超级好用的C++实用库之套接字

概述

C++中的Socket编程是实现网络通信的基础，允许程序通过网络与其他程序交换数据。但Socket编程在Windows和Linux系统上存在一些差异，主要包括如下几点。

1、Linux涉及网络编程的头文件主要为<sys/socket.h>、<netinet/in.h>、<arpa/inet.h>，Windows上的头文件主要为<winsock2.h>。

2、Linux不需要显式初始化和清理操作，Windows需要使用WSAStartup和WSACleanup进行显式初始化和清理操作。

3、Linux通常使用perror()或检查返回值，错误码直接从系统调用返回。Windows一般使用WSAGetLastError()获取错误码，并通过WSASetLastError()设置错误码。

4、Linux使用标准的POSIX数据类型，比如：socklen_t。Windows需要使用特定的类型，比如用SOCKET代替int作为套接字描述符。

新手对以上这些差异不熟悉的话，往往会遇到各种各样的问题。另外，阻塞与非阻塞方式发送和接收数据，接口的使用方式也是完全不一样的。为了屏蔽这些差异，并提供更加易用的接口，我们封装了CHP_Socket类。

CHP_Socket

CHP_Socket类是一个接口类，不需要实例化。因此，我们将构造函数和析构函数声明成了私有的，并提供了若干实用的静态函数。这些静态函数涵盖全局初始化、全局清理、初始化TCP套接字、非阻塞连接、非阻塞发送、非阻塞接收等各种操作。

CHP_Socket类的头文件，可参考下面的示例代码。

#pragma once

#ifdef _WIN32
        #include <winsock2.h>
#else
        #include <unistd.h>
#endif

#include "HP_Types.h"

#define HP_SOCKET_E_GENERAL                           -1
#define HP_SOCKET_E_NOROUTE                           -2
#define HP_SOCKET_E_UNREACHABLE                       -3
#define HP_SOCKET_E_NOSERVER                          -4
#define HP_SOCKET_E_TIMEOUT                           -5
#define HP_SOCKET_E_WOULDBLOCK                        1
#define HP_SOCKET_E_ATLEAST_ONE_BYTE                  2

#ifdef _WIN32
        #define  HP_SOCKET_INVALID_HANDLE             INVALID_SOCKET
        typedef SOCKET HP_SOCKET;
#else
        #define  HP_SOCKET_INVALID_HANDLE             -1
        typedef int HP_SOCKET;
#endif

class CHP_Socket
{
public:
        static int Startup();

        static int Cleanup();

        static HP_SOCKET InitTcp(unsigned int uiRecvBufSize = 0, unsigned int uiSendBufSize = 0, bool bNoBlock = true);

        static HP_SOCKET InitUdp(unsigned int uiRecvBufSize = 0, unsigned int uiSendBufSize = 0, bool bNoBlock = true);

        static void Deinit(HP_SOCKET &sock);

        static int SetLinger(HP_SOCKET sock, bool bLinger, unsigned int uiTimeoutSec);

        static int EnableNoBlock(HP_SOCKET sock, bool bEnable = true);

        static int EnableReuseAddr(HP_SOCKET sock, bool bEnable = true);

        static int EnableBroadcast(HP_SOCKET sock, bool bEnable = true);

        static int SetOption(HP_SOCKET sock, int nOptionName, char *pOption, int nOptionLen);

        static int GetOption(HP_SOCKET sock, int nOptionName, char *pOption, int &nOptionLen);

        static int Bind(HP_SOCKET sock, unsigned int uiIP, unsigned short usPort);

        static int Bind(HP_SOCKET sock, const char *pszIP, unsigned short usPort);

        static int Listen(HP_SOCKET sock, int nListenNum);

        static int Accept(HP_SOCKET sock, HP_SOCKET &sockNew);

        static int Connect(HP_SOCKET sock, unsigned int uiIP, unsigned short usPort);

        static int Connect(HP_SOCKET sock, const char *pszIP, unsigned short usPort);

        static int ProbeConnect(HP_SOCKET sock);

        static int TcpSendSingle(HP_SOCKET sock, char *pBuf, int &nBufLen);

        static int TcpSendWhole(HP_SOCKET sock, char *pBuf, int nTotalLen, int &nSendedLen);

