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【网络编程】二、UDP网络套接字编程详解

news 来源：原创 2025/8/16 2:58:15

文章目录

前言
Ⅰ. UDP服务端
- 一、服务器创建流程
- 二、创建套接字 -- socket
- - socket 属于什么类型的接口❓❓❓
  - socket 是被谁调用的❓❓❓
  - socket 底层做了什么❓❓❓和其函数返回值有没有什么关系❓❓❓
- 三、绑定对应端口号、IP地址到套接字 -- bind
- 四、数据的发送和接收 -- `sendto` && `recvfrom`
- 五、搭建服务器框架
- - ① 服务器类实现：udpserver.hpp
  - ② 服务器主函数：udpserver.cpp
  - 绑定INADDR_ANY的好处
Ⅱ. UDP客户端
- 一、客户端创建流程
- 二、创建套接字
- 三、关于客户端的绑定问题
- 四、搭建客户端框架
- - ① 客户端类单进程版实现（读写会互相阻塞）：udpclient.hpp
  - 💥② 客户端类多线程版实现（读写分离）：udpclient.hpp
  - ③ 客户端主函数：udpclient.cpp
Ⅲ. 服务端加入业务处理
- 一、简单的中英文翻译
- 二、简单的远程命令行指令解析
- 三、简易的小聊天室
Ⅳ. windows系统的客户端

前言

UDP 相当于 TCP 来说细节少了很多，所以我们先从简单的 UDP 套接字编程下手，因为其涉及到的细节比较少，也很直接，就是面向报文，服务端拿到信息就直接丢给客户端，丢了也不管，无需我们关系太多细节，等我们把 UDP 套接字编程稍微掌握了，其实 TCP 的那套接口也是类似的，但是我们学 TCP 的时候，需要去了解它的传输细节。

下面我们就从 UDP 套接字编程开始，分为服务端和客户端，我们先讲服务端，客户端也就顺其自然了解了！

Ⅰ. UDP服务端

一、服务器创建流程

创建套接字（socket）
绑定端口号和 IP 地址（一般来说端口号是固定的，而 IP 地址就作为服务器来说，我们设置为 0.0.0.0 或者 INADDR_ANY，表示任意 IP 都能访问）
接收（recvfrom）、发送（sendto）数据，包括对数据的业务处理

二、创建套接字 – socket

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

参数说明：

domain：创建套接字的域或者叫做协议家族，也就是创建套接字的类型。该参数就相当于 struct sockaddr 结构的前 16 位。
- 如果是本地通信就设置为**AF_UNIX**，如果是网络通信就设置为 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）。
type：创建套接字时所需的服务类型。
- 其中最常见的服务类型是 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM，如果是基于 UDP 的网络通信，我们采用的就是**SOCK_DGRAM**，叫做用户数据报服务，如果是基于 TCP 的网络通信，我们采用的就是 SOCK_STREAM，叫做流式套接字，提供的是流式服务。
protocol：创建套接字的协议类别。
- 你可以指明为 TCP 或 UDP，但该字段 一般直接设置为 0 就可以了，设置为 0 表示的就是默认，此时会根据传入的前两个参数自动推导出你最终需要使用的是哪种协议。

返回值说明：

套接字创建 成功返回一个文件描述符，创建失败返回 -1，同时错误码会被设置。

socket 属于什么类型的接口❓❓❓

网络协议栈是分层的，按照 TCP/IP 四层模型来说，自顶向下依次是应用层、传输层、网络层和数据链路层。而我们现在所写的代码都叫做 用户级代码，也就是说我们是在应用层编写代码，因此我们调用的实际是下三层的接口，而传输层和网络层都是在操作系统内完成的，也就意味着我们在应用层调用的接口都叫做 系统调用接口。

socket 是被谁调用的❓❓❓

socket 这个函数是被程序调用的，但并不是被程序在编码上直接调用的，而是程序编码形成的可执行程序运行起来变成进程，当这个进程被 CPU 调度执行到 socket 函数时，然后才会执行创建套接字的代码，也就是说 socket 函数是被进程所调用的。

socket 底层做了什么❓❓❓和其函数返回值有没有什么关系❓❓❓

socket 函数是被进程所调用的，而每一个进程在系统层面上都有一个进程地址空间 PCB（task_struct）、文件描述符表（files_struct） 以及对应打开的各种文件。而文件描述符表里面包含了一个数组 fd_array，其中数组中的 0、1、2 下标依次对应的就是 标准输入、标准输出 以及 标准错误。

