14.1 Socket 套接字編程入門_ZenDei技術網路在線

Winsock是Windows操作系統上的套接字API，用於在網路上進行數據通信。套接字通信是一種允許應用程式在電腦網路上進行實時數據交換的技術。通過使用Windows提供的API，應用程式可以創建一個套接字來進行數據通信。這個套接字可以綁定到一個埠，以允許其他應用程式連接它。另外，Winsoc... ...

Winsock是Windows操作系統上的套接字API，用於在網路上進行數據通信。套接字通信是一種允許應用程式在電腦網路上進行實時數據交換的技術。通過使用Windows提供的API，應用程式可以創建一個套接字來進行數據通信。這個套接字可以綁定到一個埠，以允許其他應用程式連接它。另外，Winsock可以使用TCP/IP、UDP等協議來完成不同類型的數據傳輸任務。在網路應用程式開發中，套接字通信可以幫助應用程式開發者實現客戶端/服務端模型，並實現數據的可靠傳輸。

一般套接字通信需要經歷，創建套接字(Socket)，綁定(Bind)，監聽(Listen)，接受(Accept)，連接(Connect)，發送數據(Send)，接收數據(Receive)，關閉(Close)等幾個關鍵步驟，當讀者需要使用網路通信時需引入winsock2.h頭文件，並通過#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")包含對應庫，需要註意的是該頭文件與windows.h頭衝突，如果兩者同時存在則會出現編譯不通過的情況；

14.1.1 服務端通信

（1）WSAStartup(MAKEWORD(2, 0), &WSAData)

當讀者需要使用套接字編程時，不論是服務端還是客戶端都需要調用WSAStartup初始化套接字型檔，該函數接受兩個參數傳遞，第一個參數一般預設會傳遞MAKEWORD(2, 0) 它是一個巨集，用於將兩個8位的位元組合併成一個16位的字，在MAKEWORD(2, 0)中，括弧內的數字分別代表高位位元組（2）和低位位元組（0），巨集會將它們合併成一個16位的無符號short整型數據，即0000001000000000（二進位），表示Winsock的版本號為2.0。第二個參數WSADATA結構體，用於Winsock初始化時存儲相關的信息，一般會在全局WSADATA WSAData;直接定義得到。

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <WS2tcpip.h>

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

// 定義結構體
WSADATA WSAData;

// 啟動winsock中的WSAStartup()函數對Winsock DLL進行初始化
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 0), &WSAData) == SOCKET_ERROR)
{
    std::cout << "WSA動態庫初始化失敗" << std::endl;
    return 0;
}

（2）socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)

通信的第二步則是調用Socket()函數，該函數是用於創建一個套接字的系統調用。在該函數中，給定三個參數，分別為地址族(Address Family)、套接字類型(Socket Type)和協議(Protocol)，套接字在初始化並完成時會返回一個SOCKET類型的文件描述符句柄，此處我們將該句柄存儲至server_socket變數內。AF_INET用於指定套接字地址族為IPv4類型，SOCK_STREAM則用於指定該套接字的類型為流式套接字，用於面向連接的可靠數據傳輸(TCP協議)。

// 服務進程創建套接字句柄（用於監聽）
SOCKET server_socket;

// 調用socket()函數創建一個流套接字，參數（網路地址類型，套接字類型，網路協議）
if ((server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == ERROR)
{
  std::cout << "Socket 創建失敗" << std::endl;
  WSACleanup();
  return 0;
}

（3）bind(server_socket, (LPSOCKADDR)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr))