        static int TcpSendTimeout(HP_SOCKET sock, char *pBuf, int nBufLen, unsigned int uiTimeoutSec);

        static int TcpRecvSingle(HP_SOCKET sock, char *pBuf, int &nBufLen);

        static int TcpRecvWhole(HP_SOCKET sock, char *pBuf, int nTotalLen, int &nRecvedLen);

        static int TcpRecvWholeUntilKey(HP_SOCKET sock, char *pBuf, int nTotalLen, int &nRecvedLen, const char *pszKey);

        static int TcpRecvTimeout(HP_SOCKET sock, char *pBuf, int nBufLen, unsigned int uiTimeoutSec);

        static int UdpSend(HP_SOCKET sock, char *pBuf, int &nBufLen, unsigned int uiIP, unsigned short usPort);

        static int UdpSend(HP_SOCKET sock, char *pBuf, int &nBufLen, const char *pszIP, unsigned short usPort);

        static int UdpRecv(HP_SOCKET sock, char *pBuf, int &nBufLen, unsigned int &uiIP, unsigned short &usPort);

        static int UdpRecv(HP_SOCKET sock, char *pBuf, int &nBufLen, char pszIP[16], unsigned short &usPort);

        static int GetRemoteAddr(HP_SOCKET sock, unsigned int &uiIP, unsigned short &usPort);

        static int GetRemoteAddr(HP_SOCKET sock, char pszIP[16], unsigned short &usPort);

        static int GetLocalAddr(HP_SOCKET sock, unsigned int &uiIP, unsigned short &usPort);

        static int GetLocalAddr(HP_SOCKET sock, char pszIP[16], unsigned short &usPort);

        static char *IPUintToStr(unsigned int uiIP, char pszIP[16]);

        static unsigned int IPStrToUint(const char *pszIP);

        static unsigned short HostToNetwork(unsigned short usValue);

        static unsigned int HostToNetwork(unsigned int uiValue);

        static HP_U64 HostToNetwork(HP_U64 ui64Value);

        static unsigned short NetworkToHost(unsigned short usValue);

        static unsigned int NetworkToHost(unsigned int uiValue);

        static HP_U64 NetworkToHost(HP_U64 ui64Value);

        static int BindDevice(HP_SOCKET sock, const char *pszNetName = "eth0");

private:
        static int SetRecvBufSize(HP_SOCKET sock, unsigned int uiSize);
        static int SetSendBufSize(HP_SOCKET sock, unsigned int uiSize);
        static int PasreErrorCode(int nErrorCode);
        static int Select(HP_SOCKET sock, unsigned int uiTimeoutSec, bool bCheckWrite);

private:
        CHP_Socket();
        ~CHP_Socket();
};

在头文件的开头部分，我们定义几个错误码。其中，小于0的值表示遇到了错误，大于0的值表示非阻塞模式下未发送完或接收完所有数据。各个错误码具体的含义如下。

HP_SOCKET_E_GENERAL：通用错误。

HP_SOCKET_E_NOROUTE：网络不可达。

HP_SOCKET_E_UNREACHABLE：主机不可达。

HP_SOCKET_E_NOSERVER：服务器拒绝。

HP_SOCKET_E_TIMEOUT：连接超时或收发数据超时。

HP_SOCKET_E_WOULDBLOCK：未连接上，需要继续等待；或未收到数据，需要继续等待；或数据未发送出去，需要继续等待。

HP_SOCKET_E_ATLEAST_ONE_BYTE：收到或者发送了至少一个字节的数据。

接下来，我们将详细介绍CHP_Socket类导出的公共接口。

Startup：全局初始化，应用层在程序开始调用一次即可。返回值为0表示成功，其他为错误码。

Cleanup：全局清理，应用层在程序结束调用一次即可。返回值为0表示成功，其他为错误码。

InitTcp：初始化TCP套接字。参数uiRecvBufSize为接收缓冲区大小，单位为B，传0默认为8KB。参数uiSendBufSize为发送缓冲区大小，单位为B，传0默认为8KB。参数bNoBlock表示是否设置非阻塞模式。成功返回套接字，失败返回HP_SOCKET_INVALID_HANDLE。

