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
- 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
