windows C++ 网络编程
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一、什么是Socket
socket即套接字，用于描述地址和端口，是一个通信链的句柄。应用程序通过socket向网络发出请求或者回应。
sockets(套接字)编程有三种，流式套接字（SOCK_STREAM），数据报套接字（SOCK_DGRAM），原始套接字（SOCK_RAW）；前两种较常用。基于TCP的socket编程是采用的流式套接字。
（1）SOCK_STREAM：字节流传输，表示面向连接的数据传输方式。数据可以准确无误地到达另一台计算机，如果损坏或丢失，可以重新发送，但效率相对较慢。常用的HTTP协议就使用SOCK_STREAM传输数据，因为要确保数据的正确性，否则网页不能正常解析。
（2）SOCK_DGRAM：数据报传输，表示无连接的数据传输方式。计算机只管传输数据，不作数据校验，如果数据在传输中损坏，或者没有到达另一台计算机，是没有办法补救的。也就是说，数据错了就错了，无法重传。因为SOCK_DGRAM所做的校验工作少，所以效率比SOCK_STREAM高。
QQ视频聊天和语音聊天就使用SOCK_DGRAM传输数据，因为首先要保证通信的效率，尽量减小延迟，而数据的正确性是次要的，即使丢失很小的一部分数据，视频和音频也可以正常解析，最多出现噪点或杂音，不会对通信质量有实质的影响。
注意：SOCK_DGRAM没有想象中的糟糕，不会频繁的丢失数据，数据错读只是小概率事件。
有可能多种协议使用同一种数据传输方式，所以在socket编程中，需要同时指明数据传输方式和协议。
二、客户端/服务端模式：
在TCP/IP网络应用中，通信的两个进程相互作用的主要模式是客户/服务器模式，即客户端向服务器发出请求，服务器接收请求后，提供相应的服务。客户/服务器模式的建立基于以下两点：
（1）建立网络的起因是网络中软硬件资源、运算能力和信息不均等，需要共享，从而就让拥有众多资源的主机提供服务，资源较少的客户请求服务这一非对等作用。
（2）网间进程通信完全是异步的，相互通信的进程间既不存在父子关系，又不共享内存缓冲区。
因此需要一种机制为希望通信的进程间建立联系，为二者的数据交换提供同步，这就是基于客户/服务端模式的TCP/IP。
服务端：建立socket，声明自身的端口号和地址并绑定到socket，使用listen打开监听，然后不断用accept去查看是否有连接，如果有，捕获socket，并通过recv获取消息的内容，通信完成后调用closeSocket关闭这个对应accept到的socket，如果不再需要等待任何客户端连接，那么用closeSocket关闭掉自身的socket。
客户端：建立socket，通过端口号和地址确定目标服务器，使用Connect连接到服务器，send发送消息，等待处理，通信完成后调用closeSocket关闭socket。
三、TCP 编程步骤
（1）服务端
1、加载套接字库，创建套接字（WSAStartup()/socket()）;
2、绑定套接字到一个IP地址和一个端口上（bind()）;
3、将套接字设置为监听模式等待连接请求（listen()）；
4、请求到来后，接受连接请求，返回一个新的对应于此次连接的套接字（accept()）；
5、用返回的套接字和客户端进行通信（send()/recv()）；
6、返回，等待另一个连接请求；
7、关闭套接字，关闭加载的套接字库（closesocket()/WSACleanup()）；
（2）客户端
1、加载套接字库，创建套接字（WSAStartup()/socket()）；
2、向服务器发出连接请求（connect()）；
3、和服务器进行通信（send()/recv()）；
4、关闭套接字，关闭加载的套接字库（closesocket()/WSACleanup()）；
代码演示，基于TCP的C/S模型
1 /* 2 TCP服务端程序 3 */ 4 5 #include "pch.h" 6 #include <iostream> 7 #include <winsock2.h> 8 9 #pragma comment(lib,"ws2_32.lib") 10 using namespace std; 11 12 int main(int argc, char* argv[]) 13 { 14 //初始化WSA 15 WORD sockVersion = MAKEWORD(2, 2); 16 WSADATA wsaData; 17 if (WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0) 18 { 19 return 0; 20 } 21 22 //创建套接字 23 SOCKET slisten = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); 24 if (slisten == INVALID_SOCKET) 25 { 26 cout << "create socket error !" << endl; 27 return 0; 28 } 29 30 //绑定IP和端口 31 sockaddr_in sin; 32 sin.sin_family = AF_INET; 33 sin.sin_port = htons(8888); 34 sin.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY; 35 if (bind(slisten, (LPSOCKADDR)&sin, sizeof(sin)) == SOCKET_ERROR) 36 { 37 cout << "bind error !" << endl; 38 } 39 40 //开始监听 41 if (listen(slisten, 5) == SOCKET_ERROR) 42 { 43 cout << "listen error !" << endl; 44 return 0; 45 } 46 47 //循环接收数据 48 SOCKET sClient; 49 sockaddr_in remoteAddr; 50 int nAddrlen = sizeof(remoteAddr); 51 char revData[255]; 52 while (true) 53 { 54 cout << "阻塞。。。。