C++ 仿muduo高并发服务器：Socket模块

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C++ 仿muduo高并发服务器：Socket模块

1. 为什么需要封装 Socket？

Linux 原生 socket API 是一组 C 函数，直接使用存在以下问题：

• 参数复杂，容易出错（如 sockaddr 类型转换、字节序转换）。
• 资源管理麻烦（fd 需要手动 close）。
• 错误处理重复（每个调用都要判断返回值、打印日志）。
• 阻塞/非阻塞、地址重用等选项设置分散。

封装成 Socket 类后：

• 提供面向对象的接口，语义清晰。
• 利用 RAII 自动关闭 fd（需完善析构函数）。
• 统一错误日志输出。
• 方便在 Reactor 模型中作为基础组件使用。

2. 类定义概览

#define MAX_LISTEN 1024

class Socket {
private:
int _sockfd;
public:
Socket() {}
Socket(int fd) : _sockfd(fd) {}
~Socket() {}

int Fd() { return _sockfd; }

bool Create();
bool Bind(const std::string &ip, uint16_t port);
bool Listen(int backlog = MAX_LISTEN);
bool Connect(const std::string &ip, uint16_t port);
int Accept();

ssize_t Recv(void *buf, size_t len, int flag = 0);
ssize_t NonBlockRecv(void *buf, size_t len);
ssize_t Send(const void *buf, size_t len, int flag = 0);
ssize_t NonBlockSend(void *buf, size_t len);

void Close();

bool CreaterServer(uint16_t port, const std::string &ip = "0.0.0.0", bool block_flag = false);
bool CreateClient(uint16_t port, const std::string &ip);

void ReuseAddress();
void NonBlock();
};

3. 成员变量与构造/析构

int _sockfd;

• _sockfd：套接字文件描述符，-1 表示无效。

Socket() :_sockfd(–1){}
Socket(int fd) : _sockfd(fd) {}
~Socket() {}

• 析构函数：应调用 Close() 自动关闭 fd，当前为空，存在资源泄漏风险。

改进建议：后期我们再加上

~Socket() { Close(); }

4. 核心函数详解

4.1 Create()：创建套接字

bool Create() {
_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (_sockfd < 0) {
ERR_LOG("CREATE SOCKET FAILED!!");
return false;
}
return true;
}

• AF_INET：IPv4 协议族。
• SOCK_STREAM：TCP 流式套接字。
• IPPROTO_TCP：TCP 协议。
• 成功返回非负 fd，失败返回 -1。

4.2 Bind()：绑定地址

bool Bind(const std::string &ip, uint16_t port) {
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(port); // 端口转网络字节序
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str()); // IP 转网络字节序
socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);

int ret = bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, len);
if (ret < 0) {
ERR_LOG("BIND ADDRESS FAILED!");
return false;
}
return true;
}

• htons：主机字节序 → 网络字节序（16 位）。
• inet_addr：点分十进制 IP → 网络字节序 32 位整数。
• 服务器必须 bind，客户端通常不需要。

4.3 Listen()：开始监听

bool Listen(int backlog = MAX_LISTEN) {
int ret = listen(_sockfd, backlog);
if (ret < 0) {
ERR_LOG("SOCKET LISTEN FAILED!");
return false;
}
return true;
}

• backlog：已完成连接队列的最大长度，默认 MAX_LISTEN（1024）。
• 将主动套接字变为被动监听套接字，内核开始接受连接。

4.4 Connect()：客户端发起连接

bool Connect(const std::string &ip, uint16_t port) {
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(port);
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());
socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);

int ret = connect(_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, len);
if (ret < 0) {
ERR_LOG("CONNECT SERVER FAILED!");
return false;
}
return true;
}

• 向服务器发起 TCP 连接，触发三次握手。
• 阻塞模式下会等待连接完成。

4.5 Accept()：接受新连接

int Accept() {
int newfd = accept(_sockfd, NULL, NULL);
if (newfd < 0) {
ERR_LOG("SOCKET ACCEPT FAILED!");
return –1;
}
return newfd;
}

• 从已完成连接队列取出一个连接，返回新的通信 fd。
• 监听 fd 继续监听，新 fd 用于和客户端通信。
• 非阻塞模式下，无连接时返回 -1，errno 为 EAGAIN。

