Linux UDP 網絡編程：從回顯服務器到多人聊天室

Linux UDP 網絡編程：從回顯服務器到多人聊天室

UDP（用戶數據報協議）無連接、不可靠、無序，但開銷小、速度快、支援廣播/多播。本文從基礎 API 入手，逐步實現簡易 UDP 回顯服務器，再擴展為多進程多人聊天室。

核心 API 對比

關鍵函數原型

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);  // type=SOCK_DGRAM
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
                 struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

• recvfrom：接收數據並獲取發送方地址（輸出參數）。
• sendto：發送數據到指定地址。若預先 connect()，可用 send/recv。

第一步：UDP 回顯服務器 udpsrv.c

#include <stdio.h>, <stdlib.h>, <string.h>, <unistd.h>, <arpa/inet.h>, <sys/socket.h>
#define PORT 8088
#define BUFSZ 1024

int main() {
    int sd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    struct sockaddr_in addr = { .sin_family = AF_INET, .sin_port = htons(PORT), .sin_addr.s_addr = INADDR_ANY };
    bind(sd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    printf("UDP server listening on port %d\n", PORT);
    char msg[BUFSZ];
    socklen_t alen = sizeof(addr);
    while (1) {
        int n = recvfrom(sd, msg, BUFSZ-1, 0, (struct sockaddr*)&addr, &alen);
        if (n <= 0) continue;
        msg[n] = '\0';
        printf("Received from %s:%d: %s\n", inet_ntoa(addr.sin_addr), ntohs(addr.sin_port), msg);
        sendto(sd, msg, n, 0, (struct sockaddr*)&addr, alen);  // 原樣回發
    }
    close(sd);
    return 0;
}

第二步：UDP 客戶端 udpclt.c

#include ... // 同上頭文件
#define PORT 8088
#define BUFSZ 1024

int main() {
    int sd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    struct sockaddr_in srv = { .sin_family = AF_INET, .sin_port = htons(PORT) };
    inet_aton("127.0.0.1", &srv.sin_addr);
    char msg[BUFSZ];
    socklen_t alen = sizeof(srv);
    while (fgets(msg, BUFSZ, stdin)) {
        sendto(sd, msg, strlen(msg), 0, (struct sockaddr*)&srv, alen);
        int n = recvfrom(sd, msg, BUFSZ-1, 0, (struct sockaddr*)&srv, &alen);
        if (n > 0) { msg[n] = '\0'; printf("Echo: %s", msg); }
    }
    close(sd);
    return 0;
}

第三步：多人聊天室 —— 多進程架構

設計：

• 服務器維護客戶端地址鏈表（struct sockaddr_in + next）。
• 協議簡單：type=1 登錄、2 說話、3 退出。消息結構體 umsg 含類型、用戶名、文本。
• 服務器單進程循環 recvfrom，根據類型廣播/登錄/退出。
• 客戶端 fork()：子進程讀 stdin 發送，父進程 recvfrom 顯示。

服務器核心代碼片段 udpmulsrv.c

typedef struct ucnode { struct sockaddr_in addr; struct ucnode *next; } *ucnode_t;

void broadcast(ucnode_t head, int sd, struct sockaddr_in *src, struct umsg *msg) {
    for (ucnode_t p = head->next; p; p = p->next) {
        if (memcmp(&p->addr, src, sizeof(*src)) != 0)  // 不發給自己
            sendto(sd, msg, sizeof(*msg), 0, (struct sockaddr*)&p->addr, sizeof(p->addr));
    }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    // ... 初始化 socket, bind ...
    ucnode_t head = calloc(1, sizeof(*head));  // 頭節點
    while (1) {
        struct umsg msg; struct sockaddr_in cli; socklen_t alen = sizeof(cli);
        recvfrom(sd, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr*)&cli, &alen);
        switch (msg.type) {
            case '1':  // 登錄
                insert_node(head, &cli);
                broadcast(head, sd, &cli, &msg);  // 通知舊用戶有新用戶
                break;
            case '2': broadcast(head, sd, &cli, &msg); break;  // 轉發消息
            case '3':  // 退出
                broadcast(head, sd, &cli, &msg);
                delete_node(head, &cli);
                break;
        }
    }
}

客戶端核心 udpmulclt.c

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {  // 子進程：發送
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    while (fgets(msg.text, sizeof(msg.text), stdin)) {
        if (strcasecmp(msg.text, "quit\n") == 0) { msg.type = '3'; sendto(...); break; }
        msg.type = '2'; sendto(sd, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr*)&srv, alen);
    }
    close(sd); kill(getppid(), SIGKILL); exit(0);
}
// 父進程：接收顯示
while (1) {
    recvfrom(sd, &msg, sizeof(msg), 0, NULL, NULL);
    switch (msg.type) {
        case '1': printf("%s joined!\n", msg.name); break;
        case '2': printf("%s: %s", msg.name, msg.text); break;
        case '3': printf("%s left!\n", msg.name); break;
    }
}
kill(pid, SIGKILL); waitpid(pid, NULL, 0);

編譯運行

gcc -g -Wall -o udpmulsrv.out udpmulsrv.c
gcc -g -Wall -o udpmulclt.out udpmulclt.c
# 終端1：服務器
./udpmulsrv.out 0.0.0.0 8088
# 終端2/3/...：客戶端
./udpmulclt.out 127.0.0.1 8088 Alice
./udpmulclt.out 127.0.0.1 8088 Bob

關鍵技術點總結

1. struct sockaddr_in addr = { AF_INET } 等價於 memset(&addr,0,sizeof(addr)); addr.sin_family=AF_INET;。
2. 消息結構體固定大小，sendto 發送整個結構體，接收端按結構體解析，字段末尾手動加 \0 保險。
3. bzero 非標準（BSD），跨平台用 memset(&v,0,sizeof(v)) 封裝宏 BZERO(v)。
4. 鏈表節點用 calloc 零初始化，刪除時 free 防洩漏。
5. UDP 無連接，服務器無需 listen/accept，天然支援多客戶端。