等待连接。。。" << endl; 55 sClient = accept(slisten, (SOCKADDR *)&remoteAddr, &nAddrlen); 56 if (sClient == INVALID_SOCKET) 57 { 58 cout << "accept error !" << endl; 59 continue; 60 } 61 62 cout << "接受到一个连接：" << inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr) << endl; 63 64 //接收数据 65 int ret = recv(sClient, revData, 255, 0); 66 if (ret > 0) 67 { 68 revData[ret] = 0x00; 69 printf(revData); 70 } 71 72 //发送数据 73 const char * sendData = "你好，TCP客户端！\n"; 74 send(sClient, sendData, strlen(sendData), 0); 75 closesocket(sClient); 76 } 77 78 closesocket(slisten); 79 WSACleanup(); 80 return 0; 81 }
1 /* 2 TCP客户端代码 3 */ 4 5 #include "stdafx.h" 6 #include<winsock2.h> 7 #include<iostream> 8 #include<string> 9 10 using namespace std; 11 #pragma comment(lib, "ws2_32.lib") 12 13 int main() 14 { 15 WORD sockVersion = MAKEWORD(2, 2); 16 WSADATA data; 17 if (WSAStartup(sockVersion, &data) != 0) 18 { 19 return 0; 20 } 21 22 while (true) 23 { 24 SOCKET sclient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); 25 if (sclient == INVALID_SOCKET) 26 { 27 cout << "invalid socket!" << endl; 28 return 0; 29 } 30 31 sockaddr_in serAddr; 32 serAddr.sin_family = AF_INET; 33 serAddr.sin_port = htons(8888); 34 serAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1"); 35 if (connect(sclient, (sockaddr *)&serAddr, sizeof(serAddr)) == SOCKET_ERROR) 36 { 37 //连接失败 38 cout << "connect error !" << endl; 39 closesocket(sclient); 40 return 0; 41 } 42 43 string data; 44 cin >> data; 45 const char * sendData; 46 sendData = data.c_str(); //string转const char* 47 48 /* 49 send()用来将数据由指定的socket传给对方主机 50 int send(int s, const void * msg, int len, unsigned int flags) 51 s为已建立好连接的socket，msg指向数据内容，len则为数据长度，参数flags一般设0 52 成功则返回实际传送出去的字符数，失败返回-1，错误原因存于error 53 */ 54 send(sclient, sendData, strlen(sendData), 0); 55 56 char recData[255]; 57 int ret = recv(sclient, recData, 255, 0); 58 if (ret>0) 59 { 60 recData[ret] = 0x00; 61 cout << recData << endl; 62 } 63 closesocket(sclient); 64 } 65 66 WSACleanup(); 67 68 system("pause"); 69 return 0; 70 }
说明：服务端的accept函数是阻塞的，如果客户端不发起连接会一直阻塞。
下面是UDP的C/S模型代码
UDP服务端
1 #include <stdio.h> 2 #include <winsock2.h> 3 4 #pragma comment(lib,"ws2_32.lib") 5 6 int main(int argc, char* argv[]) 7 { 8 WSADATA wsaData; 9 WORD sockVersion = MAKEWORD(2,2); 10 if(WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0) 11 { 12 return 0; 13 } 14 15 SOCKET serSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); 16 if(serSocket == INVALID_SOCKET) 17 { 18 printf("socket error !"); 19 return 0; 20 } 21 22 sockaddr_in serAddr; 23 serAddr.sin_family = AF_INET; 24 serAddr.sin_port = htons(8888); 25 serAddr.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY; 26 if(bind(serSocket, (sockaddr *)&serAddr, sizeof(serAddr)) ==SOCKET_ERROR) 27 { 28 printf("bind error !"); 29 closesocket(serSocket); 30 return 0; 31 } 32 33 sockaddr_in remoteAddr; 34 int nAddrLen = sizeof(remoteAddr); 35 while (true) 36 { 37 char recvData[255]; 38 int ret = recvfrom(serSocket, recvData, 255, 0, (sockaddr*)&remoteAddr, &nAddrLen); 39 if (ret > 0) 40 { 41 recvData[ret] = 0x00; 42 printf("接受到一个连接：%s \r\n",inet_ntoa(remoteAddr.sin_addr)); 43 printf(recvData); 44 } 45 46 const char * sendData = "一个来自服务端的UDP数据包\n"; 47 sendto(serSocket, sendData,strlen(sendData), 0, (sockaddr *)&remoteAddr, nAddrLen); 48 49 } 50 closesocket(serSocket); 51 WSACleanup(); 52 return 0; 53 }
