C语言网络编程入门：socket编程、TCP/IP协议、客户端与服务器通信的实现

第11篇 《C语言网络编程入门：socket编程、TCP/IP协议、客户端与服务器通信的实现》

一、前言：为什么网络编程是C语言开发的重要方向？

学习目标

• 理解网络编程的本质：通过网络实现程序之间的通信
• 理解TCP/IP协议的基本概念：传输层和网络层的协议
• 明确网络编程的重要性：实现程序的远程通信、处理大量数据
• 掌握本章学习重点：socket编程的基本概念、TCP/IP协议的基本概念、客户端与服务器通信的实现、网络编程的避坑指南、实战案例分析
• 学会使用socket编程编写客户端与服务器通信的程序

重点提示

💡 网络编程是C语言开发的重要方向！通过网络编程，你可以实现程序的远程通信，处理大量数据，解决复杂问题。

二、模块1：socket编程的基本概念——网络通信的基础

2.1 学习目标

• 理解socket的本质：网络通信的接口
• 掌握socket的类型：流套接字（SOCK_STREAM）、数据报套接字（SOCK_DGRAM）
• 掌握socket的创建方法：使用socket函数创建套接字
• 避开socket编程使用的3大常见坑

2.2 socket的类型

流套接字（SOCK_STREAM）：

• 基于TCP协议
• 可靠的、面向连接的通信
• 保证数据的顺序和完整性

数据报套接字（SOCK_DGRAM）：

• 基于UDP协议
• 不可靠的、无连接的通信
• 不保证数据的顺序和完整性

代码示例1：创建socket

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
int sockfd;
struct sockaddr_in server_addr;

// 创建socket
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
perror("socket() error");
return 0;
}

// 初始化服务器地址结构
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
server_addr.sin_port = htons(12345);

// 连接服务器
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
perror("connect() error");
return 0;
}

// 发送数据
char buffer[1024] = "Hello, Server!";
if (send(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0) < 0) {
perror("send() error");
return 0;
}

// 接收数据
if (recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0) < 0) {
perror("recv() error");
return 0;
}

printf("服务器返回：%s\\n", buffer);

// 关闭socket
close(sockfd);

return 0;
}

三、模块2：TCP/IP协议的基本概念——网络通信的核心

3.1 学习目标

• 理解TCP的本质：传输层的协议，可靠的、面向连接的通信
• 理解IP的本质：网络层的协议，负责数据的路由和寻址
• 掌握TCP/IP协议的分层结构：应用层、传输层、网络层、数据链路层
• 避开TCP/IP协议使用的3大常见坑

3.2 TCP/IP协议的分层结构

应用层：处理应用程序的请求和响应，如HTTP、FTP、SMTP
传输层：负责数据的传输，如TCP、UDP
网络层：负责数据的路由和寻址，如IP、ICMP
数据链路层：负责数据的物理传输，如Ethernet、WiFi

四、模块3：客户端与服务器通信的实现——流套接字通信

4.1 学习目标

• 理解流套接字通信的本质：基于TCP协议的可靠的、面向连接的通信
• 掌握服务器端的实现方法：创建socket、绑定地址、监听连接、接受连接、发送数据、接收数据、关闭socket
• 掌握客户端的实现方法：创建socket、连接服务器、发送数据、接收数据、关闭socket
• 避开客户端与服务器通信使用的3大常见坑

4.2 服务器端的实现方法

代码示例2：服务器端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

int main() {
int sockfd, newsockfd;
socklen_t clilen;
char buffer[1024];
struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;

// 创建socket
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
perror("socket() error");
return 0;
}

// 初始化服务器地址结构
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
serv_addr.sin_port = htons(12345);

// 绑定地址
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
perror("bind() error");
return 0;
}

// 监听连接
listen(sockfd, 5);
clilen = sizeof(cli_addr);

// 接受连接
printf("等待客户端连接…\\n");
newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cli_addr, &clilen);
if (newsockfd < 0) {
perror("accept() error");
return 0;
}
printf("客户端连接成功！地址：%s，端口：%d\\n", inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port));

