一、核心概念：IP、端口、网络字节序

1. IP 地址（复习+编程视角）

• 本质：in_addr 结构体，一个 32 位无符号整数。
• 常用表示：点分十进制字符串 "192.168.1.10"。
• 编程转换函数：

#include <arpa/inet.h>

// 点分十进制字符串 → 网络字节序的32位整数
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);

// 网络字节序32位整数 → 点分十进制字符串
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);

过时的 inet_addr() 和 inet_ntoa() 已不推荐（不支持 IPv6，线程不安全）。

2. 端口号（Port）

• 本质：16 位无符号整数，范围 0~65535。
• 0~1023：知名端口（HTTP=80，HTTPS=443，SSH=22），需要 root 权限绑定。
• 1024~49151：注册端口。
• 49152~65535：动态/私有端口（客户端临时使用）。

作用：让传输层知道把数据交给哪个应用进程。

3. 网络字节序（大端 vs 小端）

• 问题：不同 CPU 存储多字节数据的方式不同。

  • 大端（Big Endian）：高位字节存低地址（网络传输用这个）。
  • 小端（Little Endian）：低位字节存低地址（x86、ARM 默认）。

• 转换函数（<arpa/inet.h>）：

uint16_t htons(uint16_t hostshort);   // 主机序 → 网络序（16位，用于端口）
uint32_t htonl(uint32_t hostlong);    // 主机序 → 网络序（32位，用于IPv4）
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);    // 网络序 → 主机序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

口诀：host to network short / long。

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二、Socket API 核心函数速览

函数	作用	关键参数
socket()	创建套接字	协议族（AF_INET）、类型（SOCK_STREAM/SOCK_DGRAM）
bind()	绑定本地地址和端口	struct sockaddr_in
listen()	将套接字设为被动监听（仅 TCP）	最大等待连接数
accept()	从已完成连接队列取一个连接（仅 TCP）	返回新的 client_fd
connect()	主动发起连接（客户端）	服务器地址
send() / recv()	TCP 收发数据	已连接套接字
sendto() / recvfrom()	UDP 收发数据	需指定对方地址
close()	关闭套接字	文件描述符

通用地址结构：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t    sin_family;   // AF_INET
    in_port_t      sin_port;     // 端口（网络字节序）
    struct in_addr sin_addr;     // IP地址（网络字节序）
};

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三、UDP 客户端/服务器实现

UDP 是无连接、不可靠、面向数据报的。代码最简单。

服务器端核心步骤

// 1. 创建 socket
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

// 2. 绑定地址
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(8080);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;   // 监听所有网卡
bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));

// 3. 循环接收
char buf[1024];
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t len = sizeof(client_addr);
while (1) {
    ssize_t n = recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0,
                         (struct sockaddr*)&client_addr, &len);
    // 处理数据，可通过 sendto 回复
    sendto(sockfd, buf, n, 0, (struct sockaddr*)&client_addr, len);
}

客户端核心步骤

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(8080);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);

sendto(sockfd, "hello", 5, 0, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

注意：UDP 客户端可以不显式 bind，系统会自动分配临时端口。

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四、TCP 单连接版本（迭代服务器）

TCP 是面向连接、可靠、字节流协议。

服务器（一次只能处理一个客户端）

int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// ... bind 同上 ...
listen(listenfd, 5);   // 最大等待队列长度

while (1) {
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t len = sizeof(client_addr);
    int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &len);

    // 处理这个客户端，直到它断开
    char buf[1024];
    while (1) {
        ssize_t n = recv(connfd, buf, sizeof(buf), 0);
        if (n <= 0) break;   // 对方关闭或出错
        send(connfd, buf, n, 0);   // 回声
    }
    close(connfd);
}

客户端

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// ... connect 到服务器 ...
connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

// 发送请求，接收响应
send(sockfd, "hello", 5, 0);
char buf[1024];
recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
close(sockfd);

缺点：一个客户端占用期间，其他客户端只能排队等 accept。

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五、TCP 多进程版本（经典并发模型）

核心思路：accept 返回后，fork() 一个子进程专门处理这个客户端，父进程继续 accept。

int listenfd = socket(...);
bind(...);
listen(...);

while (1) {
    int connfd = accept(listenfd, ...);
    
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        // 子进程
        close(listenfd);        // 子进程不需要监听套接字
        // 处理客户端...
        close(connfd);
        exit(0);
    } else {
        // 父进程
        close(connfd);          // 父进程不需要已连接套接字
        // 可选：回收子进程避免僵尸进程（信号处理）
    }
}

必须注意的两点：

1. 僵尸进程：父进程需调用 waitpid 或忽略 SIGCHLD 信号（signal(SIGCHLD, SIG_IGN)）。
2. 文件描述符泄漏：子进程复制了父进程的 listenfd 和 connfd，需要按需 close。

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六、TCP 多线程版本（轻量级并发）

核心思路：每来一个连接，创建一个线程去处理。

void *client_handler(void *arg) {
    int connfd = *(int*)arg;
    free(arg);   // 如果动态分配了内存
    // 处理客户端...
    close(connfd);
    return NULL;
}

int main() {
    int listenfd = socket(...);
    // ... bind, listen ...

    while (1) {
        int *connfd_ptr = malloc(sizeof(int));
        *connfd_ptr = accept(listenfd, ...);

        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, NULL, client_handler, connfd_ptr);
        pthread_detach(tid);   // 分离线程，自动回收资源
    }
}

对比多进程：

• 线程：共享地址空间，创建销毁开销小，但需注意线程安全。
• 进程：隔离性好，一个子进程崩溃不影响主进程，但开销较大。

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七、TCP 连接建立、数据传输、断开全流程

用代码视角重温三次握手和四次挥手。

1. 建立连接（三次握手）

步骤	客户端调用	服务器调用	TCP 状态变化
①	connect() 阻塞	（listen 后等待）	客户端发 SYN → SYN_SENT
②	仍阻塞	accept() 阻塞	服务器收到 SYN → SYN_RCVD；回复 SYN+ACK
③	connect() 返回	accept() 返回新 fd	客户端回复 ACK → ESTABLISHED

若 listen 的已完成连接队列满了，新的 SYN 会被忽略或回复 RST。

2. 数据传输

• send()：将数据拷贝到内核发送缓冲区，默认阻塞直到有空闲空间。
• recv()：从内核接收缓冲区取数据，默认阻塞直到有数据。

TCP 是字节流，没有消息边界，需应用层自己处理粘包/拆包（如长度前缀、分隔符）。

3. 断开连接（四次挥手）

步骤	主动关闭方（如客户端）	被动关闭方（服务器）	TCP 状态
①	close() → 发 FIN	recv() 返回 0	FIN_WAIT_1
②	—	收到 FIN，回复 ACK	CLOSE_WAIT（客户端进 FIN_WAIT_2）
③	—	处理完剩余数据，close() 发 FIN	LAST_ACK
④	收到 FIN，回复 ACK	收到 ACK	TIME_WAIT（客户端） / CLOSED（服务器）

关键细节：

• recv() 返回 0 表示对方已关闭连接（正常断开）。
• 主动关闭方会进入 TIME_WAIT 状态（约 2MSL，60 秒），确保最后的 ACK 能到达对方。

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八、补充：常见陷阱与调试技巧

1. bind 失败：Address already in use
   • 原因：上次程序退出后，端口仍在 TIME_WAIT。
   • 解决：设置 SO_REUSEADDR 选项。

int opt = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

2. send 返回值小于预期

   • TCP 可能只发送了部分数据，需循环发送剩余部分。

3. recv 返回值 0

   • 不是错误，是对端正常关闭连接。

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