、在这里插入图片描述

当我们调用 socket 函数创建套接字时，实际相当于我们打开了一个“网络文件”，打开后在内核层面上就形成了一个对应的 struct file 结构体，同时该结构体被连入到了该进程对应的文件双链表，并将该结构体的首地址填入到了 fd_array 数组当中下标为 3 的位置（除非此时先打开了其它文件描述符），此时 fd_array 数组中下标为 3 的指针就指向了这个打开的“网络文件”，最后该文件描述符作为 socket 函数的返回值返回给了用户。
在这里插入图片描述

其中每一个 struct file 结构体中包含的就是对应打开文件各种信息，比如文件的属性信息、操作方法以及文件缓冲区等。其中文件对应的属性在内核当中是由 struct inode 结构体来维护的，而文件对应的操作方法实际就是一堆的函数指针（比如 read* 和 write*），它们在内核当中就是由 struct file_operations 结构体来维护的。而文件缓冲区对于打开的普通文件来说对应的一般是磁盘，但对于现在打开的 “网络文件” 来说，这里的文件缓冲区对应的就是网卡。

在这里插入图片描述

对于一般的普通文件来说，当用户通过文件描述符将数据写到文件缓冲区，然后再把数据刷到磁盘上就完成了数据的写入操作。而对于现在 socket 函数打开的 “网络文件” 来说，当用户将数据写到文件缓冲区后，操作系统会定期将数据刷到网卡里面，而网卡则是负责数据发送的，因此数据最终就发送到了网络当中。所以可以总结一点，网络中数据的通信，其实就是文件之间的拷贝！

三、绑定对应端口号、IP地址到套接字 – bind

现在套接字已经创建成功了，但作为一款服务器来讲，如果只是把套接字创建好了，本质上只是在系统层面上打开了一个文件，操作系统将来并不知道是要将数据写入到磁盘还是刷到网卡，此时该文件还没有与网络关联起来。

所以我们要绑定对应的端口号、IP 地址到套接字文件中，此时就可以改变网络文件当中文件操作函数的指向，将对应的操作函数改为对应网卡的操作方法，此时读数据和写数据对应的操作对象就是网卡了，所以绑定实际上就是将文件和网络关联起来。而绑定使用的函数就是 bind() 函数！

该函数的函数原型如下：

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

参数说明：

sockfd：套接字描述符，即要绑定的套接字。
addr：一个指向 sockaddr 结构体的指针，该结构体包括协议家族、IP地址、端口号等。
- sin_family：表示协议家族。
- sin_port：表示端口号，是一个 16 位的无符号整数。
- sin_addr：表示 IP 地址，是一个 32 位的无符号整数。
  - 其中 sin_addr 的类型是 struct in_addr，实际该结构体当中就只有一个成员，该成员就是一个 32 位的无符号整数，IP 地址实际就是存储在这个整数当中的。
addrlen：传入的 sockaddr 结构体的大小。

返回值说明：

绑定成功返回 0，绑定失败返回 -1，同时错误码会被设置。

对于上面的参数 addr 来说，一般需要借助到我们之前讲的几个函数来转换格式：

一开始最好将该结构体初始化一下，也就是清空数据。
sin_port 需要转化为网络字节格式也就是大端格式，又因为它是 16 位的，那么就得使用 htons() 函数；
sin_addr 中的 s_addr 其实一般我们是给一个点分十进制字符串，然后通过 inet_addr() 函数将其转化为网络字节序的 32 位无符号整型，但是对于服务器来说没必要这么麻烦，因为 IP 地址直接设为 0.0.0.0 即可，表示任意 IP 都能访问，所以直接用头文件中给的宏 INADDR_ANY。

总结起来就是这样子：

struct sockaddr_in local;
bzero(&local, sizeof local);    // 先将一段local的内存清零，即将其中的每个字节都设置为0local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(_port);  // 因为端口号是多个字节组成，所以要保证先转化为大段序列
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

在这里插入图片描述

关于 struct sockaddr_in 结构体，我们之前有谈过，我们可以用 grep 命令在 /usr/include 目录下查找该结构，此时就可以找到定义该结构的文件。在该文件中就可以找到 struct sockaddr_in 结构的定义，需要注意的是，struct sockaddr_in 属于系统级的概念，不同的平台接口设计可能会有点差别。
/* Structure describing an Internet socket address.  */
struct sockaddr_in
{__SOCKADDR_COMMON (sin_);in_port_t sin_port;				/* Port number.  */struct in_addr sin_addr;		/* Internet address.  *//* Pad to size of `struct sockaddr'.  */unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -__SOCKADDR_COMMON_SIZE -sizeof (in_port_t) -sizeof (struct in_addr)];
};/* Internet address.  */
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
{in_addr_t s_addr;
};

