基于UDP协议的套接字程序
服务端
服务端创建套接字
我们把服务器封装成一个类，当我们定义出一个服务器对象后需要马上初始化服务器，而初始化服务器需要做第一件事情就是创建套接字。
socket函数
创建套接字的函数叫做socket,该函数的函数原型如下:
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个位。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函数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函数是被谁调用的？
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函数底层做了什么？
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(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下标对应的就是标准输入，标准输出以及标准错误。
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，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3号文件描述符作为socket函数的返回值返回给了用户。
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*）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。
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。
服务端创建套接字
当我们在进行初始化服务器创建套接字时，就是调用socket函数创建套接字，创建套接字时我们需要填入的协议家族就是AF_INET，因为我们要进行的是网络通信，而我们需要的服务类型就是SOCK_DGRAM，因为我们现在编写的UDP服务器是面向数据报的，而第三个参数之间设置为0即可。
class UdpServer { public: bool InitServer() { //创建套接字 _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (_sockfd < 0){ //创建套接字失败 std::cerr << "socket error" << std::endl; return false; } std::cout << "socket create success, sockfd: " << _sockfd << std::endl; return true; } ~UdpServer() { if (_sockfd >= 0){ close(_sockfd); } }; private: int _sockfd; //文件描述符 };
注意： 当析构服务器时，我们可以将sockfd对应的文件进行关闭，但实际上不进行该操作也行，因为一般服务器运行后是就不会停下来的。
这里我们可以做一个简单的测试，看看套接字是否创建成功。
int main() { UdpServer* svr = new UdpServer(); svr->InitServer(); return 0; }
运行程序后可以看到套接字是创建成功的，对应获取到的文件描述符就是3，这也很好理解，因为0、1、2默认被标准输入流、标准输出流和标准错误流占用了，此时最小的、未被利用的文件描述符就是3。
服务的绑定
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，那我们也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。
由于现在编写的是不面向连接的UDP服务器，所以初始化服务器要做的第二件事就是绑定。
bind函数
绑定的函数叫做bind，该函数的函数原型如下：
参数说明：
- sockfd：绑定的文件的文件描述符。也就是我们创建套接字时获取到的文件描述符。
- addr：网络相关的属性信息，包括协议家族、IP地址、端口号等。
- addrlen：传入的addr结构体的长度。
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。
struct sockaddr_in结构体
在绑定时需要将网络相关的属性信息填充到一个结构体当中，然后将该结构体作为bind函数的第二个参数进行传入，这实际就是struct sockaddr_in结构体。
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。
可以看到，struct sockaddr_in当中的成员如下：
- sin_family：表示协议家族。
- sin_addr：表示IP地址，是一个32位的整数。
- sin_port：表示端口号，是一个16位的整数。
剩下的字段一般不做处理，当然你也可以进行初始化。
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位的整数，IP地址实际就是存储在这个整数当中的。
如何理解绑定？
在进行绑定的时候需要将IP地址和端口号告诉对应的网络文件，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。
增加IP地址和端口号
由于绑定时需要用到IP地址和端口号，因此我们需要在服务器类当中引入IP地址和端口号，在创建服务器对象时需要传入对应的IP地址和端口号，此时我们就可以根据传入的IP地址和端口号对对应的成员进行初始化。
class UdpServer { public: UdpServer(std::string ip, int port) :_sockfd(-1) ,_port(port) ,_ip(ip) {}; ~UdpServer() { if (_sockfd >= 0){ close(_sockfd); } }; private: int _sockfd; //文件描述符 int _port; //端口号 std::string _ip; //IP地址 };
