【Linux】Socket编程TCP

好评1242026-08-24 17:06

本文主题内容

  • 理解 TCP Socket 的客户端与服务器流程
  • 掌握 listen、accept 和 connect
  • 区分监听 Socket 与已连接 Socket
  • 实现 TCP 回显服务器和客户端
  • 理解短读、短写与连接关闭
  • 对比单进程、多进程和多线程服务器
  • 掌握 TCP Socket 常见错误处理

引言：TCP 是面向连接的字节流协议。服务器不仅要创建和绑定 Socket，还要进入监听状态，再为每个客户端建立独立的已连接 Socket。理解这两个文件描述符的职责，是写对 TCP 服务器的第一步。

一、TCP Socket 通信流程

1.1 服务器流程

TCP 服务器通常执行：

  1. socket：创建监听 Socket
  2. bind：绑定本地 IP 和端口
  3. listen：把 Socket 设置为监听状态
  4. accept：从已完成连接队列中取出一个连接
  5. read/recv 与 write/send：通过已连接 Socket 通信
  6. close：关闭连接

1.2 客户端流程

客户端通常执行：

  1. socket：创建 Socket
  2. 准备服务器地址
  3. connect：主动发起连接
  4. 进行读写
  5. close：关闭连接

connect 成功返回时，TCP 三次握手已经完成，Socket 可以进行双向读写。

二、TCP 核心接口

2.1 listen

c 复制代码 
#include <sys/socket.h>

int listen(int sockfd, int backlog);

listen 把已绑定的流式 Socket 转换为监听 Socket。backlog 与内核连接队列容量有关，但不是简单等同于服务器最多能连接多少客户端，实际行为还受操作系统参数影响。

2.2 accept

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

accept 返回一个新的文件描述符，用于和本次接入的客户端通信。原监听 Socket 继续监听后续连接。

监听 Socket 负责获取新连接，accept 返回的已连接 Socket 负责和某个客户端收发数据。

例：

c 复制代码 
struct sockaddr_in peer;
socklen_t len = sizeof(peer);
int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&peer, &len);
if (connfd < 0)
{
    perror("accept");
}

addrlen 同样是传入传出参数，调用前必须初始化。

2.3 connect

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

客户端调用 connect 时，内核会选择本地 IP 和临时端口，向服务器发起连接。阻塞模式下，连接成功或失败后接口才返回。

三、TCP 回显服务器

例：

cpp 复制代码 
#include <arpa/inet.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>

bool SendAll(int fd, const char *data, size_t size)
{
    size_t offset = 0;
    while (offset < size)
    {
        ssize_t n = send(fd, data + offset, size - offset, 0);
        if (n > 0)
        {
            offset += static_cast<size_t>(n);
            continue;
        }
        if (n < 0 && errno == EINTR)
        {
            continue;
        }
        return false;
    }
    return true;
}

void Service(int connfd)
{
    char buffer[4096];
    for (;;)
    {
        ssize_t n = recv(connfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
        if (n > 0)
        {
            if (!SendAll(connfd, buffer, static_cast<size_t>(n)))
            {
                break;
            }
        }
        else if (n == 0)
        {
            std::cout << "peer closed\n";
            break;
        }
        else
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            std::cerr << "recv: " << std::strerror(errno) << '\n';
            break;
        }
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " port\n";
        return 1;
    }

    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listenfd < 0)
    {
        return 2;
    }

    int reuse = 1;
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse));

    sockaddr_in local{};
    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_port = htons(static_cast<uint16_t>(std::stoi(argv[1])));
    local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    if (bind(listenfd, reinterpret_cast<sockaddr *>(&local), sizeof(local)) < 0)
    {
        std::cerr << "bind: " << std::strerror(errno) << '\n';
        close(listenfd);
        return 3;
    }

    if (listen(listenfd, 128) < 0)
    {
        close(listenfd);
        return 4;
    }

    for (;;)
    {
        sockaddr_in peer{};
        socklen_t len = sizeof(peer);
        int connfd = accept(listenfd, reinterpret_cast<sockaddr *>(&peer), &len);
        if (connfd < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            std::cerr << "accept: " << std::strerror(errno) << '\n';
            continue;
        }

        Service(connfd);
        close(connfd);
    }
}

这个版本一次只处理一个客户端，适合理解接口，不适合高并发场景。

四、TCP 客户端

例：

cpp 复制代码 
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        return 1;
    }