UDP客户端
1 #include <stdio.h> 2 #include <winsock2.h> 3 4 #pragma comment(lib,"ws2_32.lib") 5 6 int main(int argc, char* argv[]) 7 { 8 WORD socketVersion = MAKEWORD(2,2); 9 WSADATA wsaData; 10 if(WSAStartup(socketVersion, &wsaData) != 0) 11 { 12 return 0; 13 } 14 SOCKET sclient = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); 15 16 sockaddr_in sin; 17 sin.sin_family = AF_INET; 18 sin.sin_port = htons(8888); 19 sin.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1"); 20 int len = sizeof(sin); 21 22 const char * sendData = "来自客户端的数据包.\n"; 23 sendto(sclient, sendData, strlen(sendData), 0, (sockaddr *)&sin,len); 24 25 char recvData[255]; 26 int ret = recvfrom(sclient, recvData, 255, 0, (sockaddr *)&sin,&len); 27 if(ret > 0) 28 { 29 recvData[ret] = 0x00; 30 printf(recvData); 31 } 32 33 closesocket(sclient); 34 WSACleanup(); 35 return 0; 36 }
四、函数解析
SOCKET socket(int af, int type, int protocol);
Windows 不把套接字作为普通文件对待，而是返回 SOCKET 类型的句柄。
1) af 为地址族（Address Family），也就是 IP 地址类型，常用的有 AF_INET 和 AF_INET6。AF 是“Address Family”的简写，INET是“Inetnet”的简写。AF_INET 表示 IPv4 地址，例如 127.0.0.1；AF_INET6 表示 IPv6 地址，例如 1030::C9B4:FF12:48AA:1A2B。
127.0.0.1，它是一个特殊IP地址，表示本机地址。
也可以使用PF前缀，PF是“Protocol Family”的简写，它和AF是一样的。例如，PF_INET 等价于 AF_INET，PF_INET6 等价于 AF_INET6。
2) type 为数据传输方式，常用的有 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM
3) protocol 表示传输协议，常用的有 IPPROTO_TCP 和 IPPTOTO_UDP，分别表示 TCP 传输协议和 UDP 传输协议。
一般情况下有了 af 和 type 两个参数就可以创建套接字了，操作系统会自动推演出协议类型，除非遇到这样的情况：有两种不同的协议支持同一种地址类型和数据传输类型。
tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP); //IPPROTO_TCP表示TCP协议
这种套接字称为 TCP 套接字。
udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); //IPPROTO_UDP表示UDP协议
这种套接字称为 UDP 套接字。
int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //创建TCP套接字 int udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); //创建UDP套接字
bind() 函数
int bind(SOCKET sock, const struct sockaddr *addr, int addrlen); //Windows
sock 为 socket 文件描述符，addr 为 sockaddr 结构体变量的指针，addrlen 为 addr 变量的大小，可由 sizeof() 计算得出。
sockaddr_in 结构体
struct sockaddr_in{ sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址类型 uint16_t sin_port; //16位的端口号 struct in_addr sin_addr; //32位IP地址 char sin_zero[8]; //不使用，一般用0填充 };
1) sin_family 和 socket() 的第一个参数的含义相同，取值也要保持一致。
2) sin_prot 为端口号。uint16_t 的长度为两个字节，理论上端口号的取值范围为 0~65536，但 0~1023 的端口一般由系统分配给特定的服务程序，例如 Web 服务的端口号为 80，FTP 服务的端口号为 21，所以我们的程序要尽量在 1024~65536 之间分配端口号。端口号需要用 htons() 函数转换。
3) sin_addr 是 struct in_addr 结构体类型的变量。
4) sin_zero[8] 是多余的8个字节，没有用，一般使用 memset() 函数填充为 0。
in_addr 结构体
sockaddr_in 的第3个成员是 in_addr 类型的结构体，该结构体只包含一个成员，如下所示：
