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《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第5章 TCP客户服务器程序示例

news 来源：原创 2025/5/7 10:33:40

《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》第5章 TCP客户/服务器程序示例

5.1 本章目标与示例程序概述

本章通过一个完整的TCP回射（Echo）客户/服务器程序，深入解析TCP套接字编程的核心流程与关键问题。示例程序的功能为：客户端发送文本至服务器，服务器将文本原样返回。通过此案例，读者将掌握：

TCP通信全流程：从套接字创建到连接终止；
并发服务器设计：多进程/多线程模型实现；
健壮性处理：应对网络异常与资源管理；
调试技巧：使用工具分析协议交互。

5.2 服务器端程序实现

5.2.1 主函数框架

#include "unp.h"int main(int argc, char **argv) {int listenfd, connfd;pid_t childpid;socklen_t clilen;struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;// 创建TCP套接字listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 初始化服务器地址结构bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定所有接口servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);         // 服务端口号// 绑定与监听Bind(listenfd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr));Listen(listenfd, LISTENQ); // LISTENQ定义连接队列最大长度for (;;) {clilen = sizeof(cliaddr);connfd = Accept(listenfd, (SA *)&cliaddr, &clilen); // 阻塞等待连接// 并发处理if ((childpid = Fork()) == 0) { // 子进程Close(listenfd);           // 子进程关闭监听套接字str_echo(connfd);          // 处理客户端请求exit(0);}Close(connfd); // 父进程关闭已连接套接字}
}

关键点：

INADDR_ANY允许服务器监听所有网络接口；
fork()实现并发处理，父进程继续监听新连接，子进程处理当前连接。

5.2.2 数据回射函数`str_echo`

void str_echo(int sockfd) {ssize_t n;char buf[MAXLINE];
again:while ((n = Read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)Writen(sockfd, buf, n); // 回射数据if (n < 0 && errno == EINTR) // 处理中断goto again;else if (n < 0)err_sys("str_echo: read error"); // 包裹函数处理错误
}

注意：TCP是字节流协议，需处理部分读写与粘包问题。

5.3 客户端程序实现

5.3.1 主函数框架

#include "unp.h"int main(int argc, char **argv) {int sockfd;struct sockaddr_in servaddr;if (argc != 2)err_quit("usage: tcpcli <IPaddress>");// 创建TCP套接字sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 初始化服务器地址bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);Inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);// 发起连接Connect(sockfd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr));// 处理用户输入与服务器响应str_cli(stdin, sockfd); exit(0);
}

关键点：

Connect触发三次握手，需处理ETIMEDOUT（超时）和ECONNREFUSED（拒绝连接）等错误。

5.3.2 用户交互函数`str_cli`

void str_cli(FILE *fp, int sockfd) {char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) { // 读取标准输入Writen(sockfd, sendline, strlen(sendline)); // 发送至服务器if (Readline(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0) // 读取响应err_quit("str_cli: server terminated prematurely");Fputs(recvline, stdout); // 输出响应}
}

说明：Readline需正确处理部分读与缓冲区管理（参考第3章字节流处理）。

5.4 并发服务器模型与僵尸进程处理

5.4.1 多进程模型的缺陷

僵尸进程：子进程终止后未调用wait，导致进程表中残留条目；
资源泄漏：未关闭套接字可能耗尽文件描述符。

5.4.2 解决方案：信号处理

void sig_chld(int signo) {pid_t pid;int stat;while ((pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0)printf("child %d terminated\n", pid);return;
}// 主函数中注册信号处理
Signal(SIGCHLD, sig_chld); // 使用包裹函数处理信号

作用：捕获SIGCHLD信号，回收子进程资源。

5.5 异常场景分析与处理

5.5.1 服务器主机崩溃

现象：客户端read阻塞，TCP持续重传数据，最终返回ETIMEDOUT；
处理：设置超时机制或使用心跳包检测连接状态。

5.5.2 服务器主机重启

现象：客户端收到ECONNRESET错误；
处理：重连机制或优雅终止程序。

5.5.3 客户端非正常终止

现象：服务器子进程read返回0，触发正常关闭流程；
处理：确保close释放资源，避免文件描述符泄漏。

5.6 测试与调试技巧

5.6.1 使用`netstat`监控连接状态

netstat -ant | grep 9999 # 查看端口9999的TCP连接状态

输出示例：

LISTEN：监听状态；
ESTABLISHED：已建立连接；
TIME_WAIT：连接终止等待。

5.6.2 `tcpdump`抓包分析

tcpdump -i lo port 9999 # 监听本地回环接口的9999端口

关键字段：

SYN/ACK：三次握手过程；
FIN：四次挥手过程。

5.6.3 使用`ps`查看进程状态

ps -ef | grep tcpserv # 查看服务器进程状态

状态说明：

S：睡眠状态（等待I/O）；
Z：僵尸进程。

5.7 性能优化与扩展

5.7.1 线程池模型

pthread_t tid;
pthread_attr_t attr;
pthread_attr_init(&attr);
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); // 线程分离
pthread_create(&tid, &attr, handle_client, (void *)connfd);

优势：避免频繁创建/销毁线程的开销。

5.7.2 I/O复用（`select`/`epoll`）

适用场景：高并发连接，减少进程/线程切换开销；
实现要点：事件驱动模型，非阻塞I/O。
参见相关文章：epoll函数使用实战详解

5.8 本章小结与进阶习题

小结：本章通过Echo程序完整演示了TCP客户/服务器开发流程，涵盖并发模型、异常处理与调试技巧，为复杂网络应用开发奠定基础。

习题：

实现UDP版本的Echo程序，对比TCP/UDP编程差异；
修改服务器为线程池模型，测试并发性能；
使用Wireshark分析TCP握手与挥手过程，提交抓包分析报告。

付费用户专属资源：

完整代码工程（含Makefile与测试脚本）；
TCP状态转换图（矢量图）；
扩展阅读：《UNIX网络编程中的并发模型演进》。

通过本章学习，读者将掌握TCP套接字编程的核心技术，并具备开发高可靠性、高并发网络服务的能力。

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