【Linux TCP Socket 实战】 从单客户端到多客户端回声服务器

前言

这是一篇基于实战笔记整理的 Linux 网络编程入门博客,全程围绕 TCP 回声服务器/客户端 展开,从核心流程到代码实现,从编译运行到坑点排查,再到多客户端拓展,所有内容均贴合原始笔记图片,通俗化讲解每一个关键知识点,帮你快速入门 Linux C 语言 Socket 编程。


1. TCP Socket 通信核心流程

首先,我们先明确 TCP 协议的核心特性:面向连接、可靠传输,简单说就是通信双方必须先"建立连接",才能传递数据,通信结束后还要"断开连接"。而实现这一过程的核心流程,笔记里已经清晰梳理,对应如下图片:

1.1 服务端(被动等待连接)

服务端是"被动接收连接"的一方,流程一步都不能少,总结为 6 步:

  1. socket():创建一个套接字(相当于通信的"管道")
  2. bind():给套接字绑定本机的 IP 地址和端口号(相当于给管道分配一个"门牌号")
  3. listen():开启监听,等待客户端连接(相当于站在门后等客人上门)
  4. accept():阻塞等待客户端连接,有连接到来则建立会话(相当于开门迎接客人)
  5. read()/write():与客户端进行数据交互(相当于和客人对话)
  6. close():关闭套接字,释放资源(相当于送走客人,关门清理)

1.2 客户端(主动发起连接)

客户端是"主动找服务端"的一方,流程相对简洁,总结为 5 步:

  1. socket():创建一个套接字(同样是通信"管道")
  2. connect():指定服务端的 IP 和端口,发起连接(相当于根据门牌号找服务端)
  3. read()/write():与服务端进行数据交互(相当于和服务端对话)
  4. close():关闭套接字,释放资源(相当于结束对话,离开)

小贴士:从图片里能看到,客户端没有 bind() 步骤,这是因为内核会自动给客户端分配一个临时端口和本机 IP,无需手动配置,简化了客户端的开发。


下面我们通俗化讲解每个函数,同时附上可直接使用的代码片段。

2.1 socket():创建套接字

函数作用:创建一个用于通信的套接字,返回一个文件描述符(Linux 里"一切皆文件",套接字也不例外,后续的读写操作都基于这个文件描述符)。

函数原型

c 复制代码
int socket(int domain, int type, int protocol);

核心参数

  1. domain:地址族,选 AF_INET(表示使用 IPv4 协议,日常开发最常用)
  2. type:套接字类型,选 SOCK_STREAM(表示使用 TCP 协议,字节流传输,可靠有序)
  3. protocol:协议编号,选 0(表示默认协议,对应上面的 SOCK_STREAM,就是 TCP 协议)

代码示例(含错误处理)

c 复制代码
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    // 创建 TCP 套接字
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock_fd == -1) {  // 返回 -1 表示创建失败
        perror("socket create failed");  // 打印错误信息
        exit(1);  // 退出程序
    }
    printf("套接字创建成功,文件描述符:%d\n", sock_fd);
    close(sock_fd);  // 关闭套接字
    return 0;
}

2.2 bind():绑定 IP 和端口

函数作用:给服务端的套接字绑定固定的 IP 地址和端口号,让客户端能找到它。

函数原型

c 复制代码
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

核心要点

  1. 第二个参数 addr 要求是 struct sockaddr 类型,但实际开发中我们常用 struct sockaddr_in(专门用于 IPv4 地址),需要强制类型转换(图片里重点标注了这一点,新手必踩坑)
  2. 端口号需要用 htons() 转换字节序(后续会详细讲解,记住"端口必须转"即可)
  3. IP 地址可以用 INADDR_ANY(表示绑定本机所有网卡地址,本地测试、服务器部署都常用),也可以用 inet_addr() 转换具体 IP(如 127.0.0.1

代码示例(含错误处理)

c 复制代码
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define PORT 8888  // 定义端口号

int main() {
    // 1. 创建套接字
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock_fd == -1) {
        perror("socket create failed");
        exit(1);
    }

    // 2. 初始化 sockaddr_in 结构体
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));  // 清空结构体
    server_addr.sin_family = AF_INET;  // 地址族:IPv4
    server_addr.sin_port = htons(PORT);  // 端口号:转换为网络字节序
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 绑定本机所有网卡地址