struct in_addr{ in_addr_t s_addr; //32位的IP地址 };
为什么使用 sockaddr_in 而不使用 sockaddr
bind() 第二个参数的类型为 sockaddr，而代码中却使用 sockaddr_in，然后再强制转换为 sockaddr，这是为什么呢？
sockaddr 结构体的定义如下：
struct sockaddr{ sa_family_t sin_family; //地址族（Address Family），也就是地址类型 char sa_data[14]; //IP地址和端口号 };
sockaddr 和 sockaddr_in 的长度相同，都是16字节，只是将IP地址和端口号合并到一起，用一个成员 sa_data 表示。要想给 sa_data 赋值，必须同时指明IP地址和端口号，例如”127.0.0.1:80“，遗憾的是，没有相关函数将这个字符串转换成需要的形式，也就很难给 sockaddr 类型的变量赋值，所以使用 sockaddr_in 来代替。这两个结构体的长度相同，强制转换类型时不会丢失字节，也没有多余的字节。
connect() 函数
int connect(SOCKET sock, const struct sockaddr *serv_addr, int addrlen); //Windows
listen() 函数
int listen(SOCKET sock, int backlog); //Windows
sock 为需要进入监听状态的套接字，backlog 为请求队列的最大长度。
当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直到缓冲区满。这个缓冲区，就称为请求队列（Request Queue）。
缓冲区的长度（能存放多少个客户端请求）可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定，但究竟为多少并没有什么标准，可以根据需求来定，并发量小的话可以是10或者20。
如果将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN，就由系统来决定请求队列长度，这个值一般比较大，可能是几百，或者更多。
当请求队列满时，就不再接收新的请求，对于 Linux，客户端会收到 ECONNREFUSED 错误，对于 Windows，客户端会收到 WSAECONNREFUSED 错误。
注意：listen() 只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。
accept() 函数
SOCKET accept(SOCKET sock, struct sockaddr *addr, int *addrlen); //Windows
它的参数与 listen() 和 connect() 是相同的：sock 为服务器端套接字，addr 为 sockaddr_in 结构体变量，addrlen 为参数 addr 的长度，可由 sizeof() 求得。
accept() 返回一个新的套接字来和客户端通信，addr 保存了客户端的IP地址和端口号，而 sock 是服务器端的套接字。后面和客户端通信时，要使用这个新生成的套接字，而不是原来服务器端的套接字。accept() 会阻塞程序执行（后面代码不能被执行），直到有新的请求到来。
send() 函数
int send(SOCKET sock, const char *buf, int len, int flags);
sock 为要发送数据的套接字，buf 为要发送的数据的缓冲区地址，len 为要发送的数据的字节数，flags 为发送数据时的选项。
返回值和前三个参数不再赘述，最后的 flags 参数一般设置为 0 或 NULL，初学者不必深究。
五.其它
Windows 下的 socket 程序依赖 Winsock.dll 或 ws2_32.dll，必须提前加载。
#include <winsock2.h>
使用DLL之前必须把DLL加载到当前程序，可以在编译时加载，也可以在程序运行时加载。这里使用#pragma命令，在编译时加载：
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")
使用DLL之前，还需要调用 WSAStartup() 函数进行初始化，以指明 WinSock 规范的版本，它的原型为：
int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);
wVersionRequested 为 WinSock 规范的版本号，低字节为主版本号，高字节为副版本号（修正版本号）；lpWSAData 为指向 WSAData 结构体的指针。
关于 WinSock 规范：
WinSock 规范的最新版本号为 2.2
wVersionRequested 参数用来指明我们希望使用的版本号，它的类型为 WORD，等价于 unsigned short，是一个整数，所以需要用 MAKEWORD() 宏函数对版本号进行转换。例如：MAKEWORD(1, 2); //主版本号为1，副版本号为2，返回 0x0201
关于 WSAData 结构体
WSAStartup() 函数执行成功后，会将与 ws2_32.dll 有关的信息写入 WSAData 结构体变量。WSAData 的定义如下：
typedef struct WSAData { WORD wVersion; //ws2_32.dll 建议我们使用的版本号 WORD wHighVersion; //ws2_32.dll 支持的最高版本号 char szDescription[WSADESCRIPTION_LEN+1];//一个以 null 结尾的字符串，用来说明 ws2_32.dll 的实现以及厂商信息 char szSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN+1];//一个以 null 结尾的字符串，用来说明 ws2_32.dll 的状态以及配置信息 unsigned short iMaxSockets; //2.0以后不再使用 unsigned short iMaxUdpDg; //2.0以后不再使用 char FAR *lpVendorInfo; //2.0以后不再使用 } WSADATA, *LPWSADATA;
最后3个成员已弃之不用，szDescription 和 szSystemStatus 包含的信息基本没有实用价值，读者只需关注前两个成员即可。
文件描述符有时也被称为文件句柄（File Handle），但“句柄”主要是 Windows 中术语。
