第2章 Socket编程入门

第2章：Socket编程入门——什么是Socket？Socket类型（TCP/UDP），Socket API函数详解

各位同学，今天我们来聊聊Socket编程。说实话，很多初学者一听到Socket就觉得头大，觉得这是网络编程里最难啃的骨头。但我想告诉你，Socket其实没那么神秘。

我刚开始做嵌入式开发那会儿，第一次接触Socket，翻了好几本教材，越看越糊涂。后来我干脆放下书，自己写了个最简单的收发程序，跑通了之后，回头再看那些概念，一下子就通了。所以今天，我也打算用这种「先动手、再理解」的方式来带你入门。

2.1 什么是Socket？

Socket，中文叫「套接字」。这个名字翻译得挺拗口的，我更喜欢把它理解成「网络通信的插座」。

你想想看，家里要用电，墙上得有个插座。设备插上去，电就通了。网络通信也一样——两个程序要互相发数据，中间得有个「插座」来连接。这个插座，就是Socket。

更准确地说，Socket是操作系统提供的一个编程接口。它把复杂的网络协议栈（TCP/IP）封装成了几个简单的函数调用。你不需要知道数据是怎么分包、怎么路由、怎么重传的，只需要调用send()和recv()，数据就发出去了、收回来了。

一句话总结：Socket是应用层与传输层之间的桥梁。它让你用读写文件的方式，来读写网络数据。

2.2 Socket的类型：TCP vs UDP

Socket主要分两种：TCP Socket和UDP Socket。这两种的区别，说白了就是「打电话」和「寄明信片」的区别。

特性	TCP Socket	UDP Socket
连接方式	面向连接（先建立连接，再通信）	无连接（直接发数据）
可靠性	可靠传输，数据不丢失、不乱序	不可靠，可能丢包、乱序
传输效率	较低（有握手、确认、重传机制）	较高（没有额外开销）
应用场景	文件传输、网页浏览、邮件	视频直播、DNS查询、游戏
Socket类型	`SOCK_STREAM`	`SOCK_DGRAM`

我在项目中遇到过这样一个坑：有个同事做设备间的状态同步，图省事用了UDP。结果现场测试时，状态更新经常丢包，设备显示的数据对不上。后来改成TCP，问题就解决了。所以我的建议是：如果你不确定用哪种，先选TCP。TCP虽然慢一点，但它靠谱。

我的个人习惯：控制类、状态同步类的通信，一律用TCP。日志上报、心跳检测这类可以容忍丢包的，才考虑UDP。

2.3 Socket API函数详解

好了，概念讲完了，咱们来看代码。Socket编程的核心API就这几个函数，我按使用顺序给你捋一遍。

2.3.1 socket()——创建Socket

这是第一步。就像你要打电话，得先有个电话机一样。

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

domain：协议族。一般用AF_INET（IPv4）或AF_INET6（IPv6）。
type：Socket类型。SOCK_STREAM是TCP，SOCK_DGRAM是UDP。
protocol：协议号。通常填0，让系统自动选择。

返回值是一个文件描述符。如果返回-1，说明创建失败了。

注意：创建Socket后，它只是一个「空壳子」，还没有绑定任何地址和端口。接下来你需要用bind()来给它「上户口」。

2.3.2 bind()——绑定地址和端口

这个函数的作用，是把Socket和本地的IP地址、端口号绑定在一起。服务器端一般都要调用它。

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

我刚开始学的时候，经常忘记初始化struct sockaddr_in结构体，结果bind总是失败。后来养成习惯，每次都用memset()清零一下，再也没出过问题。

struct sockaddr_in server_addr;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);  // 监听所有网卡
server_addr.sin_port = htons(8080);               // 端口号

bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

避坑指南：我曾经遇到过bind返回EADDRINUSE错误，原因是上次程序退出后端口没有释放。解决方案是设置SO_REUSEADDR选项，允许重用地址。

2.3.3 listen()——监听连接

这是TCP服务器特有的函数。它告诉内核：这个Socket要开始监听客户端的连接请求了。

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

backlog参数表示连接请求队列的最大长度。一般设为5或10就够了。设得太大反而浪费内存。

2.3.4 accept()——接受连接

这个函数会阻塞，直到有客户端连接进来。它返回一个新的Socket文件描述符，用于和这个客户端通信。

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

注意：原来的Socket还在监听，新返回的Socket才是用来收发数据的。这个设计很巧妙——一个Socket负责「接客」，多个Socket负责「服务」。

2.3.5 connect()——发起连接

这是客户端用的函数。它向服务器发起连接请求。

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

如果服务器没开、或者网络不通，connect会返回-1。我记得有一次调试，服务器IP写错了，connect一直超时，查了半天才发现是IP少写了一位。嗯，这种低级错误，谁还没犯过呢？

2.3.6 send() 和 recv()——收发数据

连接建立之后，就可以用这两个函数来通信了。

#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

send()：发送数据。返回实际发送的字节数。如果返回-1，说明发送失败。
recv()：接收数据。返回实际接收的字节数。如果返回0，说明对方关闭了连接。

重要提醒：send()不一定一次就把所有数据发完，recv()也不一定一次就把所有数据收完。你需要用循环来确保数据完整传输。这个坑，我踩过不止一次。

2.4 一个完整的TCP通信示例

光说不练假把式。下面是一个最简单的TCP服务器和客户端代码，你可以在自己的开发板上跑一下试试。

服务器端（server.c）：

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

int main() {
    int server_fd, client_fd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);
    char buffer[1024] = {0};

    // 1. 创建Socket
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 2. 绑定地址
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(8080);
    bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

    // 3. 监听
    listen(server_fd, 5);

    // 4. 接受连接
    client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);

    // 5. 接收数据
    recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0);
    printf("收到: %s\n", buffer);

    // 6. 关闭
    close(client_fd);
    close(server_fd);
    return 0;
}

客户端（client.c）：

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char *message = "Hello, Socket!";

    // 1. 创建Socket
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 2. 设置服务器地址
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080);
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);

    // 3. 连接服务器
    connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

    // 4. 发送数据
    send(sockfd, message, strlen(message), 0);

    // 5. 关闭
    close(sockfd);
    return 0;
}

先启动服务器，再启动客户端。如果一切正常，服务器会打印出「收到: Hello, Socket!」。

我的建议：第一次跑通这个例子后，试着改一改——比如让客户端发多次数据，或者让服务器回复一条消息。动手改代码，比看十遍书都管用。

2.5 本章小结

这一章我们讲了Socket的基本概念、TCP和UDP的区别，以及六个核心API函数。说白了，Socket编程就是一套固定的流程：创建、绑定、监听、接受/连接、收发、关闭。你把这个流程记熟了，后面再学多线程、非阻塞、epoll这些高级话题，就轻松多了。

下一章，我们会用Python来写一个更实用的Socket程序，把今天学的这些API用Python的socket模块重新实现一遍。你会发现，Python写起来比C简洁太多了。

好了，今天就到这里。有问题随时问我，咱们下节课见。

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