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Socket TCP：从零写客户端/服务端四件套 ​

引言：socket 是「网络版 fd」 ​

到此我们手里的 IPC——pipe、共享内存——都只能在同一台机器上的进程之间传数据。可真正的网络程序(浏览器、聊天、数据库远程连接)要在不同机器之间传。这就需要 socket:它是个「网络版 fd」,既继承了普通 fd 的 read/write 接口(用起来跟 pipe 一样),又能跨机器、跨网络收发字节。socket 还分「流式」(SOCK_STREAM,就是 TCP,可靠、有序、面向连接)和「数据报」(SOCK_DGRAM,就是 UDP,下一章讲)。这一章我们只搞 TCP,亲手把服务端和客户端的最小骨架敲出来——为了能在一个程序里演示,我 fork 出一个子进程当客户端、父进程当服务端,两边都在 127.0.0.1(回环地址,只走本机网卡、不出去)上自连自。

服务端四件套:socket / bind / listen / accept ​

一个 TCP 服务端要经历四步,缺一步都跑不起来。先用 socket 建一个监听 fd,用 bind 把它绑到一个地址(IP+端口)上,用 listen 把它标成「被动套接字」(愿意接连接),最后用 accept 阻塞等客户端来连、每来一个连接就 accept 返回一个新 fd 专门跟那个客户端聊。四步的接口和它配合的客户端,真跑给你看(为了篇幅,客户端那段也塞在同一个程序里):

展开代码 (共 80 行)收起代码
c
#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    /* 服务端四件套之 1、2:socket + bind(绑 127.0.0.1,端口 0 = 让内核挑) */
    int listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (listen_fd < 0) {
        perror("socket");
        return 1;
    }
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(0);                      /* 端口 0:内核分配一个空闲端口 */
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_LOOPBACK); /* 127.0.0.1,只接受本机连接 */
    if (bind(listen_fd, (struct sockaddr*) &addr, sizeof(addr)) < 0) {
        perror("bind");
        return 1;
    }
    /* 3:listen,把 fd 标成「被动套接字」,愿意接连接 */
    if (listen(listen_fd, 1) < 0) {
        perror("listen");
        return 1;
    }

    /* bind 端口 0 后,getsockname 查内核到底分了哪个端口(要告诉客户端) */
    socklen_t alen = sizeof(addr);
    getsockname(listen_fd, (struct sockaddr*) &addr, &alen);
    int port = ntohs(addr.sin_port);
    printf("[server] 监听 127.0.0.1:%d\n", port);
    fflush(stdout);

    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    if (pid == 0) {
        /* 子进程 = 客户端 */
        close(listen_fd);
        sleep(1); /* 等服务端 listen 就绪 */
        int cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        struct sockaddr_in saddr;
        saddr.sin_family = AF_INET;
        saddr.sin_port = htons(port); /* 网络字节序 */
        saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_LOOPBACK);
        if (connect(cfd, (struct sockaddr*) &saddr, sizeof(saddr)) < 0) {
            perror("connect");
            _exit(1);
        }
        write(cfd, "hello tcp\n", 10);
        close(cfd); /* 关写端 → 服务端 read 拿到 EOF */
        _exit(0);
    }

    /* 父进程 = 服务端。4:accept 阻塞等连接进来,返回一个新 fd 专门跟这个客户端聊 */
    int cfd = accept(listen_fd, NULL, NULL);
    if (cfd < 0) {
        perror("accept");
        return 1;
    }
    char buf[64];
    ssize_t n = read(cfd, buf, sizeof(buf) - 1);
    if (n > 0) {
        buf[n] = '\0';
        printf("[server] 收到 %zd 字节: %s", (long) n, buf);
    }
    n = read(cfd, buf, sizeof(buf) - 1); /* 客户端关了 → read 返回 0(EOF) */
    printf("[server] 再读返回 %zd(0 = 客户端关连接了)\n", (long) n);

    close(cfd);
    close(listen_fd);
    waitpid(pid, NULL, 0);
    return 0;
}
text
$ gcc -std=c11 -Wall tcp_basic.c -o tcp && ./tcp
[server] 监听 127.0.0.1:45547
[server] 收到 10 字节: hello tcp
[server] 再读返回 0(0 = 客户端关连接了)

逐条拆这四件套。socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0) 建一个 IPv4 的 TCP socket(AF_INET 地址族、SOCK_STREAM 流式),返回一个 fd——此刻它还只是个「光杆 socket」,没地址、不能通信。bind 把它绑到 127.0.0.1 的某个端口上(struct sockaddr_in 是 IPv4 地址结构,填地址族、端口、IP)——这一步是「登记门牌号」,客户端照着这个 IP+端口才能找到你。listen 把这个 fd 从「主动」(默认的、用来 connect 的)切到「被动」(愿意 accept 别人来连),第二个参数是「等待连接队列」的长度(我传 1)。最后 accept 阻塞——直到有客户端 connect 进来,它返回一个全新的 fd(叫连接 fd),这个新 fd 才是真正「跟那个客户端一对一聊数据」用的;原来的 listen_fd 继续守着、接下一个连接(所以一个服务端能 accept 很多次、每次拿一个新连接 fd)。真跑输出里客户端发了 10 字节 hello tcp、服务端 read 收到,跟 pipe 一模一样——socket 在数据收发层面和普通 fd 没区别,read/write 直接能用。