4.6 Recv() 与 NonBlockRecv()

ssize_t Recv(void *buf, size_t len, int flag = 0) {
ssize_t ret = recv(_sockfd, buf, len, flag);
if (ret <= 0) {
if (errno == EAGAIN || errno == EINTR) {
return 0; // 暂时无数据
}
ERR_LOG("SCOKET RECV FAILED!"); // 拼写错误：SCOKET -> SOCKET
return –1;
}
return ret;
}

ssize_t NonBlockRecv(void *buf, size_t len) {
return Recv(buf, len, MSG_DONTWAIT);
}

• recv 返回实际接收字节数。
• ret == 0：对端关闭连接。
• ret < 0：
  • EAGAIN / EWOULDBLOCK：非阻塞下无数据。
  • EINTR：被信号中断。
  • 其他：真正错误。
• MSG_DONTWAIT：本次接收非阻塞，不改变套接字整体属性。

4.7 Send() 与 NonBlockSend()

ssize_t Send(const void *buf, size_t len, int flag = 0) {
ssize_t ret = send(_sockfd, buf, len, flag);
if (ret < 0) {
ERR_LOG("SOCKET SEND FAILED!");
return –1;
}
return ret;
}

ssize_t NonBlockSend(void *buf, size_t len) {
return Send(buf, len, MSG_DONTWAIT);
}

• 返回实际发送字节数。
• 非阻塞下可能只发送部分数据，需要应用层缓冲剩余数据。
• SIGPIPE 信号需忽略，否则向已关闭连接发送会崩溃。

4.8 Close()：关闭套接字

void Close() {
if (_sockfd != –1)
close(_sockfd);
_sockfd = –1;
}

• 关闭 fd，置为 -1，防止重复关闭。

4.9 CreaterServer()：一键创建服务端

bool CreaterServer(uint16_t port, const std::string &ip = "0.0.0.0", bool block_flag = false) {
if (Create() == false) return false;
if (block_flag) NonBlock(); // 注意：block_flag 为 true 时反而设非阻塞，命名相反
if (Bind(ip, port) == false) return false;
if (Listen() == false) return false;
ReuseAddress(); // 建议移到 Bind 之前
return true;
}

• 默认 ip = "0.0.0.0" 监听所有网卡。
• block_flag 命名有歧义，实际 true 表示非阻塞。
• ReuseAddress() 应在 Bind() 前调用。

4.10 CreateClient()：一键创建客户端

bool CreateClient(uint16_t port, const std::string &ip) {
if (Create() == false) return false;
if (Connect(ip, port) == false) return false;
return true;
}

4.11 ReuseAddress()：地址端口重用

void ReuseAddress() {
int val = 1;
setsockopt(_sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (void*)&val, sizeof(int));
val = 1;
setsockopt(_sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, (void*)&val, sizeof(int));
}

• SO_REUSEADDR：允许绑定处于 TIME_WAIT 的端口，服务器可立即重启。
• SO_REUSEPORT：允许多个套接字绑定相同 IP:端口，实现负载均衡。
• val = 1 表示开启选项，0 表示关闭。
• SOL_SOCKET：通用套接字层选项。

4.12 NonBlock()：设置非阻塞

void NonBlock() {
int flag = fcntl(_sockfd, F_GETFL, 0);
fcntl(_sockfd, F_SETFL, flag | O_NONBLOCK);
}

• 获取当前文件状态标志，加上 O_NONBLOCK，再设置回去。
• 非阻塞是 Reactor 模型的基础，防止 accept/recv/send 阻塞 EventLoop 线程。

5. 关键知识点

6. 使用示例

6.1 服务端

#include "server.hpp"

int main() {
Socket lst_sock;
lst_sock.CreaterServer(8500); // 默认阻塞
while (1) {
int newfd = lst_sock.Accept();
if (newfd < 0) continue;

Socket cli_sock(newfd);
char buf[1024] = {0};
int ret = cli_sock.Recv(buf, 1023);
if (ret <= 0) {
cli_sock.Close();
continue;
}
cli_sock.Send(buf, ret);
cli_sock.Close();
}
lst_sock.Close();
return 0;
}

6.2 客户端

#include "server.hpp"

int main() {
Socket cli_sock;
cli_sock.CreateClient(8500, "127.0.0.1");
std::string str = "hello";
cli_sock.Send(str.c_str(), str.size());
char buf[1024] = {0};
cli_sock.Recv(buf, 1023);
DBG_LOG("%s", buf);
return 0;
}

7. 总结

Socket 类是对 Linux 原生 socket API 的轻量级封装，核心接口：

• 创建：Create
• 绑定：Bind
• 监听：Listen
• 连接：Connect
• 接受：Accept
• 收发：Recv / Send，支持非阻塞版本
• 关闭：Close
• 辅助：ReuseAddress、NonBlock