InitUdp：初始化UDP套接字，参数与返回值的含义同上。

Deinit：释放socket。参数sock为待释放的套接字，可以是TCP套接字，也可以是UDP套接字。

SetLinger：设置socket的SO_LINGER参数（Windows不支持该接口，会直接返回错误）。参数sock为需要设置的套接字，参数bLinger表示是否启用延迟关闭，参数uiTimeoutSec为延迟关闭的时间，单位为秒。返回值为0表示成功，其他为错误码。

EnableNoBlock：使能socket的非阻塞模式。参数sock为需要设置的套接字，参数bEnable表示是否使能非阻塞模式。返回值为0表示成功，其他为错误码。

EnableReuseAddr：使能socket重复绑定。参数sock为需要设置的套接字，参数bEnable表示是否使能重复绑定。返回值为0表示成功，其他为错误码。

EnableBroadcast：使能socket发送广播信息。参数sock为需要设置的套接字，参数bEnable表示是否使能发送广播信息。返回值为0表示成功，其他为错误码。

SetOption：调用setsockopt设置socket的SOL_SOCKET选项。参数sock为需要设置的套接字，参数snOptionName为选项名称，具体参考setsockopt的optname参数定义。参数pOption为选项值内容，具体参考setsockopt的optvalue参数定义。参数nOptionLen为选项值内容长度，具体参考setsockopt的optlen参数定义。返回值为0表示成功，其他为错误码。

GetOption：调用getsockopt获取socket的SOL_SOCKET选项，参数与返回值的含义同上。

Bind：绑定socket的本地地址。参数sock为需要设置的套接字，参数uiIP或pszIP为绑定的IP地址（网络字节序整数或字符串），参数usPort为绑定的端口。返回值为0表示成功，其他为错误码。

Listen：监听socket的连接。参数sock为需要设置的套接字，参数nListenNum为请求队列的最大连接数。返回值为0表示成功，其他为错误码。

Accept：接受客户端的连接请求。参数sock为已经监听的套接字，参数sockNew为请求连接的客户端套接字，用于传出。返回值为0表示成功，其他为错误码。

Connect：连接指定的服务器地址。参数sock为需要连接的套接字，参数uiIP或pszIP为需要连接的服务器IP地址（网络字节序整数或字符串），参数usPort为需要连接的服务器端口。返回值为0表示连接成功，HP_SOCKET_E_WOULDBLOCK表示正在连接，需要调用ProbeConnect不断探测，其他为错误码。

ProbeConnect：非阻塞模式下探测连接服务器是否成功。参数sock为需要探测连接的套接字。返回值为0表示连接成功，HP_SOCKET_E_WOULDBLOCK表示需要等会继续探测，其他为错误码。

TcpSendSingle：TCP连接发送数据。参数sock为需要发送数据的套接字，参数pBuf为需要发送的数据，参数nBufLen传入时为需要发送数据的长度，传出时为已经发送的数据长度。返回值为0表示成功，HP_SOCKET_E_WOULDBLOCK表示需要等会继续发送，其他为错误码。

TcpSendWhole：tcp连接发送数据，可以从上次已发送的位置继续发送数据。参数sock为需要发送数据的套接字，参数pBuf为需要发送的数据，参数nTotalLen为需要发送数据的总长度，参数nSendedLen传入时为已经发送数据的长度，传出时为最新已经发送的数据长度。返回值为0表示成功，HP_SOCKET_E_WOULDBLOCK表示需要等会继续发送，HP_SOCKET_E_ATLEAST_ONE_BYTE表示发送了至少一个字节的数据，也需要继续发送，其他为错误码。

TcpSendTimeout：TCP连接在指定的超时时间内发送数据。参数sock为需要发送数据的套接字，参数pBuf为需要发送的数据，参数nBufLen为需要发送数据的长度，参数uiTimeoutSec为指定的超时时间，单位为秒。返回值为0表示成功，其他为错误码。

TcpRecvSingle：TCP连接接收数据。参数sock为需要接收数据的套接字，参数pBuf为接收数据的缓存，参数nBufLen传入时为需要接收的数据长度，传出时为已经接收到数据的长度。返回值为0表示成功，HP_SOCKET_E_WOULDBLOCK表示需要等会继续接收，其他为错误码。

