十七、TCP编程

TCP 编程是网络通信的核心，其 API 围绕面向连接的特性设计，涵盖服务端和客户端的交互流程。以下是基于 C 语言的 TCP 编程核心 API 及使用流程的详细解析：

核心 API 概览

函数	角色	描述
`socket()`	通用	创建套接字，指定协议族（IPv4/IPv6）和类型（`SOCK_STREAM`）。
`bind()`	服务端	将套接字绑定到特定 IP 地址和端口。
`listen()`	服务端	将套接字设为监听模式，等待客户端连接请求。
`accept()`	服务端	接受客户端连接，返回用于通信的新套接字。
`connect()`	客户端	客户端主动连接服务端。
`send()`/`write()`	通用	发送数据（TCP 保证数据顺序，可能拆包/粘包）。
`recv()`/`read()`	通用	接收数据（需处理部分读取和缓冲区管理）。
`close()`	通用	关闭套接字，终止连接。
`shutdown()`	通用	优雅关闭连接（可选关闭读/写方向）。

1、socket函数

函数原型与头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);

参数详解

`domain`（协议族/地址族）

定义通信使用的协议族，常见值包括：

值	描述
`AF_INET`	IPv4 协议（最常用）
`AF_INET6`	IPv6 协议
`AF_UNIX`/`AF_LOCAL`	本地进程间通信（UNIX 域套接字）
`AF_PACKET`	底层数据包接口（如原始以太网帧捕获）

如果是IPV6编程，要使用struct sockddr_in6结构体（man 7 IPV6）,通常使用struct sockaddr_storage来编程。

`type`（套接字类型）

指定数据传输的语义，常用类型：

值	描述
`SOCK_STREAM`	面向连接的流式套接字（TCP，可靠传输）
`SOCK_DGRAM`	无连接的数据报套接字（UDP，尽最大努力交付）
`SOCK_RAW`	原始套接字（直接访问 IP/ICMP 等协议）

`protocol`（具体协议）

通常设为 0，表示根据 domain 和 type 自动选择默认协议。例如：

SOCK_STREAM 默认使用 IPPROTO_TCP
SOCK_DGRAM 默认使用 IPPROTO_UDP

若需显式指定协议，可用：

值	描述
`IPPROTO_TCP`	强制使用 TCP 协议
`IPPROTO_UDP`	强制使用 UDP 协议
`IPPROTO_ICMP`	用于原始套接字的 ICMP 协议

返回值

成功：返回一个非负整数（套接字文件描述符），后续操作（如 bind, connect）均基于此描述符。
失败：返回 -1，并设置 errno 表示错误原因（如 EACCES, EAFNOSUPPORT）。

典型使用场景

创建 TCP 套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {perror("socket() failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

用于 HTTP、FTP 等需要可靠传输的应用。

创建 UDP 套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd == -1) {perror("socket() failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

用于 DNS 查询、实时音视频传输等场景。

创建原始套接字（需 root 权限）
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
if (sockfd == -1) {perror("socket() failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

可手动构造 IP 或 ICMP 头部，用于网络探测工具（如 ping）。

2、bind函数

bind() 函数是网络编程中用于将套接字（socket）与特定的IP地址和端口绑定的关键步骤，常用于服务端设置监听地址。以下是 bind() 的详细解析，包含函数原型、参数解释、使用示例及常见问题：

函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数

参数	类型	描述
`sockfd`	`int`	已创建的套接字描述符（由`socket()`返回）
`addr`	`struct sockaddr*`	指向保存绑定地址信息的结构体指针（需根据协议族填充对应的结构类型）
`addrlen`	`socklen_t`	地址结构体的长度（字节数）

地址结构体

1. IPv4 地址结构 (struct sockaddr_in)
struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family;   // 地址族（如 AF_INET）in_port_t      sin_port;     // 端口号（需用 `htons()` 转换字节序）struct in_addr sin_addr;     // IPv4 地址（需用 `inet_pton()` 或 `htonl(INADDR_ANY)`）unsigned char  sin_zero[8];  // 填充字段（一般置零）
};struct in_addr {uint32_t s_addr;            // 32位 IPv4 地址（网络字节序）
};

2. IPv6 地址结构 (struct sockaddr_in6)
struct sockaddr_in6 {sa_family_t     sin6_family;   // 地址族（AF_INET6）in_port_t       sin6_port;     // 端口号（网络字节序）uint32_t        sin6_flowinfo; // IPv6 流信息（通常为0）struct in6_addr sin6_addr;     // IPv6 地址uint32_t        sin6_scope_id; // 接口范围标识符（用于本地链路地址）
};struct in6_addr {unsigned char s6_addr[16];     // 128位 IPv6 地址
};

