《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第4章基本TCP套接字编程

4.1 TCP套接字编程核心流程

TCP套接字编程遵循客户-服务器模型，其核心流程可分解为以下步骤（图4-1）：

服务器端：

socket()：创建监听套接字
bind()：绑定本地IP与端口
listen()：开启监听模式
accept()：接受客户端连接请求
read()/write()：与客户端通信
close()：关闭连接

客户端：

socket()：创建通信套接字
connect()：发起连接请求
read()/write()：与服务器通信
close()：关闭连接

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服务端流程:
开始
  ↓
socket() 创建监听套接字
  ↓
bind() 绑定本地IP与端口
  ↓
listen() 开启监听模式
  ↓
accept() 接受客户端连接请求
  ↓
read()/write() 与客户端通信
  ↓
close() 关闭连接
结束

客户端流程:
开始
  ↓
socket() 创建通信套接字
  ↓
connect() 发起连接请求
  ↓
read()/write() 与服务器通信
  ↓
close() 关闭连接
结束

4.2 套接字创建与协议选择

4.2.1 socket()函数详解

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#include <sys/socket.h>
int socket(int family, int type, int protocol);

参数解析：
- family：协议族（如AF_INET、AF_INET6、AF_UNIX）；
- type：套接字类型（SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM）；
- protocol：通常为0（自动选择默认协议）。
返回值：
- 成功：返回非负套接字描述符；
- 失败：返回-1，设置errno（如EAFNOSUPPORT协议不支持）。

示例：创建IPv4 TCP套接字

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int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (listenfd < 0)
    err_sys("socket error");

4.2.2 协议选择的工程实践

IPv4与IPv6兼容性设计 ：优先使用AF_UNSPEC配合getaddrinfo（详见第11章）；
TCP与SCTP对比：TCP适合文件传输，SCTP适合多流场景（如5G信令）。

4.3 绑定地址与端口：bind()函数

4.3.1 bind()函数原型

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int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

关键参数：
- addr：指向特定协议地址结构（如sockaddr_in）；
- addrlen：地址结构长度。
常见错误：
- EADDRINUSE：端口被占用；
- EACCES：绑定特权端口（<1024）权限不足。

示例：绑定IPv4地址到套接字

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struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 通配地址
servaddr.sin_port = htons(9999); // 端口号
if (bind(listenfd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
    err_sys("bind error");

4.3.2 通配地址与特定地址

INADDR_ANY：允许套接字监听所有本地接口；
指定IP ：仅监听特定接口（如inet_pton(AF_INET, "192.168.1.100", &servaddr.sin_addr)）。

4.4 监听与连接队列：listen()函数

4.4.1 listen()函数原型

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int listen(int sockfd, int backlog);

backlog参数 ：
定义内核维护的**未完成连接队列（SYN_RCVD状态）与已完成连接队列（ESTABLISHED状态）**的总长度上限。
- 传统BSD实现：backlog为两个队列总和；
- Linux 4.3+：通过/proc/sys/net/core/somaxconn动态调整。

最佳实践：

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const int BACKLOG = 1024;
if (listen(listenfd, BACKLOG) < 0)
    err_sys("listen error");

4.4.2 连接队列溢出处理

客户端收到ECONNREFUSED错误；
服务器可通过netstat -s | grep overflow监控溢出次数。

4.5 接受连接：accept()函数

4.5.1 accept()函数原型

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int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);

参数特性 ：
- cliaddr：返回客户端地址信息；
- addrlen：值-结果参数（需初始化为缓冲区大小）。

示例：获取客户端IP与端口

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struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t clilen = sizeof(cliaddr);
int connfd = accept(listenfd, (SA *)&cliaddr, &clilen);
if (connfd < 0)
    err_sys("accept error");

char client_ip[INET_ADDRSTRLEN];
printf("Client connected from %s:%d\n",
       inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, client_ip, sizeof(client_ip)),
       ntohs(cliaddr.sin_port));

4.5.2 非阻塞accept与EAGAIN

若监听套接字设为非阻塞且无连接到达，返回EAGAIN错误；
需结合I/O复用（如select或epoll）处理。

4.6 发起连接：connect()函数

4.6.1 connect()函数原型

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int connect(int sockfd, const struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen);

连接过程 ：
- 客户端发送SYN；
- 等待服务器SYN+ACK；
- 发送ACK完成三次握手（图4-2）。

示例：客户端连接服务器

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struct sockaddr_in servaddr;
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(9999);
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.100", &servaddr.sin_addr);
if (connect(sockfd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
    err_sys("connect error");

4.6.2 超时与错误处理

ETIMEDOUT：未收到SYN+ACK（可能服务器宕机）；
ECONNREFUSED：目标端口无监听服务；
ENETUNREACH：路由不可达。

4.7 数据传输：read()与write()的局限性

TCP为字节流协议，需处理粘包与部分读写问题：

粘包：多次write可能被合并为一个TCP段；
部分读写 ：read可能返回小于请求长度的数据。

解决方案：

定义应用层协议（如固定长度头+变长体）；
使用readn/writen包裹函数（见第3章）。

4.8 连接终止：close()与shutdown()

