Windows 环境下的 Socket 编程 1 - 环境搭建和 Socket 相关函数

Posted 2023-02-23 研究是为了理解

• 编译环境：VS Code + gcc，环境搭建可以参考这里。
• 本系列文章参考 尹圣雨 著的《TCP/IP网络编程》。

所有学习都要在开始前认识到其必要性！这是我经常挂在嘴边的一句话。从语言的基本语法到系统函数，若无法回答“这到底有何必要？”学习过程将变得枯燥无味，而且很容易遗忘。
— 尹圣雨

SOCKET 编程头文件和库

使用 Windows Socket 编程，需要 winsock2.h 头文件和 ws2_32.lib 库。
对于 gcc 编译器，加载 ws2_32.lib 库需要在编译参数中添加参数：-lwsock32 。否则 gcc 会因为没有找到库而报错（编译的时候出现
undefined reference to `__imp_WSAStartup’）。
具体添加方法为：

1. 在工程文件夹下打开 .vscode 文件夹
2. 打开 tasks.json 文件，在 args 字段中添加新的参数 -lwsock32 ，如下图所示。
   

Windows SOCKET 初始化

以下是 Windows SOCKET 编程固定格式。

#include <winsock2.h>

int main(int argc, char *argv[])

    WSADATA wsaData;
    // ...
    if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
    
    	// ...
    	exit(1);
    
	// ...
    WSACleanup();
    return 0;

首先必须调用 WSAStartup 函数，设置程序中用到的 Windows SOCKET 版本，并初始化相应版本的库。
WSAStartup 函数原型为：

/*成功返回 0 ，失败返回非零错误码*/
int  WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);

Windows SOCKET 存在多个版本，参数 wVersionRequested 指明使用哪个版本。版本占用 2 字节，高 8 位为副版本，低 8 位为主版本，比如 V1.2 版本，则传递 0x0201。一般会使用 MAKEWORD 宏来构建版本信息：

WORD ver = MAKEWORD(1, 2);			// V1.2 版本， ver = 0x0201

第二个参数 lpWSAData 用于保存库信息。

其次，当程序结束之前，需要调用 WSACleanup 注销 SOCKET 库。

Windows SOCKET 相关函数

1. socket 函数

/*成功返回 SOCKET 句柄，失败返回 INVALID_SOCKET*/
SOCKET socket(int af,int type,int protocol);

• af ：指定 SOCKET 使用的 协议族 ，一个 协议族 下面会有多种 协议 ，比如 iPv4 协议族就有 TCP 协议、UDP 协议等等，一个 协议族 下面也有多种数据传输方式。
  常见协议族有：IPv4协议族（PF_INET）、IPv6协议族（PF_INET6）、底层 SOCKET 的协议族（PF_PACKET）。
• type：指定 SOCKET 的 数据传输方式。
  常见的数据传输方式有：面向连接的（SOCK_STREAM）、面向消息的（SOCK_DGRAM）

面向连接的 SOCKET ：可靠的、按序传递的、基于字节的面向连接的数据传输方式
面向消息的 SOCKET：不可靠的、不按序传递的、以数据的高速传输为目的

• protocol：指定 SOCKET 使用的 协议，该协议必须是协议族支持的协议之一。
  常见的协议类型有：TCP 协议（IPPROTO_TCP）、UDP 协议（IP_PROTO_UDP）

2. bind 函数

/*成功返回 0 ，失败返回 SOCKET_ERROR*/
int bind(SOCKET s,const struct sockaddr *name,int namelen);

3. listen 函数

/*成功返回 0 ，失败返回 SOCKET_ERROR
* backlog：连接请求队列的长度，表示允许最多多少个连接请求进入队列
*/
int listen(SOCKET s,int backlog);

4. accept 函数
   调用 accept 函数时，若等待队列为空，则 accept 函数不会返回，直到队列中出现新的客户端连接。

/*成功返回 SOCKET 句柄，失败返回 INVALID_SOCKET
* addr：保存客户端地址信息
*/
SOCKET accept(SOCKET s,struct sockaddr *addr,int *addrlen);

