TCP 客戶端服務端詳細程式碼

阿新 • • 發佈：2019-01-01

轉自:http://www.myexception.cn/program/1912019.html

TCP網路程式設計中connect()、listen()和accept()三者之間的關係

基於 TCP 的網路程式設計開發分為伺服器端和客戶端兩部分，常見的核心步驟和流程如下：

connect()函式

對於客戶端的 connect() 函式，該函式的功能為客戶端主動連線伺服器，建立連線是通過三次握手，而這個連線的過程是由核心完成，不是這個函式完成的，這個函式的作用僅僅是通知 Linux 核心，讓 Linux 核心自動完成 TCP 三次握手連線（三次握手詳情，請看《淺談 TCP 三次握手》），最後把連線的結果返回給這個函式的返回值（成功連線為0，失敗為-1）。

通常的情況，客戶端的 connect() 函式預設會一直阻塞，直到三次握手成功或超時失敗才返回（正常的情況，這個過程很快完成）。

listen()函式

對於伺服器，它是被動連線的。舉一個生活中的例子，通常的情況下，移動的客服（相當於伺服器）是等待著客戶（相當於客戶端）電話的到來。而這個過程，需要呼叫listen()函式。

#include<sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

listen() 函式的主要作用就是將套接字( sockfd )變成被動的連線監聽套接字（被動等待客戶端的連線），至於引數 backlog 的作用是設定核心中連線佇列的長度（這個長度有什麼用，後面做詳細的解釋）。

這裡需要注意的是，listen()函式不會阻塞，它主要做的事情為，將該套接字和套接字對應的連線佇列長度告訴 Linux 核心，然後，listen()函式就結束。

這樣的話，當有一個客戶端主動連線（connect()），Linux 核心就自動完成TCP 3次握手，將建立好的連結自動儲存到佇列中，如此重複。

所以，只要 TCP 伺服器呼叫了 listen()，客戶端就可以通過 connect() 和伺服器建立連線，而這個連線的過程是由核心完成。

下面為測試的伺服器和客戶端程式碼，執行程式時，要先執行伺服器，再執行客戶端：

伺服器：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>						
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>				
int main(int argc, char *argv[])
{
	unsigned short port = 8000;	

	int sockfd;
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 建立通訊端點：套接字
	if(sockfd < 0)
	{
		perror("socket");
		exit(-1);
	}
	
	struct sockaddr_in my_addr;
	bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));	     
	my_addr.sin_family = AF_INET;
	my_addr.sin_port   = htons(port);
	my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	
	int err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr));
	if( err_log != 0)
	{
		perror("binding");
		close(sockfd);		
		exit(-1);
	}
	
	err_log = listen(sockfd, 10);
	if(err_log != 0)
	{
		perror("listen");
		close(sockfd);		
		exit(-1);
	}	
	
	printf("listen client @port=%d...\n",port);
	
	sleep(10);	// 延時10s

	system("netstat -an | grep 8000");	// 檢視連線狀態
	
	return 0;
}

客戶端：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
	unsigned short port = 8000;        		// 伺服器的埠號
	char *server_ip = "10.221.20.12";    	// 伺服器ip地址

	int sockfd;
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 建立通訊端點：套接字
	if(sockfd < 0)
	{
		perror("socket");
		exit(-1);
	}
	
	struct sockaddr_in server_addr;
	bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化伺服器地址
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_port = htons(port);
	inet_pton(AF_INET, server_ip, &server_addr.sin_addr);
	
	int err_log = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));      // 主動連線伺服器
	if(err_log != 0)
	{
		perror("connect");
		close(sockfd);
		exit(-1);
	}
	
	system("netstat -an | grep 8000");	// 檢視連線狀態
	
	while(1);

	return 0;
}

執行程式時，要先執行伺服器，再執行客戶端，執行結果如下：

三次握手的連線佇列

這裡詳細的介紹一下 listen() 函式的第二個引數（ backlog）的作用：告訴核心連線佇列的長度。

為了更好的理解 backlog 引數，我們必須認識到核心為任何一個給定的監聽套介面維護兩個佇列：

1、未完成連線佇列（incomplete connection queue），每個這樣的 SYN 分節對應其中一項：已由某個客戶發出併到達伺服器，而伺服器正在等待完成相應的 TCP三次握手過程。這些套介面處於 SYN_RCVD 狀態。

2、已完成連線佇列（completed connection queue），每個已完成 TCP 三次握手過程的客戶對應其中一項。這些套介面處於 ESTABLISHED 狀態。

當來自客戶的 SYN 到達時，TCP 在未完成連線佇列中建立一個新項，然後響應以三次握手的第二個分節：伺服器的 SYN 響應，其中稍帶對客戶 SYN 的 ACK（即SYN+ACK），這一項一直保留在未完成連線佇列中，直到三次握手的第三個分節（客戶對伺服器 SYN 的 ACK ）到達或者該項超時為止（曾經源自Berkeley的實現為這些未完成連線的項設定的超時值為75秒）。

如果三次握手正常完成，該項就從未完成連線佇列移到已完成連線佇列的隊尾。

backlog 引數歷史上被定義為上面兩個佇列的大小之和，大多數實現預設值為 5，當伺服器把這個完成連線佇列的某個連線取走後，這個佇列的位置又空出一個，這樣來回實現動態平衡，但在高併發 web 伺服器中此值顯然不夠。

accept()函式

accept()函式功能是，從處於 established 狀態的連線佇列頭部取出一個已經完成的連線，如果這個佇列沒有已經完成的連線，accept()函式就會阻塞，直到取出佇列中已完成的使用者連線為止。