服务端绑定
套接字创建完毕后我们就需要进行绑定了，但在绑定之前我们需要先定义一个struct sockaddr_in结构，将对应的网络属性信息填充到该结构当中。由于该结构体当中还有部分选填字段，因此我们最好在填充之前对该结构体变量里面的内容进行清空，然后再将协议家族、端口号、IP地址等信息填充到该结构体变量当中。
需要注意的是，在发送到网络之前需要将端口号设置为网络序列，由于端口号是16位的，因此我们需要使用前面说到的htons函数将端口号转为网络序列。此外，由于网络当中传输的是整数IP，我们需要调用inet_addr函数将字符串IP转换成整数IP，然后再将转换后的整数IP进行设置。
当网络属性信息填充完毕后，由于bind函数提供的是通用参数类型，因此在传入结构体地址时还需要将struct sockaddr_in*强转为struct sockaddr*类型后再进行传入。
class UdpServer { public: UdpServer(std::string ip, int port) :_sockfd(-1) ,_port(port) ,_ip(ip) {}; bool InitServer() { //创建套接字 _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (_sockfd < 0){ //创建套接字失败 std::cerr << "socket error" << std::endl; return false; } std::cout << "socket create success, sockfd: " << _sockfd << std::endl; //填充网络通信相关信息 struct sockaddr_in local; memset(&local, '\0', sizeof(local)); local.sin_family = AF_INET; local.sin_port = htons(_port); local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str()); //绑定 if (bind(_sockfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(sockaddr)) < 0){ //绑定失败 std::cerr << "bind error" << std::endl; return false; } std::cout << "bind success" << std::endl; return true; } ~UdpServer() { if (_sockfd >= 0){ close(_sockfd); } }; private: int _sockfd; //文件描述符 int _port; //端口号 std::string _ip; //IP地址 };
字符串IP VS 整数IP
IP地址的表现形式有两种:
- 字符串IP:类似于192.168.233.123 这种字符串形式的IP地址，叫做基于字符串的点分十进制IP地址。
- 整数IP:IP地址在进行网络传输时所用的形式，用一个32位的整数来表示IP地址。
整数IP存在的意义
网络传输数据时是寸土寸金的，如果我们在网络传输时直接以基于字符串的点分十进制IP的形式进行IP地址的传送，那么此时一个IP地址至少就需要15个字节，但实际并不需要耗费这么多字节。
IP地址实际可以划分为四个区域，其中每一个区域的取值都是0~255，而这个范围的数字只需要用8个比特位就能表示，因此我们实际只需要32个比特位就能够表示一个IP地址。其中这个32位的整数的每一个字节对应的就是IP地址中的某个区域，我们将IP地址的这种表示方法称之为整数IP，此时表示一个IP地址只需要4个字节。
因为采用整数IP的方案表示一个IP地址只需要4个字节，并且在网络通信也能表示同样的含义，因此在网络通信时就没有用字符串IP而用
的是整数IP，因为这样能够减少网络通信时数据的传送。
字符串IP和整数IP相互转换的方式
转换的方式有很多，比如我们可以定义一个位段A，位段A当中有四个成员，每个成员的大小都是8个比特位，这四个成员就依次表示IP地址的四个区域，一共32个比特位。
然后我们再定义一个联合体IP，该联合体当中有两个成员，其中一个是32位的整数，其代表的就是整数IP，还有一个就是位段A类型的成员，其代表的就是字符串IP。
由于联合体的空间是成员共享的，因此我们设置IP和读取IP的方式如下：
- 当我们想以整数IP的形式设置IP时，直接将其赋值给联合体的第一个成员就行了。
- 当我们想以字符串IP的形式设置IP时，先将字符串分成对应的四部分，然后将每部分转换成对应的二进制序列依次设置到联合体中第二个成员当中的p1、p2、p3和p4就行了。
- 当我们想取出整数IP时，直接读取联合体的第一个成员就行了。
- 当我们想取出字符串IP时，依次获取联合体中第二个成员当中的p1、p2、p3和p4，然后将每一部分转换成字符串后拼接到一起就行了。
注意： 在操作系统内部实际用的就是位段和枚举，来完成字符串IP和整数IP之间的相互转换的。
inet_addr函数
实际在进行字符串IP和整数IP的转换时，我们不需要自己编写转换逻辑，系统已经为我们提供了相应的转换函数，我们直接调用即可。
将字符串IP转换成整数IP的函数叫做inet_addr，该函数的函数原型如下：
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
该函数使用起来非常简单，我们只需传入待转换的字符串IP，该函数返回的就是转换后的整数IP。除此之外，inet_aton函数也可以将字符串IP转换成整数IP，不过该函数使用起来没有inet_addr简单。
inet_ntoa函数
将整数IP转换成字符串IP的函数叫做inet_ntoa，该函数的函数原型如下：
char *inet_ntoa(struct in_addr in);
需要注意的是，传入inet_ntoa函数的参数类型是in_addr，因此我们在传参时不需要选中in_addr结构当中的32位的成员传入，直接传入in_addr结构体即可。
运行服务器
UDP服务器的初始化就只需要创建套接字和绑定就行了，当服务器初始化完毕后我们就可以启动服务器了。