    // 3. 绑定 IP 和端口
    int ret = bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (ret == -1) {
        perror("bind failed");
        close(sock_fd);
        exit(1);
    }
    printf("IP 和端口绑定成功,端口:%d\n", PORT);

    close(sock_fd);
    return 0;
}

新手坑点 :如果直接写 server_addr.sin_port = PORT; 而不做 htons() 转换,大概率会绑定失败,图片里特意标注了这一点,一定要注意。

2.3 listen():开启监听

函数作用:让服务端的套接字进入"监听状态",等待客户端发起连接。

函数原型

c 复制代码
int listen(int sockfd, int backlog);

核心参数

  1. sockfd:已经绑定好的套接字文件描述符
  2. backlog:监听队列大小(如 5,表示同时能等待的连接请求数,超出的会被拒绝),仅作内核提示,不同系统有默认值,新手填 5 即可满足需求

代码示例

c 复制代码
// 接上面 bind() 成功后的代码
ret = listen(sock_fd, 5);
if (ret == -1) {
    perror("listen failed");
    close(sock_fd);
    exit(1);
}
printf("监听开启成功,等待客户端连接...\n");

2.4 accept():阻塞等待客户端连接

函数作用 :阻塞等待客户端的连接请求,有连接到来时,会创建一个新的套接字(用于和当前客户端交互),原套接字继续监听新的连接。

函数原型

c 复制代码
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

核心要点

  1. 阻塞函数:如果没有客户端连接,程序会一直停在这里,不会往下执行(图片里重点标注了"阻塞")
  2. 返回值:成功返回新的文件描述符(conn_fd),用于和当前客户端交互;失败返回 -1
  3. 后两个参数可以传 NULL,表示不获取客户端的 IP 和端口信息(新手简化开发可用)

代码示例

c 复制代码
// 接上面 listen() 成功后的代码
int conn_fd = accept(sock_fd, NULL, NULL);
if (conn_fd == -1) {
    perror("accept failed");
    close(sock_fd);
    exit(1);
}
printf("客户端连接成功,新套接字描述符:%d\n", conn_fd);

2.5 connect():客户端发起连接

函数作用:客户端指定服务端的 IP 和端口,发起 TCP 连接(三次握手)。

函数原型

c 复制代码
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

代码示例(客户端)

c 复制代码
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define PORT 8888
#define SERVER_IP "127.0.0.1"  // 服务端 IP(本地测试)

int main() {
    // 1. 创建套接字
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock_fd == -1) {
        perror("socket create failed");
        exit(1);
    }

    // 2. 初始化服务端地址结构体
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

    // 3. 发起连接
    int ret = connect(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (ret == -1) {
        perror("connect failed");
        close(sock_fd);
        exit(1);
    }
    printf("连接服务端成功!\n");

    close(sock_fd);
    return 0;
}

2.6 read()/write():数据交互

函数作用:通过套接字文件描述符,实现客户端和服务端之间的数据读写(发送和接收)。

函数原型

c 复制代码
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

核心要点

  1. fd:套接字文件描述符(服务端用 conn_fd,客户端用 sock_fd
  2. buf:数据缓冲区,用于存储读取/要发送的数据
  3. count:缓冲区大小
  4. 返回值:成功返回实际读写的字节数;返回 0 表示对方关闭了连接;返回 -1 表示读写错误
  5. 新手坑点:read() 读取的数据没有字符串结束符 '\0',需要手动添加,否则会出现乱码(图片里重点标注了这一点)

代码示例(服务端回显数据)

c 复制代码
// 接上面 accept() 成功后的代码
#define BUF_SIZE 1024
char buf[BUF_SIZE];

while (1) {
    // 读取客户端发送的数据
    ssize_t n = read(conn_fd, buf, BUF_SIZE - 1);  // 留 1 个字节给 '\0'
    if (n == -1) {
        perror("read failed");
        break;
    } else if (n == 0) {
        printf("客户端关闭连接\n");
        break;
    }

    // 手动添加字符串结束符,避免乱码
    buf[n] = '\0';
    printf("收到客户端数据:%s\n", buf);

