TCP 5（socket编程）

TCP的socket编程

TCP Socket 编程是网络通信的核心技术，它让不同计算机上的程序能够通过网络进行可靠的、面向连接的数据交换。

Socket 是什么？

Socket（套接字）是操作系统提供的一套网络编程接口（API），它封装了底层复杂的TCP/IP协议细节。一个Socket由 IP地址 和 端口号 唯一确定，就像一部电话需要"电话号码（IP地址）"和"分机号（端口号）"才能接通。

TCP Socket 通信模型

TCP通信遵循经典的客户端-服务器（C/S）模型。整个过程就像打电话：服务器先"开机"等待，客户端再"拨号"连接，接通后双方才能"通话"。

服务器端流程 (被动方)

服务器端负责监听并响应客户端的连接请求，其标准步骤如下：

1. socket(): 创建一个套接字。这相当于准备一部电话机。
2. bind(): 将套接字绑定到指定的IP地址和端口号上。这相当于给电话机分配一个固定的号码，以便客户端能找到它。
3. listen(): 将套接字设置为监听模式，开始等待连接请求。这相当于让电话机进入待机状态，等待来电。
4. accept(): 阻塞等待，当有客户端连接时，接受该连接。这个函数会返回一个全新的套接字，专门用于和这个客户端通信。原来的监听套接字则继续等待其他客户端的连接。
5. send() / recv(): 使用新的套接字与客户端进行数据的发送和接收。
6. close(): 通信结束后，关闭连接，释放资源。

代码示例：

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

int main()
{
	//创建套接字（打开文件，文件描述符）套接字可以通过网络收发数据
	int sockfd =socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if(sockfd==-1)
	{
		exit(1);
	}
	struct sockaddr_in  saddr,caddr;
	memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
	saddr.sin_family=AF_INET;
	saddr.sin_port=htons(8090);//临时端口
	saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.101.134");
	int res =bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));//绑定,制定应用程序使用的ip端口
	
	if(res==-1)
	{
		printf("bind err\n");
	}
	res=listen(sockfd,5);
	if(res==-1)
	{
		exit(1);
	}
	
	while(1)
	{
		int len = sizeof(caddr);//accept 接收连接，没人连接，则阻塞
		int c=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
		if(c<0)
		{
			break;
		}
		printf("accept c=%d\n",c);
		char buff[128]={0};
		int n=recv(c,buff,127,0);//接收连接，会阻塞
		printf("recv:&s\n",buff);
		send(c,"ok",2,0);//发送数据
		close(c);
	}
}

客户端流程 (主动方)

客户端主动向服务器发起连接，流程相对简单：

1. socket(): 创建一个套接字。
2. connect(): 向服务器的IP地址和端口号发起连接请求。这一步会触发TCP的"三次握手"过程，与服务器建立连接。
3. send() / recv(): 连接成功后，即可与服务器进行数据交换。
4. close(): 通信结束后，关闭连接shi

代码示例：

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

int main()
{
	//创建套接字
	int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	if( sockfd == -1)
	{
		exit( 1 );
	}

	struct sockaddr_in saddr;//指定服务器的ip和端口
	memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
	saddr.sin_family = AF_INET;
	saddr.sin_port = htons(8090);//htons转为网络字节序列
	saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.101");
	int res = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
	if( res == -1)
	{
		printf("connect err\n");
		exit(1);
	}
	char buff[128] = {0};
	printf("intput:\n");
	fgets(buff,128,stdin);

	send(sockfd,buff,strlen(buff)-1,0);//write
	
	memset(buff,0,sizeof(buff));
	recv(sockfd,buff,127,0);
	printf("buff=%s\n",buff);
	
	close(sockfd);
	
	exit(0);