四、数据的发送和接收 – `sendto` && `recvfrom`

UDP 套接字是无连接协议，必须使用 recvfrom 函数接收数据，sendto 函数发送数据！

因为我们之前说过，对于无连接的协议来说，最好就是用上面这两个接口，对于面向连接的协议则不同！

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

作用：该函数用于将数据报发送到指定的目的地。
参数：
- sockfd：表示要发送数据的套接字文件描述符。
- buf：指向要发送的数据缓冲区。
- len：表示要发送的数据长度。
- flags：表示发送数据的选项，一般我们 设为 0 就行了！常用的有 MSG_DONTWAIT 表示非阻塞发送。
- dest_addr：（输入参数）指向目标地址的 sockaddr 结构体指针，包括目标 IP 地址和端口号等信息。
- addrlen：（输入参数）目标地址结构体的大小。
返回值：
- 如果发送成功，返回发送的字节数。
- 如果发送失败，返回 -1，并设置 errno 错误码。

需要注意的是，sendto() 函数是阻塞型函数，如果要进行非阻塞型发送，可以设置 MSG_DONTWAIT 标志或使用 select() 函数等。同时，sendto() 函数在发送数据时不保证数据一定会被对方接收，如果需要保证数据可靠性，应该使用 TCP 协议。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

作用：从已连接的 socket 中接收数据，并将数据存储到指定的缓冲区中。
参数：
- sockfd：已经建立好连接的 socket。
- buf：指向接收数据存放的缓冲区。
- len：缓冲区长度。
- flags：读取方式，一般设为 0，阻塞式读取。
- src_addr：（输出型参数）返回发送方的地址信息。
- addrlen：（输入输出型参数）地址信息的长度。
返回值：
- 成功接收到数据时，它会 返回接收到的字节数
- 失败返回值：发生错误，则返回 -1，并设置 errno 变量以指示错误类型。

五、搭建服务器框架

搭建服务器的细节都在注释中！

① 服务器类实现：udpserver.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "onlineUser.hpp"
using namespace std;namespace Server
{static const string defaultIP = "0.0.0.0"; // 默认设为0，表示接收任意IPstatic const int MAXSIZE = 1024; 		   // 接收到的数据最大值enum { USAGE_ERR = 1, BIND_ERR, SOCKET_ERR, CLOSE_ERR, OPEN_ERR, NOTFOUND_ERR, SEND_ERR }; // 错误码using func_t = function<void(int, string, uint16_t, string)>; // 业务处理函数的类型class udpServer{private:uint16_t _port;   // 当前服务端进程的端口号string _ip;       // 当前服务端的ip，但是作为一个服务器，一般都是将ip设为全0，代表任意ip都能访问int _socketfd;    // 套接字文件的文件描述符func_t _callback; // 服务端要完成的业务public:udpServer(func_t callback, const uint16_t port, const string& ip = defaultIP):_port(port), _ip(ip), _socketfd(-1), _callback(callback){}// 初始化服务端void initServer(){// 1. 创建套接字（本质是创建文件）_socketfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(_socketfd == -1){cerr << "socket error: " << errno << " : " << strerror(errno) << endl; exit(SOCKET_ERR);}cout << "socket success: " << _socketfd << endl;// 2. 绑定端口号和ip地址到当前的套接字文件struct sockaddr_in local;bzero(&local, sizeof local);    // 先将一段local的内存清零，即将其中的每个字节都设置为0，更推荐用memset函数！local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);  // 因为端口号是多个字节组成，所以要保证先转化为大段序列// inet_addr函数帮我们将格式化字符串转化为in_addr_t类型，并且调整成大段序列// local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str()); // 但是一般我们将作为服务器的ip设为全0，所以不需要做上述工作，直接利用一个值为全0的宏赋值就行local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;int n = bind(_socketfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof local);if(n == -1){cerr << "bind error: " << errno << " : " << strerror(errno) << endl; exit(BIND_ERR);}}// 启动服务端void start(){// 服务器的本质就是一个死循环，称为常驻内存的进程char buffer[MAXSIZE];while(true){struct sockaddr_in src;socklen_t srclen = sizeof(src); // 这是因为操作系统不知道我们传过去的是哪个sockaddr的哪个结构体，所以我们要传大小过去// 这里要传sizeof(buffer)-1是因为腾出一个位置给\0ssize_t n = recvfrom(_socketfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&src, &srclen);if(n > 0){// 将接收到的客户端的信息保存起来uint16_t src_port = ntohs