《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第5章 TCP客户服务器程序示例

《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第5章 TCP客户/服务器程序示例

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5.1 本章目标与示例程序概述

本章通过一个完整的TCP回射（Echo）客户/服务器程序，深入解析TCP套接字编程的核心流程与关键问题。示例程序的功能为：客户端发送文本至服务器，服务器将文本原样返回。通过此案例，读者将掌握：

1. TCP通信全流程：从套接字创建到连接终止；
2. 并发服务器设计：多进程/多线程模型实现；
3. 健壮性处理：应对网络异常与资源管理；
4. 调试技巧：使用工具分析协议交互。

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5.2 服务器端程序实现

5.2.1 主函数框架

#include "unp.h"

int main(int argc, char **argv) {
    int listenfd, connfd;
    pid_t childpid;
    socklen_t clilen;
    struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;

    // 创建TCP套接字
    listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 初始化服务器地址结构
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定所有接口
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);         // 服务端口号

    // 绑定与监听
    Bind(listenfd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr));
    Listen(listenfd, LISTENQ); // LISTENQ定义连接队列最大长度

    for (;;) {
        clilen = sizeof(cliaddr);
        connfd = Accept(listenfd, (SA *)&cliaddr, &clilen); // 阻塞等待连接
        // 并发处理
        if ((childpid = Fork()) == 0) { // 子进程
            Close(listenfd);           // 子进程关闭监听套接字
            str_echo(connfd);          // 处理客户端请求
            exit(0);
        }
        Close(connfd); // 父进程关闭已连接套接字
    }
}

关键点：

• INADDR_ANY允许服务器监听所有网络接口；
• fork()实现并发处理，父进程继续监听新连接，子进程处理当前连接。

5.2.2 数据回射函数str_echo

void str_echo(int sockfd) {
    ssize_t n;
    char buf[MAXLINE];
again:
    while ((n = Read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)
        Writen(sockfd, buf, n); // 回射数据
    if (n < 0 && errno == EINTR) // 处理中断
        goto again;
    else if (n < 0)
        err_sys("str_echo: read error"); // 包裹函数处理错误
}

注意：TCP是字节流协议，需处理部分读写与粘包问题。

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5.3 客户端程序实现

5.3.1 主函数框架

#include "unp.h"

int main(int argc, char **argv) {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in servaddr;

    if (argc != 2)
        err_quit("usage: tcpcli <IPaddress>");

    // 创建TCP套接字
    sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 初始化服务器地址
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    Inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);

    // 发起连接
    Connect(sockfd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    // 处理用户输入与服务器响应
    str_cli(stdin, sockfd); 

    exit(0);
}

关键点：

• Connect触发三次握手，需处理ETIMEDOUT（超时）和ECONNREFUSED（拒绝连接）等错误。

5.3.2 用户交互函数str_cli

void str_cli(FILE *fp, int sockfd) {
    char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];
    while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) { // 读取标准输入
        Writen(sockfd, sendline, strlen(sendline)); // 发送至服务器
        if (Readline(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0) // 读取响应
            err_quit("str_cli: server terminated prematurely");
        Fputs(recvline, stdout); // 输出响应
    }
}

说明 ：Readline需正确处理部分读与缓冲区管理（参考第3章字节流处理）。

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5.4 并发服务器模型与僵尸进程处理

5.4.1 多进程模型的缺陷

• 僵尸进程 ：子进程终止后未调用wait，导致进程表中残留条目；
• 资源泄漏：未关闭套接字可能耗尽文件描述符。

5.4.2 解决方案：信号处理

void sig_chld(int signo) {
    pid_t pid;
    int stat;
    while ((pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0)
        printf("child %d terminated\n", pid);
    return;
}

// 主函数中注册信号处理
Signal(SIGCHLD, sig_chld); // 使用包裹函数处理信号

作用 ：捕获SIGCHLD信号，回收子进程资源。

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5.5 异常场景分析与处理

5.5.1 服务器主机崩溃

• 现象 ：客户端read阻塞，TCP持续重传数据，最终返回ETIMEDOUT；
• 处理：设置超时机制或使用心跳包检测连接状态。

5.5.2 服务器主机重启

• 现象 ：客户端收到ECONNRESET错误；
• 处理：重连机制或优雅终止程序。

5.5.3 客户端非正常终止

• 现象 ：服务器子进程read返回0，触发正常关闭流程；
• 处理 ：确保close释放资源，避免文件描述符泄漏。

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5.6 测试与调试技巧

5.6.1 使用netstat监控连接状态

netstat -ant | grep 9999 # 查看端口9999的TCP连接状态

输出示例：

• LISTEN：监听状态；
• ESTABLISHED：已建立连接；
• TIME_WAIT：连接终止等待。

5.6.2 tcpdump抓包分析

tcpdump -i lo port 9999 # 监听本地回环接口的9999端口

关键字段：

• SYN/ACK：三次握手过程；
• FIN：四次挥手过程。

5.6.3 使用ps查看进程状态

ps -ef | grep tcpserv # 查看服务器进程状态

状态说明：

• S：睡眠状态（等待I/O）；
• Z：僵尸进程。

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5.7 性能优化与扩展

5.7.1 线程池模型

pthread_t tid;
pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); // 线程分离
pthread_create(&tid, &attr, handle_client, (void *)connfd);

优势：避免频繁创建/销毁线程的开销。

5.7.2 I/O复用（select/epoll）

• 适用场景：高并发连接，减少进程/线程切换开销；
• 实现要点：事件驱动模型，非阻塞I/O。
• 参见相关文章：epoll函数使用实战详解

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5.8 本章小结与进阶习题

小结：本章通过Echo程序完整演示了TCP客户/服务器开发流程，涵盖并发模型、异常处理与调试技巧，为复杂网络应用开发奠定基础。

习题：

1. 实现UDP版本的Echo程序，对比TCP/UDP编程差异；
2. 修改服务器为线程池模型，测试并发性能；
3. 使用Wireshark分析TCP握手与挥手过程，提交抓包分析报告。

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付费用户专属资源：

• 完整代码工程（含Makefile与测试脚本）；
• TCP状态转换图（矢量图）；
• 扩展阅读：《UNIX网络编程中的并发模型演进》。

通过本章学习，读者将掌握TCP套接字编程的核心技术，并具备开发高可靠性、高并发网络服务的能力。