3. 通用地址结构 (struct sockaddr)
struct sockaddr {sa_family_t sa_family;  // 地址族（AF_xxx）char        sa_data[14];// 具体地址数据（由子结构展开填充）
};

使用场景与示例

1. 服务端绑定 IP 和端口
int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (server_fd == -1) { perror("socket"); exit(1); }// 允许地址重用（避免服务端重启时 bind 失败）
int optval = 1;
setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));struct sockaddr_in addr = {0};
addr.sin_family = AF_INET;                       // IPv4
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);        // 绑定所有本地 IP
addr.sin_port = htons(8080);                     // 绑定端口 8080if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {perror("bind");close(server_fd);exit(1);
}// 后续可调用 listen() 启动监听

2. 客户端绑定特定源地址
int client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in client_addr = {0};
client_addr.sin_family = AF_INET;
client_addr.sin_port = htons(12345);             // 指定客户端端口
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.100", &client_addr.sin_addr); // 指定源 IPbind(client_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, sizeof(client_addr));
connect(client_fd, server_addr, sizeof(server_addr));

3、listen函数

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

参数详解

参数	类型	描述
`sockfd`	`int`	已通过 `bind()` 绑定地址的套接字描述符（必须是 SOCK_STREAM 类型）。
`backlog`	`int`	已建立连接（完成三次握手）的队列最大长度，决定同时等待 `accept()` 处理的连接数。

核心作用

转换套接字状态：
- 将套接字从主动模式（默认）转为被动模式，使其能够接收客户端的连接请求。
- 未调用 listen() 的套接字无法调用 accept()。
管理连接队列：
- 内核为监听套接字维护两个队列（具体实现可能因操作系统而异）：
  - 未完成队列（SYN_RCVD 状态）：客户端已发送 SYN，但未完成三次握手。
  - 已完成队列（ESTABLISHED 状态）：已完成三次握手，等待 accept() 取出。
- backlog 参数通常指已完成队列的最大长度（Linux 中默认上限由 /proc/sys/net/core/somaxconn 定义）。

使用场景与示例

1. 服务端启动监听
int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// ...绑定地址（bind()）...// 设置监听队列长度为 128
if (listen(server_fd, 128) == -1) {perror("listen() failed");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);
}// 循环接受客户端连接
while (1) {struct sockaddr_in client_addr;socklen_t addrlen = sizeof(client_addr);int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &addrlen);// ...处理 client_fd...
}

2. backlog 的合理取值
经验值：通常设为 SOMAXCONN（系统定义的最大值，如 Linux 默认 4096）。
调整方法（Linux）：# 临时修改 somaxconn
echo 4096 > /proc/sys/net/core/somaxconn# 永久修改（需编辑 /etc/sysctl.conf）
net.core.somaxconn = 4096

注意：实际允许的连接数受系统资源和并发模型（如多线程、epoll）影响。

4、accept函数

函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数详解

参数	类型	描述
`sockfd`	`int`	处于监听状态的套接字描述符（由 `listen()` 设置）。
`addr`	`struct sockaddr*`	输出参数，用于存储客户端地址信息（如 IP 和端口）。若不需要可设为 `NULL`。
`addrlen`	`socklen_t*`	输入输出参数：传入 `addr` 缓冲区的长度，返回实际写入的地址长度。若 `addr` 为 `NULL`，可设为 `NULL`。

返回值

成功：返回一个新的已连接套接字描述符（非负整数），专门用于与客户端通信。
失败：返回 -1，并设置 errno（如 EINTR、ECONNABORTED）。

核心作用

提取连接：从监听套接字的已完成连接队列（已完成三次握手）中取出一个客户端连接。
生成新套接字：返回的已连接套接字与客户端一一对应，原监听套接字继续接受其他连接。
获取客户端地址：通过 addr 参数获取客户端的 IP 地址和端口（可选）。

5、connect函数

函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数详解

参数	类型	描述
`sockfd`	`int`	客户端套接字描述符（由 `socket()` 创建）。
`addr`	`struct sockaddr*`	指向服务端地址结构体的指针（如 `sockaddr_in`）。
`addrlen`	`socklen_t`	地址结构体的长度（单位：字节）。