Linux TCP 编程详解与实例

一、引言

在网络编程的领域中，TCP（Transmission Control Protocol）协议因其可靠的数据传输特性而被广泛应用。在 Linux 环境下，使用 C 或 C++ 进行 TCP 编程可以实现各种强大的网络应用。本文将深入探讨 Linux TCP 编程的各个方面，包括 API 接口的详细说明、TCP Server 和 TCP Client 的实例代码，以及完整的测试流程。

二、TCP 编程的 API 接口说明

（一）socket() 函数

int socket(int domain, int type, int protocol);

• 功能：创建一个套接字。
• 参数：
  • domain：指定协议族，常见的有 AF_INET（IPv4 网络协议）和 AF_INET6（IPv6 网络协议）。
  • type：套接字类型，对于 TCP 通常使用 SOCK_STREAM。
  • protocol：指定使用的具体协议，通常设置为 0 以使用默认的 TCP 协议。
• 返回值：成功时返回一个非负的套接字描述符，失败时返回 -1。

（二）bind() 函数

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 功能：将套接字与本地地址和端口绑定。
• 参数：
  • sockfd：由 socket() 函数返回的套接字描述符。
  • addr：指向包含地址和端口信息的结构体，如 struct sockaddr_in（IPv4）或 struct sockaddr_in6（IPv6）。
  • addrlen：addr 结构体的长度。
• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

（三）listen() 函数

int listen(int sockfd, int backlog);

• 功能：将套接字设置为监听状态，准备接受客户端的连接请求。
• 参数：
  • sockfd：已绑定的套接字描述符。
  • backlog：指定等待连接队列的最大长度。
• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

（四）accept() 函数

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• 功能：从已完成连接队列中取出一个连接，并创建一个新的套接字与客户端进行通信。
• 参数：
  • sockfd：监听套接字描述符。
  • addr：用于存储客户端的地址信息。
  • addrlen：用于指定 addr 结构体的长度。
• 返回值：成功返回一个新的套接字描述符用于与客户端通信，失败返回 -1。

（五）connect() 函数（客户端使用）

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• 功能：客户端向服务器发起连接请求。
• 参数：
  • sockfd：套接字描述符。
  • addr：指向服务器的地址结构体。
  • addrlen：addr 结构体的长度。
• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

（六）send() 和 recv() 函数

send() 函数

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

• 功能：用于发送数据。
• 参数：
  • sockfd：套接字描述符。
  • buf：指向要发送数据的缓冲区。
  • len：要发送的数据长度。
  • flags：控制选项，通常设置为 0。
• 返回值：成功返回实际发送的字节数，失败返回 -1。

recv() 函数

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

• 功能：用于接收数据。
• 参数：
  • sockfd：套接字描述符。
  • buf：用于存储接收数据的缓冲区。
  • len：缓冲区的长度。
  • flags：控制选项，通常设置为 0。
• 返回值：成功返回实际接收的字节数，失败返回 -1。

（七）close() 函数

int close(int fd);

• 功能：关闭套接字。
• 参数：要关闭的套接字描述符。

三、TCP Server 实例代码（支持多线程和回显）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <pthread.h>#define MAX_CONNECTIONS 10  // 最大连接数量pthread_mutex_t connectionCountMutex;
int connectionCount = 0;  // 记录当前连接数void *handle_client(void *arg) {int client_fd = *((int *)arg);char buffer[1024];int bytes_read;while ((bytes_read = recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0)) > 0) {// 回显接收到的数据send(client_fd, buffer, bytes_read, 0);}// 处理客户端断开连接pthread_mutex_lock(&connectionCountMutex);connectionCount--;printf("Client disconnected. Current connections: %d\n", connectionCount);pthread_mutex_unlock(&connectionCountMutex);close(client_fd);pthread_exit(NULL);
}int main() {int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in address;int addrlen = sizeof(address);int port = 8080;  // 服务器监听的端口// 创建套接字if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("Socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 初始化地址结构体address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(port);// 绑定套接字到本地地址和端口if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {perror("Bind failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 开始监听if (listen(server_fd, MAX_CONNECTIONS) < 0) {perror("Listen failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Server is listening on port %d...\n", port);pthread_mutex_init(&connectionCountMutex, NULL);while (1) {// 接受客户端连接if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen)) < 0) {perror("Accept failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("New connection accepted. Current connections: %d\n", ++connectionCount);// 检查连接数是否达到上限if (connectionCount > MAX_CONNECTIONS) {printf("Reached maximum connections. Closing new connection.\n");close(new_socket);connectionCount--;continue;}pthread_t thread;if (pthread_create(&thread, NULL, handle_client, &new_socket)!= 0) {perror("Thread creation failed");close(new_socket);connectionCount--;continue;}// 分离线程，使其资源在结束时自动回收pthread_detach(thread);}// 清理pthread_mutex_destroy(&connectionCountMutex);// 关闭服务器套接字close(server_fd);return 0;
}

四、TCP Client 实例代码

#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[]) {if (argc!= 3) {printf("Usage: %s <server_ip> <port>\n", argv[0]);return 1;}int sock = 0;struct sockaddr_in serv_addr;char buffer[1024] = {0};int port = atoi(argv[2]);  // 将命令行参数转换为端口号char *server_ip = argv[1];  // 服务器 IP 地址// 创建套接字if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {printf("\n Socket creation error \n");return -1;}serv_addr.sin_family = AF_INET;serv_addr.sin_port = htons(port);// 将服务器 IP 地址从字符串转换为网络地址格式if (inet_pton(AF_INET, server_ip, &serv_addr.sin_addr) <= 0) {printf("\nInvalid address/ Address not supported \n");return -1;}// 连接到服务器if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {printf("\nConnection Failed \n");return -1;}printf("Connected to server\n");while (1) {printf("Enter message: ");fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);// 发送数据send(sock, buffer, strlen(buffer), 0);// 接收服务器响应int valread = recv(sock, buffer, 1024, 0);if (valread <= 0) {printf("Server disconnected\n");break;}printf("Received: %s", buffer);}// 关闭套接字close(sock);return 0;
}

五、测试验证

使用 GCC 编译器编译服务器程序：

gcc server.c -o server -lpthread

./server

同样使用 GCC 编译器编译客户端程序：

gcc client.c -o client

1. 运行客户端程序，并传入服务器的 IP 地址和端口作为参数，例如：

./client 127.0.0.1 8080