5. connect 函数
   客户端调用 connect 函数后，发生以下情况之一才会返回：
   a. 服务器端接收连接请求
   b. 发生断网等异常情况而中断连接请求

/*成功返回 0 ，失败返回 SOCKET_ERROR */
int connect(SOCKET s,const struct sockaddr *name,int namelen);

6. closesocket 函数

/*成功返回 0 ，失败返回 SOCKET_ERROR*/
int closesocket(SOCKET s);

Windows 的 I/O 函数

Windows 严格区分文件 I/O 函数和 SOCKET I/O函数，而Linux只有文件 I/O 函数。

1. send 函数

/*成功返回传输的字节数，失败返回 SOCKET_ERROR*/
int send(SOCKET s,const char *buf,int len,int flags);

2. recv 函数

/*成功返回接收的字节数（收到 EOF 时为 0 ），失败返回 SOCKET_ERROR*/
int WSAAPI recv(SOCKET s,char *buf,int len,int flags);

基于 Windoes 的服务器和客户端测试代码

1. 服务器端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>

void ErrorHandler(char *message);

int main(int argc, char *argv[])

    WSADATA wsaData;
    SOCKET hServSock, hClntSock;
    SOCKADDR_IN servAddr, clntAddr;
    int szClntAddr;
    char message[] = "Hello, world!";
    if(argc != 2)
    
        printf ("Usage: %s <port>\\n", argv[0]);
        exit(1);
    

    if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsaData) != 0)
    
        ErrorHandler("WSAStartup failed");
    

    hServSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(hServSock == INVALID_SOCKET)
        ErrorHandler("socket error");
    
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
    servAddr.sin_family = AF_INET;
    servAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servAddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if(bind(hServSock, (SOCKADDR *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR)
    
        ErrorHandler("bind socket error");
    

    if(listen(hServSock, 5) == SOCKET_ERROR)
        ErrorHandler("listen socket error");
    
    szClntAddr = sizeof(clntAddr);
    hClntSock = accept(hServSock, (SOCKADDR *)&clntAddr, &szClntAddr);
    if(hClntSock == INVALID_SOCKET)
        ErrorHandler("accept error");
    send(hClntSock, message, sizeof(message), 0);
    closesocket(hClntSock);
    closesocket(hServSock);
    WSACleanup();
    return 0;


void ErrorHandler(char *message)

    fputs(message, stderr);

    fputc('\\n', stderr);
    exit(1);

编译：菜单 Terminal > Run Build Task ，或者快捷键 Ctrl+Shift+B 。
运行：在终端键入 .\\hello_server_win.exe 1234

2. 客户端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <winsock2.h>

void ErrorHandler(char *message);

int main(int argc, char *argv[])

    WSADATA wsaData;
    SOCKET hClntSock;
    SOCKADDR_IN servAddr;
    char message[30];
    int strLen;
    if(argc != 3)
    
        printf ("Usage: %s <IP> <port>\\n", argv[0]);
        exit(1);
    

    if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsaData) != 0)
        ErrorHandler("WSAStartup failed");

    hClntSock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(hClntSock == INVALID_SOCKET)
        ErrorHandler("socket error");
    
    memset(&servAddr, 0, sizeof(servAddr));
    servAddr.sin_family = AF_INET;
    servAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    servAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if(connect(hClntSock, (SOCKADDR *)&servAddr, sizeof(servAddr)) == SOCKET_ERROR)
        ErrorHandler("connect socket error");

    strLen = recv(hClntSock, message, sizeof(message)-1, 0);
    if(strLen == EOF)
        ErrorHandler("read() error!");
    printf("Message from server: %s \\n", message);
    
    closesocket(hClntSock);
    WSACleanup();
    return 0;


void ErrorHandler(char *message)

    fputs(message, stderr);

    fputc('\\n', stderr);
    exit(1);

编译：菜单 Terminal > Run Build Task ，或者快捷键 Ctrl+Shift+B 。
运行：在终端键入 .\\hello_client_win.exe 127.0.0.1 1234