TcpRecvWhole：TCP连接接收数据，可以从上次已接收的位置继续接收数据。参数sock为需要接收数据的套接字，参数pBuf为接收数据的缓存，参数nTotalLen为接收数据的总长度，参数nRecvedLen传入时为缓存中已经接收的数据长度，传出时为最新已经接收的数据长度。返回值为0表示成功，HP_SOCKET_E_WOULDBLOCK表示需要等会继续接收，HP_SOCKET_E_ATLEAST_ONE_BYTE表示收到了至少一个字节的数据，也需要继续接收，其他为错误码。

TcpRecvWholeUntilKey：TCP连接接收数据直到指定的字符串为止。参数sock为需要接收数据的套接字，参数pBuf为接收数据的缓存，参数nTotalLen为接收数据的总长度，参数nRecvedLen传入时为缓存中已经接收的数据长度，传出时为最新已经接收的数据长度，参数pszKey为指定的结束字符串，一般用于接收指定的边界。返回值为0表示成功，HP_SOCKET_E_WOULDBLOCK表示需要等会继续接收，HP_SOCKET_E_ATLEAST_ONE_BYTE表示收到了至少一个字节的数据，也需要继续接收，其他为错误码。

TcpRecvTimeout：TCP连接在指定的超时时间内接收数据。参数sock为需要接收数据的套接字，参数pBuf为接收数据的缓存，参数nBufLen为接收数据的长度，参数uiTimeoutSec为指定的超时时间，单位为秒。返回值为0表示成功，其他为错误码。

UdpSend： UDP连接发送数据。参数sock为需要发送数据的套接字，参数pBuf为需要发送的数据，参数nBufLen为传入需要发送数据的长度，返回已经发送数据的长度，参数uiIP或pszIP为发送目标的IP地址（网络字节序整数或字符串），参数usPort为发送目标的端口。返回值为0表示成功，HP_SOCKET_E_WOULDBLOCK表示需要等会继续发送，其他为错误码。

UdpRecv：UDP连接接收数据。参数sock为需要接收数据的套接字，参数pBuf为接收数据的缓存，参数nBufLen传入时为需要接收的数据长度，传出时为已经接收到数据的长度。参数uiIP或pszIP返回接收数据的来源IP地址（网络字节序整数或字符串），参数usPort返回接收数据的来源端口。返回值为0表示成功，HP_SOCKET_E_WOULDBLOCK表示需要等会继续接收，其他为错误码。

GetRemoteAddr：获取套接字的对端IP地址和端口。参数sock为需要获取的套接字，参数uiIP或pszIP表示返回的IP地址（网络字节序整数或字符串），参数usPort表示返回的端口。返回值为0表示成功，其他为错误码。

GetLocalAddr：获取套接字本地绑定的IP地址和端口，参数与返回值的含义同上。

IPUintToStr：将整数型IP地址（网络字节序）转换成字符串型IP地址。参数uiIP为整数型IP地址（网络字节序），参数pszIP为字符串型IP地址，用于传出。返回值为字符串型IP地址，非NULL表示成功，否则失败。

IPStrToUint：将字符串型IP地址转换成整数型IP地址（网络字节序）。参数pszIP为字符串型IP地址，返回值为整数型IP地址（网络字节序），非0表示成功，否则失败。

HostToNetwork：将主机字节序转换成网络字节序，可以是16位无符号整数、32位无符号整数、64位无符号整数。

NetworkToHost：将网络字节序转换成主机字节序，可以是16位无符号整数、32位无符号整数、64位无符号整数。

BindDevice：将套接字绑定到某个设备（该接口仅对Linux有效），该接口一般用于多卡绑定同时发送数据。参数sock为套接字，参数pszNetName为设备的网卡接口名称，默认为"eth0"。返回值为0表示成功，其他为错误码。

总结

Socket编程是实现网络间进程通信的基础技术之一，掌握它等于掌握了网络通信的“语言”。无论是简单的数据传输、文件共享，还是复杂的分布式系统构建，Socket都是不可或缺的知识点。了解Socket编程的底层机制，有助于开发者对网络应用的性能瓶颈进行定位和优化，比如：通过调整缓冲区大小、使用非阻塞IO或异步IO模型等方式提升数据传输效率。