    // 回显数据给客户端(把收到的数据原封不动发回去)
    write(conn_fd, buf, n);
}

close(conn_fd);
close(sock_fd);

2.7 close():关闭套接字

函数作用:关闭套接字文件描述符,释放系统资源。

函数原型

c 复制代码
int close(int fd);

核心要点

  1. 服务端需要关闭两个文件描述符:conn_fd(和客户端交互的套接字)、sock_fd(监听套接字)
  2. 客户端只需要关闭一个文件描述符:sock_fd

3. 完整代码实现(服务端 + 客户端)

结合上面的函数解析,笔记里给出了完整的服务端和客户端代码,对应如下图片:

3.1 服务端完整代码(server.c)

c 复制代码
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define PORT 8888
#define BUF_SIZE 1024

int main() {
    // 1. 创建 TCP 套接字
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock_fd == -1) {
        perror("socket create failed");
        exit(1);
    }

    // 优化:设置套接字地址复用,避免端口占用问题
    int opt = 1;
    setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    // 2. 初始化服务端地址结构体
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    // 3. 绑定 IP 和端口
    if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind failed");
        close(sock_fd);
        exit(1);
    }

    // 4. 开启监听
    if (listen(sock_fd, 5) == -1) {
        perror("listen failed");
        close(sock_fd);
        exit(1);
    }
    printf("服务端启动成功,监听端口 %d,等待客户端连接...\n", PORT);

    // 5. 阻塞等待客户端连接,处理数据交互
    while (1) {
        int conn_fd = accept(sock_fd, NULL, NULL);
        if (conn_fd == -1) {
            perror("accept failed");
            continue;
        }
        printf("客户端连接成功,开始数据交互...\n");

        char buf[BUF_SIZE];
        while (1) {
            // 读取客户端数据
            ssize_t n = read(conn_fd, buf, BUF_SIZE - 1);
            if (n == -1) {
                perror("read failed");
                break;
            } else if (n == 0) {
                printf("客户端关闭连接,等待新的客户端...\n");
                break;
            }

            // 手动添加结束符,避免乱码
            buf[n] = '\0';
            printf("收到客户端:%s\n", buf);

            // 回显数据给客户端
            write(conn_fd, buf, n);
        }

        // 关闭当前客户端套接字
        close(conn_fd);
    }

    // 6. 关闭监听套接字(实际运行中这里不会执行,因为上面是无限循环)
    close(sock_fd);
    return 0;
}

3.2 客户端完整代码(client.c)

c 复制代码
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define PORT 8888
#define BUF_SIZE 1024

int main(int argc, char *argv[]) {
    // 检查命令行参数(需要传入服务端 IP)
    if (argc != 2) {
        printf("使用方法:%s <服务端IP>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    char *server_ip = argv[1];

    // 1. 创建 TCP 套接字
    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock_fd == -1) {
        perror("socket create failed");
        exit(1);
    }

    // 2. 初始化服务端地址结构体
    struct sockaddr_in server_addr;
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    if (inet_addr(server_ip) == INADDR_NONE) {
        printf("无效的服务端 IP\n");
        close(sock_fd);
        exit(1);
    }
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip);

    // 3. 连接服务端
    if (connect(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("connect failed");
        close(sock_fd);
        exit(1);
    }
    printf("连接服务端 %s:%d 成功,开始发送数据(按 Ctrl+D 退出)\n", server_ip, PORT);

    // 4. 数据交互:从键盘读取输入,发送给服务端,接收回显
    char buf[BUF_SIZE];
    while (1) {
        printf("请输入要发送的数据:");
        ssize_t n = fgets(buf, BUF_SIZE, stdin);
        if (n == -1 || n == 0) {  // 读取到 EOF(Ctrl+D)
            printf("退出客户端\n");
            break;
        }

        // 发送数据给服务端(fgets 会读取换行符,一起发送)
        write(sock_fd, buf, n);

        // 接收服务端回显数据
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        n = read(sock_fd, buf, BUF_SIZE - 1);
        if (n == -1) {
            perror("read failed");
            break;
        } else if (n == 0) {
            printf("服务端关闭连接\n");
            break;
        }

        buf[n] = '\0';
        printf("收到服务端回显:%s\n", buf);
    }

    // 5. 关闭套接字
    close(sock_fd);
    return 0;
}

4. 编译与运行实战

代码写好后,需要在 Linux 环境下编译和运行,笔记里给出了详细的操作步骤和运行效果,对应如下图片:





4.1 编译命令(gcc 编译器)

Linux 下使用 gcc 编译器编译 C 代码,生成可执行文件,命令如下:

bash 复制代码
# 编译服务端代码,生成可执行文件 server
gcc server.c -o server

# 编译客户端代码,生成可执行文件 client
gcc client.c -o client

小贴士 :如果编译时报错"头文件未找到",说明缺少必要的开发库,可安装 libc6-dev 解决(Ubuntu/Debian 系统):

bash 复制代码
sudo apt-get install libc6-dev

4.2 运行步骤(必须先启服务端,再启客户端)

  1. 终端 1:启动服务端

    bash 复制代码
    ./server

    运行成功后,会输出:服务端启动成功,监听端口 8888,等待客户端连接...

  2. 终端 2:启动客户端

    本地测试时,服务端 IP 填 127.0.0.1(本机回环地址),命令如下:

    bash 复制代码
    ./client 127.0.0.1

    运行成功后,会输出:连接服务端 127.0.0.1:8888 成功,开始发送数据(按 Ctrl+D 退出)

4.3 运行效果(回声服务器)

  1. 客户端输入任意字符串,回车发送;
  2. 服务端会打印收到的客户端数据;
  3. 客户端会打印服务端回显的相同数据,实现"回声"效果;
  4. 客户端按 Ctrl+D 可关闭连接,服务端会提示"客户端关闭连接,等待新的客户端"。

5. 新手常见坑点排查

运行过程中很容易遇到各种问题,笔记里总结了最常见的 3 个坑点和解决方法,对应如下图片:





5.1 坑点 1:bind 失败,提示 Address already in use(地址/端口被占用)

问题现象 :编译成功后,启动服务端时,报错 bind failed: Address already in use

排查命令:查看 8888 端口的占用进程,二选一即可:

bash 复制代码
# 方法 1:netstat 命令(需要安装 net-tools)
netstat -anp | grep 8888

# 方法 2:lsof 命令(需要安装 lsof)
lsof -i:8888

解决方法

  1. 杀死占用进程 :找到进程 PID,用 kill -9 PID 强制杀死(示例:kill -9 12345);

  2. 设置套接字地址复用 :在服务端 socket()bind() 之间添加如下代码,避免端口释放后短时间无法复用(这是服务端必加的优化代码,已经包含在上面的完整代码中):

    c 复制代码
    int opt = 1;
    setsockopt(sock_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

5.2 坑点 2:connect 失败,提示 Connection refused(连接被拒绝)

问题现象 :客户端启动后,报错 connect failed: Connection refused

常见原因

  1. 服务端未启动(最常见);
  2. 服务端 IP 或端口填写错误;
  3. 防火墙拦截了 8888 端口;
  4. 服务端绑定了具体 IP(如 192.168.1.100),客户端用 127.0.0.1 连接失败。

排查步骤

  1. 确认服务端已启动,且终端 1 无报错;
  2. ping 服务端IP 测试网络连通性(本地测试用 ping 127.0.0.1);
  3. netstat -anp | grep 8888 确认服务端端口处于 LISTEN 状态。

5.3 坑点 3:数据读写乱码

问题现象:客户端和服务端能正常通信,但打印的数据有乱码(如"???""烫烫烫")。

问题原因read() 读取的数据是纯字节流,没有字符串结束符 '\0',而 printf() 打印字符串时,需要以 '\0' 结尾,否则会继续读取内存中的垃圾数据,导致乱码。

解决方法read() 成功后,按实际读取的字节数给缓冲区添加 '\0'(已经包含在上面的完整代码中):

c 复制代码
ssize_t n = read(conn_fd, buf, BUF_SIZE - 1);
if (n > 0) {
    buf[n] = '\0';  // 手动添加字符串结束符
}

6. 进阶拓展:单客户端 → 多客户端处理

上面的是单客户端版本

服务端一次只能处理一个客户端,其他客户端需要等待当前客户端关闭连接后才能接入,:



6.1 多客户端处理三大方案

方案 核心函数/接口 特点 适用场景
多进程(fork) fork() 实现简单,子进程独立,互不影响 客户端数量少的场景
多线程(pthread) pthread_create 轻量级,资源占用少,切换效率高 客户端数量中等
IO 多路复用 select/poll/epoll 单进程处理所有客户端,效率最高 高并发(万级客户端)

6.2 多进程方案核心实现(修改服务端代码)

核心逻辑 :服务端 accept() 成功后,调用 fork() 创建子进程,子进程处理当前客户端的 read/write 交互,父进程关闭当前客户端套接字,继续 accept() 等待新的客户端。

关键修改点

  1. fork() 创建子进程,返回值为 0 表示子进程,大于 0 表示父进程;
  2. 子进程关闭监听套接字 sock_fd,专注处理当前客户端;
  3. 父进程关闭客户端套接字 conn_fd,继续监听新连接;
  4. 忽略 SIGCHLD 信号,避免子进程退出后产生僵尸进程(占用系统资源)。

多进程服务端核心代码片段

c 复制代码
// 引入信号处理头文件
#include <signal.h>

int main() {
    // ... 前面的 socket()/bind()/listen() 代码不变 ...

    // 忽略 SIGCHLD 信号,内核自动回收子进程资源,避免僵尸进程
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

    printf("服务端启动成功,监听端口 %d,等待客户端连接...\n", PORT);

    while (1) {
        int conn_fd = accept(sock_fd, NULL, NULL);
        if (conn_fd == -1) {
            perror("accept failed");
            continue;
        }
        printf("有新客户端连接,创建子进程处理...\n");

        // fork() 创建子进程
        pid_t pid = fork();
        if (pid == -1) {
            perror("fork failed");
            close(conn_fd);
            continue;
        } else if (pid == 0) {
            // 子进程:关闭监听套接字,处理当前客户端交互
            close(sock_fd);

            char buf[BUF_SIZE];
            while (1) {
                ssize_t n = read(conn_fd, buf, BUF_SIZE - 1);
                if (n == -1) {
                    perror("read failed");
                    break;
                } else if (n == 0) {
                    printf("当前客户端关闭连接,子进程退出\n");
                    break;
                }

                buf[n] = '\0';
                printf("子进程收到数据:%s\n", buf);
                write(conn_fd, buf, n);
            }

            // 子进程关闭客户端套接字,退出
            close(conn_fd);
            exit(0);
        } else {
            // 父进程:关闭客户端套接字,继续等待新连接
            close(conn_fd);
        }
    }

    close(sock_fd);
    return 0;
}

运行效果:启动服务端后,可以同时启动多个客户端,每个客户端都能和服务端独立进行回声交互,互不影响。


7. 补充知识点:网络字节序与主机字节序

笔记里还补充了字节序的知识点,解决新手"为什么要加 htons()"的疑惑,对应如下图片:

7.1 什么是字节序?

字节序是指多字节数据在内存中的存储顺序,主要分为两种:

  1. 主机字节序 :不同 CPU 架构的存储顺序,x86 架构(大部分电脑、服务器)为小端序(低字节存低地址,高字节存高地址),ARM 架构可配置;
  2. 网络字节序 :TCP/IP 协议规定的统一存储顺序,为大端序(高字节存低地址,低字节存高地址)。

7.2 为什么需要转换?

因为不同主机的字节序可能不同,如果直接传输数据,会导致数据解析错误,所以 TCP/IP 协议规定:网络传输的数据必须使用网络字节序,因此需要将主机字节序转换为网络字节序,反之亦然。

7.3 常用转换函数

  1. 16 位数据(端口号常用):
    • htons():Host to Network Short(主机字节序 → 网络字节序)
    • ntohs():Network to Host Short(网络字节序 → 主机字节序)
  2. 32 位数据(IP 地址常用):
    • htonl():Host to Network Long(主机字节序 → 网络字节序)
    • ntohl():Network to Host Long(网络字节序 → 主机字节序)

小贴士inet_addr() 函数在转换 IP 地址时,内部已经做了 htonl() 转换,因此无需手动转换 IP 地址,只需要手动转换端口号即可。


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