}

TCP Socket编程中几个最核心的函数

函数	作用	调用方
socket()	创建套接字，返回一个文件描述符	客户端 & 服务器
bind()	将套接字与IP和端口绑定	通常是服务器
listen()	开启监听，准备接受连接	服务器
accept()	接受一个客户端连接，返回新套接字	服务器
connect()	主动与服务器建立连接	客户端
send() / recv()	发送和接收数据	客户端 & 服务器
close()	关闭套接字	客户端 & 服务器

listen 函数中的 backlog 参数：用于指定等待被应用程序处理的已完成连接队列的最大长度。

简单来说，当客户端发起 TCP 连接请求并成功完成三次握手后，这个已建立的连接并不会立刻被应用程序处理，而是先进入内核维护的一个队列中排队。backlog 参数就是用来设定这个队列的容量上限。

listen 函数中的 backlog 参数的工作机制

1. 连接排队：服务器调用 listen 后，会创建一个"已完成连接队列"。当客户端连接完成三次握手，连接就进入这个队列，等待服务器调用 accept 函数将其取出并进行后续的业务处理。
2. 队列已满：如果新的连接请求不断到来，而服务器处理连接的速度（accept 的速度）跟不上，队列就会逐渐被填满。一旦队列中的连接数达到 backlog 设定的值，内核就会开始拒绝新的连接请求。
3. 拒绝表现：对于被拒绝的连接，客户端通常会收到一个 "Connection refused" 错误，或者因为连接请求（SYN包）被忽略而最终导致连接超时。

accept 发生在三次握手的哪一步

accept 函数并不直接参与 TCP 三次握手的任何一个步骤，它是在三次握手完全成功之后，由服务器端应用程序调用的。

简单来说，三次握手是操作系统内核自动完成的，而 accept 是应用层程序从内核那里"领取"已经建立好的连接。

核心机制：两个连接队列

为了理解 accept 的作用，我们需要了解内核为每个监听套接字维护的两个队列：

1. 半连接队列 (SYN Queue)

   • 用于存放尚未完成三次握手的连接。
   • 当服务器收到客户端的第一个 SYN 包后，会将这个连接请求放入半连接队列，并回复 SYN+ACK。此时连接处于 SYN_RECV 状态。

2. 全连接队列 (Accept Queue)

   • 用于存放已经完成三次握手的连接。
   • 当服务器收到客户端的最后一个 ACK 包，标志着三次握手成功。此时，内核会将该连接从"半连接队列"移动到"全连接队列"，连接状态变为 ESTABLISHED。

accept 的工作时机

accept 函数的作用就是从全连接队列中取出一个已经建立好的连接。

• 如果全连接队列不为空，accept 会立即取出队首的连接，并返回一个新的套接字（socket）文件描述符，应用程序后续就使用这个新的套接字与客户端进行通信。
• 如果全连接队列为空，accept 调用会阻塞，直到有新的连接完成三次握手并被放入队列中。

因此，accept 发生在三次握手流程之外，是应用程序处理已建立连接的步骤。

即使服务器端不调用 accept() 方法，TCP 连接依然可以建立，三次握手也会照常完成。

这是因为 accept() 并不参与 TCP 的三次握手过程。

accept() 在流程中的位置：

步骤	动作	执行者	状态/结果
1	客户端发送 SYN	客户端内核	请求连接
2	服务端回复 SYN+ACK	服务端内核	同意连接，放入半连接队列
3	客户端发送 ACK	客户端内核	三次握手完成
4	连接移入全连接队列	服务端内核	连接已建立 (ESTABLISHED)
5	调用 accept()	应用程序	从队列取出连接 (此时才发生)

虽然连接能建立，但如果不调用 accept()，会产生以下后果：

1. 连接堆积 ：已建立的连接会一直停留在内核的全连接队列中，等待应用程序来取。
2. 队列满后拒绝服务 ：全连接队列的大小是有限的（受限于 backlog 参数和系统配置 net.core.somaxconn）。一旦队列被填满，内核就会丢弃新的连接请求（或者发送 RST 包重置连接），导致新的客户端无法连接。
3. 数据缓冲 ：有趣的是，在 accept() 被调用之前，如果客户端发送了数据，内核通常会将这些数据缓冲在接收缓冲区中。一旦应用程序随后调用了 accept()，依然可以读到之前发送的数据。

accept() 只是为了让应用程序"认领"连接，连接本身的建立是内核在后台默默完成的。