如果，伺服器不能及時呼叫 accept() 取走佇列中已完成的連線，佇列滿掉後會怎樣呢？UNP（《unix網路程式設計》）告訴我們，伺服器的連線佇列滿掉後，伺服器不會對再對建立新連線的syn進行應答，所以客戶端的 connect 就會返回 ETIMEDOUT。但實際上Linux的並不是這樣的！

下面為測試程式碼，伺服器 listen() 函式只指定佇列長度為 2，客戶端有 6 個不同的套接字主動連線伺服器，同時，保證客戶端的 6 個 connect()函式都先呼叫完畢，伺服器的 accpet() 才開始呼叫。

伺服器：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>						
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>	
			
int main(int argc, char *argv[])
{
	unsigned short port = 8000;			
	
	int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   
	if(sockfd < 0)
	{
		perror("socket");
		exit(-1);
	}
	
	struct sockaddr_in my_addr;
	bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));	     
	my_addr.sin_family = AF_INET;
	my_addr.sin_port   = htons(port);
	my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
	
	int err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr));
	if( err_log != 0)
	{
		perror("binding");
		close(sockfd);		
		exit(-1);
	}
	
	err_log = listen(sockfd, 2);	// 等待佇列為2
	if(err_log != 0)
	{
		perror("listen");
		close(sockfd);		
		exit(-1);
	}	
	printf("after listen\n");
	
	sleep(20);	//延時 20秒
	
	printf("listen client @port=%d...\n",port);

	int i = 0;
	
	while(1)
	{	
	
		struct sockaddr_in client_addr;		   
		char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = "";	   
		socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr);    
		
		int connfd;
		connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);       
		if(connfd < 0)
		{
			perror("accept");
			continue;
		}

		inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);
		printf("-----------%d------\n", ++i);
		printf("client ip=%s,port=%d\n", cli_ip,ntohs(client_addr.sin_port));
		
		char recv_buf[512] = {0};
		while( recv(connfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0) > 0 )
		{
			printf("recv data ==%s\n",recv_buf);
			break;
		}
		
		close(connfd);     //關閉已連線套接字
		//printf("client closed!\n");
	}
	close(sockfd);         //關閉監聽套接字
	return 0;
}

客戶端：

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

void test_connect()
{
	unsigned short port = 8000;        		// 伺服器的埠號
	char *server_ip = "10.221.20.12";    	// 伺服器ip地址
	
	int sockfd;
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 建立通訊端點：套接字
	if(sockfd < 0)
	{
		perror("socket");
		exit(-1);
	}
	
	struct sockaddr_in server_addr;
	bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化伺服器地址
	server_addr.sin_family = AF_INET;
	server_addr.sin_port = htons(port);
	inet_pton(AF_INET, server_ip, &server_addr.sin_addr);
	
	int err_log = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));      // 主動連線伺服器
	if(err_log != 0)
	{
		perror("connect");
		close(sockfd);
		exit(-1);
	}
	
	printf("err_log ========= %d\n", err_log);
	
	char send_buf[100]="this is for test";
	send(sockfd, send_buf, strlen(send_buf), 0);   // 向伺服器傳送資訊
	//close(sockfd);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	pid_t pid;
	pid = fork();
	
	if(0 == pid){

		test_connect();		// 1
		
		pid_t pid = fork();
		if(0 == pid){
			test_connect();	// 2
		
		}else if(pid > 0){
			test_connect();	// 3
		}
		
	}else if(pid > 0){
		
		test_connect();	// 4
		
		pid_t pid = fork();
		if(0 == pid){
			test_connect();	// 5
		
		}else if(pid > 0){
			test_connect();	// 6
		}
	
	}

	while(1);
	
	return 0;
}

同樣是先執行伺服器，在執行客戶端，伺服器 accept()函式前延時了 20 秒，保證了客戶端的 connect() 全部呼叫完畢後再呼叫 accept(),執行結果如下：

按照 UNP 的說法，連線佇列滿後（這裡設定長度為 2，發了 6 個連線），以後再呼叫 connect() 應該統統超時失敗，但實際上測試結果是：有的 connect()立刻成功返回了，有的經過明顯延遲後成功返回了。對於伺服器 accpet() 函式也是這樣的結果：有的立馬成功返回，有的延遲後成功返回。

對於上面伺服器的程式碼，我們把lisen()的第二個引數改為大於 6 的數(如 10)，重新執行程式，發現，客戶端 connect() 立馬返回成功，伺服器 accpet() 函式也立馬返回成功。

TCP 的連線佇列滿後，Linux 不會如書中所說的全部拒絕連線，有些會延時連線，有些會連線不上（當佇列的長度指定為 0 ），寫程式時伺服器的 listen() 的第二個引數最好還是根據需要填寫，寫太大不好（具體可以看cat /proc/sys/net/core/somaxconn，預設最大值限制是 128），浪費資源，寫太小也不好，延時建立連線（也有可能連線不上）。

TCP 客戶端服務端詳細程式碼

connect()函式

listen()函式

三次握手的連線佇列

accept()函式

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listen()函式

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