套接字編程的第三步則是綁定，套接字的綁定需要調用bind()函數實現，該函數接受三個參數傳遞，第一個參數是socket()中創建的套接字文件描述符句柄，該參數用於指定針對哪一個套接字進行操作，第二個參數則是sockaddr_in類型的結構體，該結構體內用於指定需要綁定套接字的具體類型參數等信息，在如下代碼中我們通過ServerAddr.sin_family = AF_INET;將套接字類型設置為了互聯網域模式，通過ServerAddr.sin_port = htons(9999);指定了需要綁定的埠號，而ServerAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");則用於指定了要綁定本機的那個網口，一般而言如果讀者需要在本機使用此處可填入127.0.0.1而如果偵聽任意一個網口則可使用0.0.0.0，第三個參數則是傳入結構體的長度，此處通過sizeof(ServerAddr)方法得到，最終將結構體ServerAddr直接填入綁定函數即可實現對網路套接字的綁定。

// 結構sockaddr_in用來標識TCP/IP協議下的地址，可強制轉換為sockaddr結構
struct sockaddr_in ServerAddr;

// 欄位sin_family必須設為AF_INET，表示該Socket處於Internet域
ServerAddr.sin_family = AF_INET;

// 欄位sin_port用於指定服務埠，註意避免衝突
ServerAddr.sin_port = htons(9999);

// 欄位sin_addr用於把一個IP地址保存為一個4位元組，無符號長整型，根據不同用法還可表示本地或遠程IP地址
// 該欄位可以直接使用INADDR_ANY代表偵聽所有地址，也可指定地址
ServerAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");

// 調用bind()函數將本地地址綁定到所創建的套接字上，以在網路上標識該套接字
if (bind(server_socket, (LPSOCKADDR)&ServerAddr, sizeof(ServerAddr)) == SOCKET_ERROR)
{
  std::cout << "綁定套接字失敗" << std::endl;
  closesocket(server_socket);
  WSACleanup();
  return 0;
}

（4）listen(server_socket, 10)

當套接字被綁定後，接下來則是偵聽套接字，通過調用listen()函數將套接字置入監聽模式並準備接受連接請求，該函數需要傳入兩個參數，參數1為套接字套接字句柄，參數二為偵聽套接字最大連接數，如果進入偵聽狀態則說明該套接字是等待連接狀態，一旦伺服器接受了連接，它可以使用返回的套接字對象與發起連接的客戶端進行通信。

// 將 ServerAddr.sin_addr 網路位元組序,轉為本機偵聽IP地址
char local_address[20];
inet_ntop(AF_INET, &ServerAddr.sin_addr, local_address, 16);
std::cout << "偵聽本地地址: " << local_address << " 偵聽本地埠: " << ntohs(ServerAddr.sin_port) << std::endl;

// 參數（已捆綁未連接的套接字描述字，正在等待連接的最大隊列長度）
if (listen(server_socket, 10) == SOCKET_ERROR)
{
  std::cout << "偵聽套接字失敗" << std::endl;
  closesocket(server_socket);
  WSACleanup();
  return 0;
}

（5）accept(server_socket, (LPSOCKADDR)0, (int*)0)

當一個套接字進入偵聽狀態後則下一步是需要等待有客戶端連接到本端，當伺服器通過調用listen()函數開始監聽連接請求時，客戶端可以通過使用connect()函數嘗試與伺服器建立連接。一旦客戶端發送連接請求，伺服器將收到通知。然後伺服器可以使用accept()函數接受連接請求並創建一個新的套接字對象，該對象可以用於與客戶端進行通信。

accept() 函數通常在一個迴圈中使用，以便伺服器可以在等待新連接時繼續處理已連接的客戶端。每次調用accept()函數時，如果有連接請求，則函數將阻塞直到一個連接請求被接受。一旦連接請求被接受，函數將返回一個新的套接字對象和客戶端的地址信息。

在接受連接請求並創建新的套接字對象之後，伺服器可以使用該對象與客戶端進行通信。同時，伺服器可以使用原始的server_socket套接字對象來等待更多的連接請求，以便能夠接受更多的客戶端連接。

如下的代碼中當accept()接收到等待消息時，則會將該句柄保存至message_socket變數內，此時用戶只需要向該指針中發送recv()或接收send()數據即可，此時套接字通信即可正式被建立起來。