4.8.1 close()函数

减少套接字引用计数，计数为0时发送FIN；
可能因SO_LINGER选项改变行为（详见第7章）。

4.8.2 shutdown()函数

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int shutdown(int sockfd, int howto);

howto参数 ：
- SHUT_RD：关闭读端；
- SHUT_WR：关闭写端（发送FIN）；
- SHUT_RDWR：全双工关闭。

优势：允许半关闭连接（如HTTP/1.1持久连接）。

4.9 并发服务器模型

4.9.1 多进程模型

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pid_t pid;
int connfd;
for (;;) {
    connfd = accept(listenfd, NULL, NULL);
    if ((pid = fork()) == 0) {  // 子进程
        close(listenfd);       // 关闭监听套接字
        // 处理客户端请求
        exit(0);
    }
    close(connfd);             // 父进程关闭连接套接字
}

4.9.2 多线程模型

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#include <pthread.h>
void *handle_client(void *arg) {
    int connfd = *((int *)arg);
    // 处理客户端请求
    close(connfd);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    int connfd;
    for (;;) {
        connfd = accept(listenfd, NULL, NULL);
        pthread_create(&tid, NULL, handle_client, (void *)&connfd);
    }
}

4.9.3 I/O复用模型

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// 使用select实现（详见第6章）
fd_set readset;
FD_ZERO(&readset);
FD_SET(listenfd, &readset);
select(listenfd + 1, &readset, NULL, NULL, NULL);
if (FD_ISSET(listenfd, &readset)) {
    connfd = accept(listenfd, NULL, NULL);
    // 处理连接
}

4.10 实战：完整Echo服务器与客户端

4.10.1 Echo服务器代码

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#include "unp.h"

void str_echo(int sockfd) {
    ssize_t n;
    char buf[MAXLINE];
again:
    while ((n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)
        writen(sockfd, buf, n);
    if (n < 0 && errno == EINTR)
        goto again;
    else if (n < 0)
        err_sys("str_echo: read error");
}

int main() {
    int listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // 绑定与监听（代码同前）
    for (;;) {
        int connfd = accept(listenfd, NULL, NULL);
        if (fork() == 0) {
            close(listenfd);
            str_echo(connfd);
            exit(0);
        }
        close(connfd);
    }
}

4.10.2 Echo客户端代码

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#include "unp.h"

void str_cli(FILE *fp, int sockfd) {
    char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];
    while (fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {
        writen(sockfd, sendline, strlen(sendline));
        if (readline(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0)
            err_quit("str_cli: server terminated prematurely");
        fputs(recvline, stdout);
    }
}

int main() {
    int sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // 连接服务器（代码同前）
    str_cli(stdin, sockfd);
    exit(0);
}

4.11 本章小结与习题

小结：本章系统讲解了TCP套接字编程的核心API与并发模型，通过Echo案例展示了完整开发流程。

习题：

实现支持多客户端的UDP Echo服务器，对比TCP/UDP编程差异；
修改Echo服务器为线程池模型，测试并发性能；
使用tcpdump抓取三次握手与四次挥手数据包，分析字段含义。

付费用户专属资源：

完整Echo工程（含Makefile与压力测试脚本）；
TCP状态转换图（矢量图）；
扩展阅读：《TCP协议栈内核实现剖析》。

4.11 本章小结与习题

小结：本章系统讲解了TCP套接字编程的核心API与并发模型，通过Echo案例展示了完整开发流程。

习题：

实现支持多客户端的UDP Echo服务器，对比TCP/UDP编程差异；
修改Echo服务器为线程池模型，测试并发性能；
使用tcpdump抓取三次握手与四次挥手数据包，分析字段含义。

付费用户专属资源：

完整Echo工程（含Makefile与压力测试脚本）；
TCP状态转换图（矢量图）；
扩展阅读：《TCP协议栈内核实现剖析》。

《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第4章 基本TCP套接字编程

《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第4章 基本TCP套接字编程

4.1 TCP套接字编程核心流程

4.2 套接字创建与协议选择

4.2.1 socket()函数详解

4.2.2 协议选择的工程实践

4.3 绑定地址与端口：bind()函数

4.3.1 bind()函数原型

4.3.2 通配地址与特定地址

4.4 监听与连接队列：listen()函数

4.4.1 listen()函数原型

4.4.2 连接队列溢出处理

4.5 接受连接：accept()函数

4.5.1 accept()函数原型

4.5.2 非阻塞accept与EAGAIN

4.6 发起连接：connect()函数

4.6.1 connect()函数原型

4.6.2 超时与错误处理

4.7 数据传输：read()与write()的局限性

4.8 连接终止：close()与shutdown()

4.8.1 close()函数

4.8.2 shutdown()函数

4.9 并发服务器模型

4.9.1 多进程模型

4.9.2 多线程模型

4.9.3 I/O复用模型

4.10 实战：完整Echo服务器与客户端

4.10.1 Echo服务器代码

4.10.2 Echo客户端代码

4.11 本章小结与习题

4.11 本章小结与习题

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