当前 Accept 队列中的连接数
# Send-Q: Accept 队列最大值（backlog）

# strace 看连接过程
strace -e trace=socket,bind,listen,accept4,connect -f ./server

延伸阅读¶

man 7 socket — socket 通用概念
man 7 tcp / man 7 udp — 协议特定行为
man 7 ip — IP 层选项
Stevens《Unix Network Programming》第一卷 — 经典教材