C# TCP 服务端开发笔记（TcpListener/TcpClient）

张人玉2025-10-07 23:53

一、整体功能概述

该代码基于 C# Windows Forms 框架，实现了一个基础的 TCP 服务端程序，核心功能包括：

  • 启动 / 停止 TCP 服务

  • 监听并接收多个客户端连接

  • 接收客户端发送的数据并在界面显示

  • （注释中预留）与串口设备交互并转发数据给客户端的扩展能力

  • （注释中预留）将接收到的客户端数据原封不动返回给客户端的回声功能

二、核心技术点与类库依赖

1. 关键命名空间

命名空间 核心用途
System.Net 提供 IP 地址（IPAddress）、网络端点（IPEndPoint）等基础网络类
System.Net.Sockets 提供 TCP 通信核心类（TcpListener、TcpClient、NetworkStream）
System.Threading/System.Threading.Tasks 实现多线程与异步任务，避免 UI 线程阻塞
System.Windows.Forms 提供 Windows 图形界面控件（Form、Button、RichTextBox 等）
System.Text 提供字符串与字节数组的编码转换（Encoding.UTF8）

2. 核心组件说明

  • TcpListener：TCP 服务端监听组件，负责绑定 IP 和端口、监听客户端连接请求

  • TcpClient ：表示与客户端的连接会话，每个客户端对应一个TcpClient实例

  • NetworkStream ：基于TcpClient的数据流对象，用于实际的字节数据读写

  • CancellationTokenSource：用于控制异步任务的取消（如停止服务时终止监听和数据接收任务）

  • Invoke(Action)：Windows Forms 线程安全调用，用于在非 UI 线程中更新 UI 控件

三、代码结构拆解

1. 全局变量定义

复制代码 
// TCP服务端监听对象
TcpListener tcpListener = null;
// 任务取消令牌源（控制异步任务停止）
CancellationTokenSource cts = null;
  • 作用：在整个 Form 生命周期内维护服务端监听状态和任务取消控制，避免局部变量被回收导致功能异常

2. 构造函数

复制代码 
public Form1()
{
    InitializeComponent(); // 初始化Windows Forms控件（自动生成）
}
  • 说明：默认构造函数，仅负责加载 Form 界面控件，无自定义逻辑

3. 核心功能方法详解

（1）启动服务按钮点击事件（入口方法）
复制代码 
private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    try
    {
        // 根据按钮文本判断执行"启动"或"停止"逻辑
        if (button1.Text == "启动")
        {
            StartServer(); // 启动服务端
            AccepRequest(); // 开始接收客户端连接
        }
        else
        {
            StopServer(); // 停止服务端
        }
    }
    catch (Exception ex)
    {
        MessageBox.Show(ex.Message); // 捕获并显示异常信息
    }
}
  • 逻辑流程：通过按钮文本状态切换服务端启停，统一异常捕获避免程序崩溃
（2）启动服务端（StartServer）
复制代码 
private void StartServer()
{
    try
    {
        // 1. 解析服务端IP地址（需替换为实际本地IP）
        IPAddress ip = IPAddress.Parse("172.16.0.28");
        // 2. 定义服务端端口（建议选择1024以上非知名端口）
        int port = 9999;
        // 3. 创建TcpListener实例并绑定IP和端口
        tcpListener = new TcpListener(ip, port);
        // 4. 启动监听（底层执行Socket.Bind和Socket.Listen）
        tcpListener.Start();
        // 5. 更新按钮文本为"关闭"，提示服务已启动
        button1.Text = "关闭";
    }
    catch (Exception ex)
    {
        throw ex; // 抛出异常，由上层按钮事件捕获处理
    }
}