// 接收数据
memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
if (recv(newsockfd, buffer, sizeof(buffer), 0) < 0) {
perror("recv() error");
return 0;
}
printf("客户端发送：%s\\n", buffer);

// 发送数据
strcpy(buffer, "Hello, Client!");
if (send(newsockfd, buffer, strlen(buffer), 0) < 0) {
perror("send() error");
return 0;
}

// 关闭socket
close(newsockfd);
close(sockfd);

return 0;
}

五、模块4：数据报套接字通信的实现——基于UDP协议的通信

5.1 学习目标

• 理解数据报套接字通信的本质：基于UDP协议的不可靠的、无连接的通信
• 掌握服务器端的实现方法：创建socket、绑定地址、接收数据、发送数据、关闭socket
• 掌握客户端的实现方法：创建socket、发送数据、接收数据、关闭socket
• 避开数据报套接字通信使用的3大常见坑

5.2 服务器端的实现方法

代码示例3：UDP服务器端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

int main() {
int sockfd;
socklen_t clilen;
char buffer[1024];
struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;

// 创建socket
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd < 0) {
perror("socket() error");
return 0;
}

// 初始化服务器地址结构
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
serv_addr.sin_port = htons(12345);

// 绑定地址
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
perror("bind() error");
return 0;
}

// 接收数据
clilen = sizeof(cli_addr);
memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
if (recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&cli_addr, &clilen) < 0) {
perror("recvfrom() error");
return 0;
}
printf("客户端发送：%s\\n", buffer);

// 发送数据
strcpy(buffer, "Hello, Client!");
if (sendto(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr *)&cli_addr, clilen) < 0) {
perror("sendto() error");
return 0;
}

// 关闭socket
close(sockfd);

return 0;
}

六、模块5：网络编程的避坑指南——避免常见问题

6.1 学习目标

• 理解网络编程的常见问题：语法错误、逻辑错误、连接失败、发送失败、接收失败、内存泄漏
• 掌握避免语法错误的方法：使用编译器检查代码
• 掌握避免逻辑错误的方法：使用调试工具定位和修复问题
• 掌握避免连接失败的方法：检查服务器地址和端口是否正确、检查防火墙是否开启
• 掌握避免发送失败的方法：检查socket是否有效、检查发送的数据是否为空
• 掌握避免接收失败的方法：检查socket是否有效、检查接收的数据是否为空
• 掌握避免内存泄漏的方法：在使用完内存后，使用free()函数释放内存
• 避开网络编程使用的3大常见坑

6.2 常见问题

6.2.1 连接失败

问题：无法连接到服务器，导致程序崩溃

解决方法：

• 检查服务器地址和端口是否正确
• 检查服务器是否正在运行
• 检查防火墙是否开启
• 使用telnet命令测试服务器是否可连接

6.2.2 发送失败

问题：无法发送数据到服务器，导致程序崩溃

解决方法：

• 检查socket是否有效
• 检查发送的数据是否为空
• 检查网络连接是否正常
• 使用调试工具定位和修复问题

6.2.3 接收失败

问题：无法接收服务器返回的数据，导致程序崩溃

解决方法：

• 检查socket是否有效
• 检查接收的数据是否为空
• 检查网络连接是否正常
• 使用调试工具定位和修复问题

七、模块6：实战案例分析——使用网络编程实现聊天程序

7.1 学习目标

• 掌握使用网络编程实现聊天程序：使用流套接字通信实现客户端与服务器的聊天功能
• 学会使用网络编程解决实际问题
• 避开实战案例使用的3大常见坑

7.2 使用网络编程实现聊天程序

代码示例4：服务器端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

#define MAX_CLIENTS 5

struct Client {
int sockfd;
struct sockaddr_in addr;
};

struct Client clients[MAX_CLIENTS];
int num_clients = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *handle_client(void *arg) {
struct Client *client = (struct Client *)arg;
char buffer[1024];
int read_size;

while ((read_size = recv(client->sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0)) > 0) {
buffer[read_size] = '\\0';
printf("客户端 %s:%d 发送：%s\\n", inet_ntoa(client->addr.sin_addr), ntohs(client->addr.sin_port), buffer);

