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# 第09讲：网络编程
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> 🎯 **本节目标**：掌握 Socket 编程，理解客户端-服务器模型
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## 📋 前置知识
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- [[04_文件IO编程]] — 文件描述符的概念
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- [[06_进程控制]] — 进程创建
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## 🤔 为什么需要这个？
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你每天都在使用网络：浏览网页、发送消息、观看视频。但你有没有想过：
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- 浏览器是怎么从服务器获取网页的？
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- 两台电脑之间是怎么通信的？
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**网络编程**就是让你能够编写这样的程序。
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**生活比喻**：
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- **Socket** = 电话插座
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- **服务器** = 客服中心（等待来电）
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- **客户端** = 拨打电话的用户
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- **端口** = 分机号
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## 📖 核心概念
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### 1. 客户端-服务器模型
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```mermaid
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sequenceDiagram
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participant 客户端
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participant 服务器
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服务器->>服务器: socket() 创建套接字
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服务器->>服务器: bind() 绑定地址
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服务器->>服务器: listen() 监听连接
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服务器->>服务器: accept() 等待连接
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客户端->>客户端: socket() 创建套接字
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客户端->>服务器: connect() 发起连接
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服务器->>客户端: 连接建立
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客户端->>服务器: send() 发送数据
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服务器->>客户端: recv() 接收数据
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服务器->>客户端: send() 发送响应
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客户端->>服务器: recv() 接收响应
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客户端->>客户端: close() 关闭连接
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服务器->>服务器: close() 关闭连接
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```
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### 2. Socket 编程流程
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```mermaid
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graph TD
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subgraph 服务器端
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A1[socket] --> A2[bind]
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A2 --> A3[listen]
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A3 --> A4[accept]
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A4 --> A5[read/write]
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A5 --> A6[close]
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end
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subgraph 客户端
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B1[socket] --> B2[connect]
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B2 --> B3[write/read]
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B3 --> B4[close]
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||
end
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style A1 fill:#e8f5e9
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style B1 fill:#e1f5fe
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```
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**核心函数**：
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| 函数 | 作用 | 服务器/客户端 |
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|------|------|:---:|
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| `socket()` | 创建套接字 | 都需要 |
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| `bind()` | 绑定地址和端口 | 服务器 |
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| `listen()` | 开始监听 | 服务器 |
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| `accept()` | 接受连接 | 服务器 |
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| `connect()` | 发起连接 | 客户端 |
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| `send()` | 发送数据 | 都需要 |
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| `recv()` | 接收数据 | 都需要 |
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| `close()` | 关闭连接 | 都需要 |
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### 3. IP 地址与端口
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```mermaid
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graph LR
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A[计算机] -->|IP地址| B[192.168.1.100]
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A -->|端口| C[:80]
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B --> D[唯一标识一台电脑]
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C --> E[唯一标识一个服务]
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style B fill:#e1f5fe
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style C fill:#e8f5e9
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```
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**常见端口**：
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| 端口 | 服务 | 说明 |
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|:---:|------|------|
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| 22 | SSH | 远程登录 |
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| 80 | HTTP | 网页浏览 |
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| 443 | HTTPS | 安全网页 |
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| 3306 | MySQL | 数据库 |
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| 8080 | HTTP备用 | 开发常用 |
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### 4. 字节序
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不同 CPU 存储多字节数据的方式不同：
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```mermaid
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graph LR
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A[0x12345678] --> B[大端序 Big-endian]
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A --> C[小端序 Little-endian]
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B --> B1[12 34 56 78]
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C --> C1[78 56 34 12]
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style B fill:#e1f5fe
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style C fill:#e8f5e9
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```
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**网络字节序**：大端序（Big-endian）
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**转换函数**：
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```c
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htonl() // host to network long
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htons() // host to network short
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ntohl() // network to host long
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ntohs() // network to host short
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```
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### 5. DNS 域名解析
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```mermaid
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graph LR
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A[www.example.com] -->|DNS查询| B[DNS服务器]
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B -->|返回IP| C[93.184.216.34]
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C -->|连接| D[Web服务器]
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style A fill:#e1f5fe
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style C fill:#e8f5e9
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```
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## 💻 动手实践
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### 示例1：查询主机信息
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```c