  • 关键注意点：

    • IP 地址需为本地网卡实际 IP（如192.168.1.100），127.0.0.1仅本地调试可用

    • 端口需确保未被其他程序占用（可通过netstat -ano命令查看端口占用）

    • 若需监听所有网卡，可使用IPAddress.Any（如new TcpListener(IPAddress.Any, 9999)）

（3）停止服务端（StopServer）
复制代码 
private void StopServer()
{
    // 1. 取消所有异步任务（通过令牌源通知任务停止）
    cts?.Cancel();
    // 2. 停止TcpListener监听，释放端口资源
    tcpListener.Stop();
    // 3. 还原按钮文本为"启动"，提示服务已停止
    button1.Text = "启动";
}
  • 资源释放逻辑：先终止任务再停止监听，避免任务在监听停止后仍尝试操作导致异常
（4）接收客户端连接（AccepRequest）
复制代码 
private void AccepRequest()
{
    // 1. 初始化任务取消令牌源
    cts = new CancellationTokenSource();
    // 2. 启动异步任务（避免阻塞UI线程）
    Task.Run(async () =>
    {
        // 循环监听客户端连接（直到任务被取消）
        while (!cts.IsCancellationRequested)
        {
            // 判断是否有客户端连接请求，无则跳过（非阻塞判断）
            if (!tcpListener.Pending()) continue;
            // 异步接收客户端连接（获取TcpClient实例）
            TcpClient tcpClient = await tcpListener.AcceptTcpClientAsync();
            // 为该客户端启动数据接收逻辑
            AccepData(tcpClient);
        }
    }, cts.Token); // 传入取消令牌，支持任务取消
}

  • 核心逻辑：

    • 用Task.Run开启后台任务，避免 UI 线程（如 Form）卡住

    • tcpListener.Pending()：非阻塞判断是否有连接请求，替代同步等待（AcceptTcpClient()）

    • 每个客户端连接对应一个TcpClient实例，通过AccepData单独处理数据交互

（5）接收客户端数据（AccepData）
复制代码 
private void AccepData(TcpClient tcpClient)
{
    // 启动异步任务处理该客户端的数据接收
    Task.Run(async () =>
    {
        // 循环接收数据（直到任务取消或客户端断开）
        while (!cts.IsCancellationRequested)
        {
            // 判断客户端是否连接且有可用数据，无则跳过
            if (!tcpClient.Connected || tcpClient.Available == 0) continue;
            
            // 1. 获取客户端数据流（基于TcpClient）
            NetworkStream stream = tcpClient.GetStream();
            // 2. 创建缓冲区（大小=客户端待接收数据量）
            byte[] buffer = new byte[tcpClient.Available];
            // 3. 异步读取数据（返回实际读取的字节数）
            int count = await stream.ReadAsync(buffer, 0, buffer.Length);
            // 4. 若读取字节数为0，说明客户端断开连接，跳过后续处理
            if (count == 0) continue;
            
            // 5. 线程安全更新UI（显示客户端IP、端口和数据）
            Invoke(new Action(() =>
            {
                // 将字节数组转换为UTF8字符串
                string data = Encoding.UTF8.GetString(buffer);
                // 获取客户端端点信息（IP:Port）
                string clientEndPoint = tcpClient.Client.RemoteEndPoint.ToString();
                // 在RichTextBox中追加数据
                richTextBox1.Text += $"{clientEndPoint},{data}" + Environment.NewLine;
            }));
            
            // 【扩展预留】与串口设备交互逻辑
            // - 发送数据到串口设备
            // - 接收串口设备响应
            // - 将响应转发给客户端
            
            // 【回声功能预留】将接收到的数据原封不动返回给客户端
            // stream.Write(buffer, 0, buffer.Length);
        }
    }, cts.Token);
}