服务器实际上就是在周而复始的为我们提供某种服务，服务器之所以称为服务器，是因为服务器运行起来后就永远不会退出，因此服务器实际执行的是一个死循环代码。由于UDP服务器是不面向连接的，因此只要UDP服务器启动后，就可以直接读取客户端发来的数据。
recvfrom函数
UDP服务器读取数据的函数叫做recvfrom，该函数的函数原型如下：
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
参数说明：
- sockfd：对应操作的文件描述符。表示从该文件描述符索引的文件当中读取数据。
- buf：读取数据的存放位置。
- len：期望读取数据的字节数。
- flags：读取的方式。一般设置为0，表示阻塞读取。
- src_addr：对端网络相关的属性信息，包括协议家族、IP地址、端口号等。
- addrlen：调用时传入期望读取的src_addr结构体的长度，返回时代表实际读取到的src_addr结构体的长度，这是一个输入输出型参数。
返回值说明：
- 读取成功返回实际读取到的字节数，读取失败返回-1，同时错误码会被设置。
注意：
- 由于UDP是不面向连接的，因此我们除了获取到数据以外还需要获取到对端网络相关的属性信息，包括IP地址和端口号等。
- 在调用recvfrom读取数据时，必须将addrlen设置为你要读取的结构体对应的大小。
- 由于recvfrom函数提供的参数也是
struct sockaddr*类型的，因此我们在传入结构体地址时需要将struct sockaddr_in*类型进行强转。
启动服务器函数
现在服务端通过recvfrom函数读取客户端数据，我们可以先将读取到的数据当作字符串看待，将读取到的数据的最后一个位置设置为'\0'，此时我们就可以将读取到的数据进行输出，同时我们也可以将获取到的客户端的IP地址和端口号也一并进行输出。
需要注意的是，我们获取到的客户端的端口号此时是网络序列，我们需要调用ntohs函数将其转为主机序列再进行打印输出。同时，我们获取到的客户端的IP地址是整数IP，我们需要通过调用inet_ntoa函数将其转为字符串IP再进行打印输出。
class UdpServer { public: void Start() { #define SIZE 128 char buffer[SIZE]; for (;;){ struct sockaddr_in peer; socklen_t len = sizeof(peer); ssize_t size = recvfrom(_sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len); if (size > 0){ buffer[size] = '\0'; int port = ntohs(peer.sin_port); std::string ip = inet_ntoa(peer.sin_addr); std::cout << ip << ":" << port << "# " << buffer << std::endl; } else{ std::cerr << "recvfrom error" << std::endl; } } } private: int _sockfd; //文件描述符 int _port; //端口号 std::string _ip; //IP地址 };
注意： 如果调用recvfrom函数读取数据失败，我们可以打印一条提示信息，但是不要让服务器退出，服务器不能因为读取某一个客户端的数据失败就退出。
引入命令行参数
鉴于构造服务器时需要传入IP地址和端口号，我们这里可以引入命令行参数。此时当我们运行服务器时在后面跟上对应的IP地址和端口号即可。
由于云服务器的原因，后面实际不需要传入IP地址，因此在运行服务器的时候我们只需要传入端口号即可，目前我们就手动将IP地址设置为127.0.0.1。IP地址为127.0.0.1实际上等价于localhost表示本地主机，我们将它称之为本地环回，相当于我们一会先在本地测试一下能否正常通信，然后再进行网络通信的测试。
int main(int argc, char* argv[]) { if (argc != 2){ std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " port" << std::endl; return 1; } std::string ip = "127.0.0.1"; //本地环回 int port = atoi(argv[1]); UdpServer* svr = new UdpServer(ip, port); svr->InitServer(); svr->Start(); return 0; }
需要注意的是，agrv数组里面存储的是字符串，而端口号是一个整数，因此需要使用atoi函数将字符串转换成整数。然后我们就可以用这个IP地址和端口号来构造服务器了，服务器构造完成并初始化后就可以调用Start函数启动服务器了。
此时带上端口号运行程序就可以看到套接字创建成功、绑定成功，现在服务器就在等待客户端向它发送数据。
虽然现在客户端代码还没有编写，但是我们可以通过netstat命令来查看当前网络的状态，这里我们可以选择携带nlup选项。
netstat常用选项说明：
- -n：直接使用IP地址，而不通过域名服务器。
- -l：显示监控中的服务器的Socket。
- -t：显示TCP传输协议的连线状况。
- -u：显示UDP传输协议的连线状况。
- -p：显示正在使用Socket的程序识别码和程序名称。
此时你就能查看到对应网络相关的信息，在这些信息中程序名称为./udp_server的那一行显示的就是我们运行的UDP服务器的网络信息。
你可以尝试去掉-n选项再查看，此时原本显示IP地址的地方就变成了对应的域名服务器。
其中netstat命令显示的信息中，Proto表示协议的类型，Recv-Q表示网络接收队列，Send-Q表示网络发送队列，Local Address表示本地地址，Foreign Address表示外部地址，State表示当前的状态，PID表示该进程的进程ID，Program name表示该进程的程序名称。
其中Foreign Address写成0.0.0.0:*表示任意IP地址、任意的端口号的程序都可以访问当前进程。