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// hostinfo.c - 查询主机信息
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#include "wrapper.h"
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int main(int argc, char **argv) {
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char **pp;
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struct in_addr addr;
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struct hostent *hostp;
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if (argc != 2) {
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fprintf(stderr, "usage: %s <domain name or dotted-decimal>\n", argv[0]);
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exit(0);
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}
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// 判断是域名还是IP地址
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if (inet_aton(argv[1], &addr) != 0)
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hostp = Gethostbyaddr((const char *)&addr, sizeof(addr), AF_INET);
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else
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hostp = Gethostbyname(argv[1]);
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// 打印主机信息
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printf("official hostname: %s\n", hostp->h_name);
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for (pp = hostp->h_aliases; *pp != NULL; pp++)
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printf("alias: %s\n", *pp);
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for (pp = hostp->h_addr_list; *pp != NULL; pp++) {
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addr.s_addr = *((unsigned int *)*pp);
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printf("address: %s\n", inet_ntoa(addr));
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}
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exit(0);
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||
}
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```
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**编译运行**：
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```bash
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gcc -o hostinfo hostinfo.c -L. -lwrapper
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./hostinfo www.baidu.com
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```
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**预期输出**：
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```
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official hostname: www.a.shifen.com
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alias: www.baidu.com
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address: 110.242.68.66
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address: 110.242.68.3
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```
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### 示例2：TCP 服务器（大小写转换）
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```c
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// toggle.c - TCP 服务器
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#include "wrapper.h"
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void toggle(int conn_sock) {
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size_t n;
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int i;
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char buf[MAXLINE];
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while ((n = recv(conn_sock, buf, MAXLINE, 0)) > 0) {
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printf("toggle server received %d bytes\n", n);
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// 转换大小写
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for (i = 0; i < n; i++)
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if (isupper(buf[i]))
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buf[i] = tolower(buf[i]);
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else if (islower(buf[i]))
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||
buf[i] = toupper(buf[i]);
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|
||
send(conn_sock, buf, n, 0);
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||
}
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||
}
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```
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### 示例3：TCP 客户端
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```c
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// togglec.c - TCP 客户端
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||
#include "wrapper.h"
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int main(int argc, char **argv) {
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int client_sock, port;
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char *host, buf[MAXLINE];
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rio_t rio;
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||
if (argc != 3) {
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||
fprintf(stderr, "usage: %s <host> <port>\n", argv[0]);
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exit(1);
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}
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host = argv[1];
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port = atoi(argv[2]);
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// 连接服务器
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client_sock = open_client_sock(host, port);
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// 从标准输入读取，发送到服务器，接收响应
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while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {
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send(client_sock, buf, strlen(buf), 0);
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||
recv(client_sock, buf, MAXLINE, 0);
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||
fputs(buf, stdout);
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||
}
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||
close(client_sock);
|
||
exit(0);
|
||
}
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```
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**编译运行**：
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```bash
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# 编译
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gcc -o toggle toggle.c -L. -lwrapper
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gcc -o togglec togglec.c -L. -lwrapper
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# 终端1：启动服务器
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./toggle 8080
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# 终端2：启动客户端
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./togglec localhost 8080
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Hello World # 输入
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HELLO WORLD # 输出（大小写转换）
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```
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## 🔗 知识关联
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- Socket 是文件描述符，详见 [[04_文件IO编程]]
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- 并发服务器在 [[10_并发服务器]] 中有详细讲解
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||
- 网络编程在 [[实验05_Linux网络通信编程]] 中有实践练习
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## 📝 思考题
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1. **TCP vs UDP**：什么时候用 TCP，什么时候用 UDP？
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2. **为什么需要字节序转换？** 如果不转换会怎样？
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3. **服务器为什么需要 bind()？** 客户端为什么不需要？
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## 📚 扩展阅读
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- 《UNIX网络编程》第1卷：套接字联网API
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||
- [Beej's Guide to Network Programming](https://beej.us/guide/bgnet/)
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||
- [Socket 编程详解](https://www.cs.rpi.edu/~moorthy/Courses/os98/Pggrams/socket.html)
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