  • 关键技术点：

    • 线程安全 UI 更新 ：Invoke(Action)确保在 UI 线程更新RichTextBox，避免跨线程操作异常

    • 数据读取逻辑：

      • tcpClient.Available：获取客户端待接收数据长度，避免缓冲区浪费

      • stream.ReadAsync：异步读取数据，不阻塞当前任务

      • 读取字节数count == 0：TCP 协议中表示客户端正常断开连接

    • 客户端标识 ：通过tcpClient.Client.RemoteEndPoint获取客户端 IP 和端口，便于区分多客户端

四、关键问题与优化建议

1. 现有代码潜在问题

  • 硬编码 IP ：IP 地址172.16.0.28硬编码，更换环境需修改代码，建议改为配置项或下拉选择

  • 无异常重试：服务启动失败（如端口占用）仅抛出异常，无重试机制

  • 客户端断开处理 ：未主动检测客户端断开（仅通过count == 0判断），长时间无数据时可能残留无效TcpClient实例

  • 缓冲区大小 ：依赖tcpClient.Available定义缓冲区，若数据量大可能导致内存占用过高，建议使用固定大小缓冲区（如 1024 字节）循环读取

  • 资源释放 ：未在Form关闭时释放TcpListener和CancellationTokenSource，可能导致资源泄漏

2. 优化方向

  1. IP 配置优化 ：添加TextBox让用户输入 IP 和端口，替代硬编码

  2. 异常处理增强：

    复制代码 
    // 启动服务时增加端口占用检测
try
{
    tcpListener.Start();
}
catch (SocketException ex) when (ex.ErrorCode == 10048)
{
    throw new Exception("端口已被占用，请更换端口后重试");
}

  3. 客户端管理 ：维护List<TcpClient>集合，跟踪所有连接的客户端，在服务停止时主动关闭所有客户端

  4. 固定缓冲区读取：

    复制代码 
    byte[] buffer = new byte[1024]; // 固定1024字节缓冲区
int totalCount = 0;
while (stream.DataAvailable)
{
    int count = await stream.ReadAsync(buffer, totalCount, buffer.Length - totalCount);
    totalCount += count;
    if (totalCount == buffer.Length)
    {
        // 缓冲区满，可扩展缓冲区或处理数据
        break;
    }
}

  5. Form 关闭资源释放：

    复制代码 
    private void Form1_FormClosing(object sender, FormClosingEventArgs e)
{
    // 停止服务并释放资源
    StopServer();
    cts?.Dispose();
    tcpListener?.Stop();
}

五、扩展场景说明

1. 串口设备交互（预留逻辑实现）

复制代码 
// 1. 假设已初始化SerialPort（需配置端口、波特率等）
SerialPort serialPort = new SerialPort("COM3", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
// 2. 发送数据到串口设备
serialPort.Write(buffer, 0, buffer.Length);
// 3. 接收串口设备响应（需处理串口数据接收事件）
byte[] responseBuffer = new byte[serialPort.BytesToRead];
serialPort.Read(responseBuffer, 0, responseBuffer.Length);
// 4. 将响应转发给客户端
NetworkStream stream = tcpClient.GetStream();
await stream.WriteAsync(responseBuffer, 0, responseBuffer.Length);

2. 多客户端并发处理

现有代码已通过Task.Run为每个客户端创建独立任务，支持多客户端并发连接，但需注意：

  • 若客户端数量极多（如数百个），需考虑任务数量控制，避免系统资源耗尽

  • 可使用线程池（ThreadPool.QueueUserWorkItem）替代Task.Run，更高效管理线程资源

六、调试与测试建议

  1. 本地调试 ：将服务端 IP 改为127.0.0.1，使用Telnet或 C# TCP 客户端测试（如TcpClient client = new TcpClient("127.0.0.1", 9999)）

  2. 局域网测试 ：确保服务端和客户端在同一局域网，客户端使用服务端实际 IP（如192.168.1.100）连接

  3. 端口检测 ：若启动失败，通过cmd执行netstat -ano | findstr "9999"查看端口占用进程，结束占用进程后重试

  4. 数据格式验证 ：若客户端发送非 UTF8 编码数据，需统一编码格式（如Encoding.Default或Encoding.ASCII）

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