服务端绑端口这里有个小技巧值得记:我把端口写成 0、让内核挑一个空闲的,然后 getsockname 查回内核到底分了哪个端口(真跑里是 45547,每次跑都不同)。为啥不写死一个端口(比如 8080)?因为写死的端口可能被别的程序占着、bind 会失败(EADDRINUSE);端口 0 让内核挑一定成功,代价是端口不定——真实服务端通常写死固定端口(方便客户端找),教学和测试用 0 最省心。

客户端两件套:socket / connect ​

客户端简单得多,只要两步:socket 建一个 fd(跟服务端一样的 AF_INET/SOCK_STREAM),connect 连到服务端的地址(IP+端口)。connect 的参数和服务端的 bind 一样是 struct sockaddr_in——填服务端的 IP 和端口。connect 成功后,这个 fd 就跟服务端那条 TCP 连接绑定了,直接 write/read 收发数据就行(代码里客户端 write(cfd, "hello tcp\n", 10) 就把数据发出去了)。注意客户端不用 bind——内核会在 connect 时自动给它分配一个临时端口(叫「临时端口」/ephemeral port),客户端不关心自己绑哪个端口、只关心连到服务端的哪个端口。

字节序:htonl / htons 别漏 ​

代码里那些 htonl/htons/ntohs 不是装饰,漏了就是大坑。背景:网络协议规定传输多字节整数(端口号、IP 地址)时用「网络字节序」(network byte order,POSIX 规定是大端 big-endian);可你的 CPU 很可能是小端(x86、ARM 都是小端)。「端口 12345」在小端机器内存里和在大端表示里字节顺序相反,你要是把小端的 12345 直接塞进 sockaddr_in.sin_port,网络层会把它读成另一个数(小端 12345 = 0x3039,字节 39 30;大端读成 0x3930 = 14640),结果连到完全错误的端口。所以规矩是:凡是往 sockaddr_in 里塞端口、IP,先 htons/htonl(host to network,主机→网络)转一下;从里面读出来,ntohs/ntohl(network to host)转回来。htons 转短整数(端口是 16 位 uint16_t)、htonl 转长整数(IP 是 32 位 uint32_t)。代码里服务端 addr.sin_port = htons(0)、addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_LOOPBACK),客户端 saddr.sin_port = htons(port),都是这个道理;getsockname 读回端口时 ntohs(addr.sin_port) 转回主机序才能 printf。这些函数在 <arpa/inet.h>。

read 返回 0 = 对端关连接 ​

最后讲一个跟 pipe 完全一样的语义:socket 上 read 返回 0,表示「对端关连接了」(EOF),不是错误。真跑里客户端 write 完数据就 close(cfd),这关掉了它那一端的连接;服务端第一次 read 收到 10 字节数据,第二次 read 返回 0——这个 0 就是 TCP 的「对端发了 FIN、连接要关了」的信号。所以服务端读 socket 的循环和读 pipe 一模一样:while ((n = read(cfd, buf, sz)) > 0) { 处理; }——读到 0 就知道客户端断开了、循环结束。把 read 返回 0 当错误处理、或者干脆不处理 EOF,是写 socket 服务端的高频 bug(连接永远清不掉)。

小结 ​

TCP 服务端「四件套」:socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0) 建监听 fd → bind 绑门牌号(IP+端口)→ listen 切成被动套接字 → accept 阻塞等连接、每来一个返回一个新连接 fd。客户端「两件套」:socket + connect(连到服务端地址,无需 bind、内核自动分临时端口)。socket 上的 read/write 跟普通 fd 一样;read 返回 0 表示对端关连接(EOF,不是错误)。字节序铁律:往 sockaddr_in 塞端口/IP 用 htons/htonl,读出来用 ntohs/ntohl,否则小端机器会把端口搞错、连到错误目标。bind 端口传 0 让内核挑空闲端口(再 getsockname 查回),写死端口可能 EADDRINUSE。

到这里我们有了「一个服务端接一个客户端」的最小 TCP。可真实服务端要同时接很多客户端——而上面这个 accept 一次只能处理一个连接、处理完才能接下一个。下一章进阶 socket:处理「往死连接 write 触发 SIGPIPE 杀进程」的阴险坑、TCP 没有消息边界带来的粘包/半包问题(长度前缀)、并用前面学过的 epoll 把服务端推向「单线程并发处理多连接」。

参考资源 ​

  • UNP：《Unix Network Programming, Volume 1》(W. Richard Stevens / Bill Fenner / Andrew M. Rudoff),第 4–5 章是 TCP 客户端/服务端四件套的圣经级讲解,字节序、sockaddr 结构全套。
  • TLPI：《The Linux Programming Interface》(Michael Kerrisk),第 56–59 章 socket TCP,socket/bind/listen/accept/connect 每个步骤配图。
  • man 页：socket(2)、bind(2)、listen(2)、accept(2)、connect(2)、getsockname(2)、byteorder(3)(htonl/htons/ntohl/ntohs)、ip(7)。
  • POSIX：<sys/socket.h> 的 socket/bind/listen/accept/connect、<netinet/in.h> 的 struct sockaddr_in/INADDR_LOOPBACK、<arpa/inet.h> 的字节序函数,全是 IEEE Std 1003.1-2008。