// 广播消息给所有客户端
pthread_mutex_lock(&mutex);
for (int i = 0; i < num_clients; i++) {
if (clients[i].sockfd != client->sockfd) {
send(clients[i].sockfd, buffer, strlen(buffer), 0);
}
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

// 客户端断开连接
printf("客户端 %s:%d 断开连接\\n", inet_ntoa(client->addr.sin_addr), ntohs(client->addr.sin_port));

pthread_mutex_lock(&mutex);
for (int i = 0; i < num_clients; i++) {
if (clients[i].sockfd == client->sockfd) {
for (int j = i; j < num_clients – 1; j++) {
clients[j] = clients[j + 1];
}
num_clients—;
break;
}
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);

close(client->sockfd);
free(client);

return NULL;
}

int main() {
int sockfd, newsockfd;
socklen_t clilen;
struct sockaddr_in serv_addr, cli_addr;
pthread_t tid;

// 创建socket
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
perror("socket() error");
return 0;
}

// 初始化服务器地址结构
memset(&serv_addr, 0, sizeof(serv_addr));
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
serv_addr.sin_port = htons(12345);

// 绑定地址
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
perror("bind() error");
return 0;
}

// 监听连接
listen(sockfd, 5);
clilen = sizeof(cli_addr);

printf("等待客户端连接…\\n");

while (1) {
// 接受连接
newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&cli_addr, &clilen);
if (newsockfd < 0) {
perror("accept() error");
return 0;
}

// 添加客户端到客户端列表
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (num_clients >= MAX_CLIENTS) {
printf("客户端数量已达到上限！\\n");
close(newsockfd);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
continue;
}

struct Client *client = (struct Client *)malloc(sizeof(struct Client));
client->sockfd = newsockfd;
client->addr = cli_addr;
clients[num_clients++] = *client;
pthread_mutex_unlock(&mutex);

printf("客户端 %s:%d 连接成功！\\n", inet_ntoa(cli_addr.sin_addr), ntohs(cli_addr.sin_port));

// 创建线程处理客户端
pthread_create(&tid, NULL, handle_client, client);
pthread_detach(tid);
}

// 关闭socket
close(sockfd);

return 0;
}

代码示例5：客户端程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void *receive_messages(void *arg) {
int sockfd = *(int *)arg;
char buffer[1024];
int read_size;

while ((read_size = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0)) > 0) {
buffer[read_size] = '\\0';
printf("收到消息：%s\\n", buffer);
}

if (read_size == 0) {
printf("服务器断开连接！\\n");
} else if (read_size < 0) {
perror("recv() error");
}

close(sockfd);
exit(0);

return NULL;
}

int main() {
int sockfd;
struct sockaddr_in server_addr;
char buffer[1024];
pthread_t tid;

// 创建socket
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
perror("socket() error");
return 0;
}

// 初始化服务器地址结构
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
server_addr.sin_port = htons(12345);

// 连接服务器
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
perror("connect() error");
return 0;
}

printf("连接服务器成功！\\n");

// 创建线程接收消息
pthread_create(&tid, NULL, receive_messages, &sockfd);
pthread_detach(tid);

// 发送消息
while (1) {
printf("请输入消息：");
fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);
buffer[strcspn(buffer, "\\n")] = '\\0';

if (send(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0) < 0) {
perror("send() error");
return 0;
}

if (strcmp(buffer, "exit") == 0) {
close(sockfd);
return 0;
}
}

return 0;
}

八、本章总结与课后练习

8.1 总结

✅ socket编程的基本概念：网络通信的接口，分为流套接字和数据报套接字
✅ TCP/IP协议的基本概念：网络通信的核心，分为应用层、传输层、网络层、数据链路层
✅ 客户端与服务器通信的实现：使用流套接字通信实现可靠的、面向连接的通信
✅ 数据报套接字通信的实现：使用数据报套接字通信实现不可靠的、无连接的通信
✅ 网络编程的避坑指南：避免语法错误、逻辑错误、连接失败、发送失败、接收失败、内存泄漏
✅ 实战案例分析：使用网络编程实现聊天程序，支持多个客户端同时连接

8.2 课后练习