C++网络编程Socket网络编程基础入门

Socket网络编程基础入门 - 从理论到实践

1. Socket基本概念

1.1 什么是Socket？

Socket（套接字）是网络编程的基础，它是应用层与传输层之间的抽象接口。简单来说，Socket就是网络通信的端点，就像电话的听筒一样，用于发送和接收数据。

在你的FileHub项目中，Socket被封装在多个层次中：

// 从 net/Socket.h 可以看到Socket的封装
class Socket : noncopyable {
public:
    explicit Socket(int sockfd) : sockfd_(sockfd) { }
    ~Socket();
    
    int fd() const { return sockfd_; }
    // 绑定地址
    void bindAddress(const InetAddress& addr);
    // 监听连接
    void listen();
    // 接受连接
    int accept(InetAddress* peeraddr);
    // 关闭连接
    void shutdownWrite();
    // 设置选项
    void setTcpNoDelay(bool on);
    void setReuseAddr(bool on);
    void setReusePort(bool on);
    void setKeepAlive(bool on);
};

1.2 Socket的类型

1. 流式Socket (SOCK_STREAM)：基于TCP协议，提供可靠的双向通信
2. 数据报Socket (SOCK_DGRAM)：基于UDP协议，提供不可靠的单向通信

你的FileHub项目主要使用TCP Socket，因为文件传输需要可靠的数据传输。

2. 网络地址结构

2.1 InetAddress类

在你的项目中，网络地址被封装在InetAddress类中：

// 从 net/InetAddress.h
class InetAddress : public copyable {
public:
    // 构造监听地址（用于服务器）
    explicit InetAddress(uint16_t port = 0, bool loopbackOnly = false);
    
    // 构造指定IP和端口的地址
    InetAddress(StringArg ip, uint16_t port);
    
    // 获取IP地址字符串
    std::string toIp() const;
    // 获取IP:端口字符串
    std::string toIpPort() const;
    // 获取端口号
    uint16_t port() const;
    
private:
    union {
        struct sockaddr_in addr_;    // IPv4地址结构
        struct sockaddr_in6 addr6_;  // IPv6地址结构
    };
};

2.2 地址结构体

底层使用的是标准的socket地址结构：

// IPv4地址结构
struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family;     // 地址族 (AF_INET)
    in_port_t sin_port;         // 端口号 (网络字节序)
    struct in_addr sin_addr;    // IP地址
    char sin_zero[8];           // 填充字节
};

// IPv6地址结构  
struct sockaddr_in6 {
    sa_family_t sin6_family;    // 地址族 (AF_INET6)
    in_port_t sin6_port;        // 端口号
    uint32_t sin6_flowinfo;     // 流信息
    struct in6_addr sin6_addr;  // IPv6地址
    uint32_t sin6_scope_id;     // 作用域ID
};

3. TCP服务器编程模型

3.1 基本流程

TCP服务器编程遵循以下基本流程：

1. 创建Socket
2. 绑定地址
3. 监听连接
4. 接受连接
5. 数据收发
6. 关闭连接

3.2 你的项目中的实现

在你的FileHub项目中，这个流程被封装在TcpServer类中：

// 从 net/TcpServer.h
class TcpServer : noncopyable {
public:
    // 构造函数：创建服务器
    TcpServer(EventLoop* loop,
              const InetAddress& listenAddr,  // 监听地址
              const std::string& nameArg,     // 服务器名称
              Option option = kNoReusePort);
    
    // 启动服务器
    void start();
    
    // 设置各种回调函数
    void setConnectionCallback(const ConnectionCallback& cb);
    void setMessageCallback(const MessageCallback& cb);
    void setWriteCompleteCallback(const WriteCompleteCallback& cb);
    
private:
    // 新连接到来时的处理
    void newConnection(int sockfd, const InetAddress& peerAddr);
    // 移除连接
    void removeConnection(const TcpConnectionPtr& conn);
    
    EventLoop* loop_;                          // 事件循环
    std::unique_ptr<Acceptor> acceptor_;       // 接收器（负责accept）
    std::shared_ptr<EventLoopThreadPool> threadPool_; // 线程池
    ConnectionMap connections_;                 // 连接表
};

4. 事件驱动模型

4.1 EventLoop核心

你的项目使用了事件驱动模型，核心是EventLoop类：

// 从 net/EventLoop.h
class EventLoop : noncopyable {
public:
    // 开启事件循环
    void loop();
    // 退出事件循环
    void quit();
    // 在当前loop中执行回调
    void runInLoop(Functor cb);
    // 把回调放入队列
    void queueInLoop(Functor cb);
    
    // 更新Channel（文件描述符的封装）
    void updateChannel(Channel* channel);
    void removeChannel(Channel* channel);
    
private:
    std::unique_ptr<Poller> poller_;           // IO多路复用
    std::unique_ptr<TimerQueue> timerQueue_;   // 定时器队列
    ChannelList activeChannels_;               // 活跃的Channel列表
    std::vector<Functor> pendingFunctors_;     // 待处理的回调函数
};