// 數據接收緩衝區
SOCKET message_socket;
char buf[8192] = {0};
while (1)
{
  // 進入監聽狀態後，調用accept()函數接收客戶端的連接請求，並把連接傳給msgsock套接字
  // 原sock套接字繼續監聽其他客戶機連接請求
  if ((message_socket = accept(server_socket, (LPSOCKADDR)0, (int*)0)) == INVALID_SOCKET)
  {
    continue;
  }

  // 初始化數據接收緩衝區
  memset(buf, 0, sizeof(buf));
   
  // 接收客戶端發送過來的數據
  bool ref = recv(message_socket, buf, 8192, 0);
  if (ref != 0)
  {
    std::cout << "接收數據: " << buf << std::endl;
  }
  
  // 關閉子套接字
  closesocket(message_socket);
}

至此我們的服務端將被運行起來，需要註意的是服務端程式如果需要結束本次會話則需要手動調用closesocket(server_socket);關閉一個套接字句柄，當整個進程執行結束後讀者還需要調用WSACleanup()終止對Winsock DLL的使用，並釋放資源。

14.1.2 客戶端通信

對於客戶端通信而言其流程與服務端通信基本保持一致，該流程分別是，創建套接字，連接到伺服器，建立連接，發送數據，關閉連接，對於初始化部分客戶端通信與服務端沒有任何區別，唯一的區別在於對於服務端而言一般是使用listen()函數偵聽套接字，而對於客戶端而言則是使用connect()函數連接到服務端，一旦連接建立成功，客戶端可以通過向伺服器發送數據來與伺服器進行通信。

在調用connect(socket_addr)時，需要傳遞一個參數sockaddr。sockaddr 是一個結構體，包含了客戶端與伺服器的地址信息，包括其IP地址和埠號。在C/C++中，sockaddr 結構體通常被定義為sockaddr_in結構體，包含了IP地址和埠號等信息。如果連接建立成功，connect() 函數將返回 0。如果連接失敗，則會返回一個錯誤代碼，其中最常見的錯誤是連接超時或目標主機拒絕連接。

一旦連接建立成功，客戶端可以使用新創建的套接字對象向伺服器發送數據，並使用recv()函數從伺服器接收數據。一般來說，在與伺服器進行通信之前，客戶端套接字需要使用bind()函數指定一個本地地址和埠，以確保數據可以正確地傳輸。

int main(int argc, char* argv[])
{
  char buf[8192] = { 0 };

  while (1)
  {
    std::cout << "發送數據: ";
    int inputLen = 0;
    memset(buf, 0, sizeof(buf));

    // 輸入以回車鍵為結束標識
    while ((buf[inputLen++] = getchar()) != '\n'){ ; }

    // 初始化
    WSADATA WSAData;
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 0), &WSAData) == SOCKET_ERROR)
    {
      continue;
    }

    // 創建套接字
    SOCKET client_socket;
    if ((client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == SOCKET_ERROR)
    {
      WSACleanup();
      continue;
    }

    // 填充通信結構體
    struct sockaddr_in ClientAddr;
    ClientAddr.sin_family = AF_INET;
    ClientAddr.sin_port = htons(9999);
    ClientAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    // 連接到服務端
    if (connect(client_socket, (LPSOCKADDR)&ClientAddr, sizeof(ClientAddr)) == SOCKET_ERROR)
    {
      closesocket(client_socket);
      WSACleanup();
      continue;
    }

    // 向服務端發送數據
    send(client_socket, buf, 8192, 0);

    // 關閉套接字
    closesocket(client_socket);
    WSACleanup();
  }

  return 0;
}

讀者可自行運行上述程式，啟動服務端與客戶端，併發送測試數據觀察變化，當發送數據後讀者應該能看到如下圖所示的提示信息；

本文作者：王瑞
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文章作者：lyshark (王瑞)
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