    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        return 2;
    }

    sockaddr_in server{};
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(static_cast<uint16_t>(std::stoi(argv[2])));
    if (inet_pton(AF_INET, argv[1], &server.sin_addr) != 1)
    {
        close(sockfd);
        return 3;
    }

    if (connect(sockfd, reinterpret_cast<sockaddr *>(&server), sizeof(server)) < 0)
    {
        close(sockfd);
        return 4;
    }

    std::string line;
    while (std::getline(std::cin, line))
    {
        line.push_back('\n');
        send(sockfd, line.data(), line.size(), 0);

        char buffer[4096];
        ssize_t n = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
        if (n <= 0)
        {
            break;
        }
        buffer[n] = '\0';
        std::cout << buffer;
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

实际协议不能假设一次 send 对应一次 recv。这里使用换行只为了演示，生产代码必须明确消息边界。

五、字节流与短读短写

5.1 TCP 没有消息边界

TCP 只提供连续、有序的字节流：

  • 一次发送可能被拆成多次接收
  • 多次发送也可能被一次接收读到
  • recv 返回的是当前可用字节数，不代表一条业务消息结束

因此应用层必须设计协议，例如：

  • 固定长度
  • 特殊分隔符
  • 长度字段加正文
  • 自描述格式

5.2 send 不保证一次写完

阻塞 Socket 的 send 也可能只接受部分数据。发送完整缓冲区需要循环处理返回值，不能简单认为返回正数就全部成功。

5.3 recv 返回 0

recv 返回 0 表示对端已经有序关闭发送方向。此时应停止读取并释放连接资源。

注意：把 recv 返回 0 当作暂时没有数据，会导致服务器反复处理一个已经关闭的连接。

六、并发服务器

6.1 多进程

父进程负责 accept，每个连接交给子进程：

  • 父进程关闭子进程使用的 connfd
  • 子进程关闭继承的 listenfd
  • 父进程需要回收子进程，防止僵尸进程

多进程隔离性好，但创建和切换成本较高。

6.2 多线程

每个连接创建一个线程：

  • 线程参数必须拥有稳定生命周期
  • 工作线程结束后关闭自己的 connfd
  • 线程必须 join 或 detach
  • 多线程共享全局状态时需要同步

连接数量很大时，一连接一线程会消耗大量栈和调度资源，通常会进一步使用线程池或 IO 多路复用。

6.3 任务与通信分离

更可扩展的结构是：

text 复制代码 
监听线程 -> 接收连接 -> 投递任务 -> 工作线程处理

但不能把同一个连接无序交给多个工作线程，否则可能破坏请求顺序和连接状态。任务边界、连接所有权和关闭协议必须明确。

七、连接关闭与异常

7.1 close 与 shutdown

close 释放文件描述符引用。shutdown 可以只关闭读方向或写方向：

c 复制代码 
int shutdown(int sockfd, int how);
  • SHUT_RD：关闭读方向
  • SHUT_WR：关闭写方向，并发送 FIN
  • SHUT_RDWR：关闭两个方向

半关闭适合发送完请求后通知对方不会再发送，但仍继续读取响应。

7.2 SIGPIPE

向已经关闭的连接写数据可能触发 SIGPIPE，默认动作是终止进程。服务器通常需要忽略该信号，或使用 MSG_NOSIGNAL，并通过返回值处理 EPIPE。

7.3 SO_REUSEADDR

服务器重启时可能遇到地址仍在使用。SO_REUSEADDR 可以改善常见的重启绑定问题，但它不会消除 TCP 状态机，也不能让多个普通监听 Socket 随意绑定同一地址。

八、常见问题

  • 忘记调用 listen
  • 把 accept 返回值当成监听 Socket
  • 处理完连接后忘记关闭 connfd
  • 没有循环处理短写
  • 把一次 recv 当作一条完整请求
  • 参数对象已经销毁，工作线程仍在访问
  • 服务器在回调中执行长时间任务，阻塞后续连接
  • 把未经认证的网络输入直接交给 shell 执行

最后一项尤其危险。远程命令服务必须设计认证、授权、命令白名单、审计和隔离，不能把任意字符串直接传给 popen 或 system。

九、总结

TCP 服务器通过监听 Socket 接收新连接，通过 accept 返回的已连接 Socket 与单个客户端通信。客户端使用 connect 主动建立连接，随后双方都可以使用普通读写接口传输字节流。

TCP 提供可靠有序的字节流，但不提供应用消息边界。程序必须正确处理短读、短写、对端关闭、SIGPIPE 和资源回收。并发模型可以从单进程逐步扩展到多进程、多线程、线程池和 IO 多路复用。

写对 TCP 服务器的关键，不是把接口按顺序调用一次，而是管理好监听描述符、连接描述符、字节流边界和每条连接的完整生命周期。

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