4.2 IO多路复用

项目支持多种IO多路复用机制：

// 从 net/poller/ 目录可以看到
- EPollPoller.cc/h    // Linux epoll
- PollPoller.cc/h     // POSIX poll
- DefaultPoller.cc    // 默认选择器

5. HTTP服务器实现

5.1 HTTP请求处理

你的FileHub项目是一个HTTP文件服务器，处理HTTP请求：

// 从 application/http_upload.cc
class HttpUploadHandler {
private:
    ThreadPool threadPool_;              // 线程池处理请求
    std::string uploadDir_;             // 上传目录
    std::atomic<int> activeRequests_;   // 活跃请求计数
    
    // 定义处理函数类型
    using RequestHandler = bool (HttpUploadHandler::*)(const TcpConnectionPtr&, HttpRequest&, HttpResponse*);
    
    // 路由表
    std::unordered_map<std::string, RequestHandler> routes_;
};

5.2 文件上传处理

项目实现了完整的文件上传功能：

// 文件上传上下文
class FileUploadContext {
public:
    enum class State {
        kExpectHeaders,    // 等待HTTP头部
        kExpectContent,    // 等待文件内容
        kExpectBoundary,   // 等待multipart边界
        kComplete         // 上传完成
    };
    
    void writeData(const char* data, size_t len) {
        if (!file_.write(data, len)) {
            throw std::runtime_error("Failed to write to file: " + filename_);
        }
        file_.flush();  // 确保数据写入磁盘
        totalBytes_ += len;
    }
};

6. 实际应用示例

6.1 启动HTTP服务器

// 创建事件循环
EventLoop loop;

// 创建HTTP服务器
HttpServer server(&loop, InetAddress(8080), "FileHub");

// 设置请求处理回调
server.setHttpCallback(std::bind(&HttpUploadHandler::onRequest, 
                                &handler, std::placeholders::_1, 
                                std::placeholders::_2, std::placeholders::_3));

// 启动服务器
server.start();

// 运行事件循环
loop.loop();

6.2 处理客户端连接

// 当新连接建立时
void TcpServer::newConnection(int sockfd, const InetAddress& peerAddr) {
    // 创建TcpConnection对象
    TcpConnectionPtr conn(new TcpConnection(loop_, connName, sockfd, localAddr, peerAddr));
    
    // 设置连接回调
    conn->setConnectionCallback(connectionCallback_);
    conn->setMessageCallback(messageCallback_);
    conn->setWriteCompleteCallback(writeCompleteCallback_);
    
    // 添加到连接表
    connections_[connName] = conn;
    
    // 建立连接
    conn->connectEstablished();
}

7. 关键概念总结

7.1 Socket编程的核心要素

1. 文件描述符：Socket在系统中表现为文件描述符
2. 地址结构：用于指定通信的端点
3. IO多路复用：高效处理多个连接
4. 事件驱动：非阻塞的异步处理模式

7.2 你的项目的优势

1. 封装良好：将底层Socket API封装成易用的类
2. 事件驱动：使用EventLoop实现高效的事件处理
3. 线程安全：正确处理多线程环境下的并发
4. 扩展性强：支持HTTP、文件上传等高级功能

7.3 学习建议

1. 理解基础概念：Socket、地址结构、IO模型
2. 掌握事件驱动：EventLoop、Channel、Poller的关系
3. 实践项目代码：通过调试理解数据流向
4. 扩展功能：尝试添加新的协议支持

通过你的FileHub项目，你可以看到一个完整的网络编程框架是如何构建的，从底层的Socket操作到上层的HTTP协议处理，这是一个很好的学习网络编程的实践项目！

我来结合你的FileHub项目代码，为你详细介绍Socket的基本概念！

我已经为你创建了一篇详细的Socket网络编程基础入门博客！这篇博客结合了你的FileHub项目代码，从理论到实践全面介绍了Socket的基本概念。

主要内容包括：

1. Socket基本概念

• 解释了Socket是什么，以及它在你的项目中如何被封装
• 介绍了流式Socket和数据报Socket的区别

2. 网络地址结构

• 详细讲解了InetAddress类的设计
• 展示了底层sockaddr_in和sockaddr_in6结构体

3. TCP服务器编程模型

• 介绍了TCP服务器的6个基本步骤
• 结合你的TcpServer类展示了实际实现

4. 事件驱动模型

• 重点讲解了EventLoop的核心作用
• 介绍了IO多路复用的实现

5. HTTP服务器实现

• 展示了你的项目如何处理HTTP请求
• 详细介绍了文件上传的实现机制

6. 实际应用示例

• 提供了完整的服务器启动代码示例
• 展示了连接处理的具体流程

7. 关键概念总结

• 总结了Socket编程的核心要素
• 分析了你的项目优势
• 给出了学习建议

这篇博客特别适合：

• 初学者：从基础概念开始，循序渐进
• 实践者：结合真实项目代码，便于理解
• 进阶者：可以看到完整的事件驱动架构设计

你可以通过这篇博客更好地理解你的FileHub项目是如何构建的，以及网络编程的核心概念！