一、引言

在網(wǎng)絡(luò)編程的領(lǐng)域中，TCP（Transmission Control Protocol）協(xié)議因其可靠的數(shù)據(jù)傳輸特性而被廣泛應(yīng)用。在 Linux 環(huán)境下，使用 C 或 C++ 進行 TCP 編程可以實現(xiàn)各種強大的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。本文將深入探討 Linux TCP 編程的各個方面，包括 API 接口的詳細說明、TCP Server 和 TCP Client 的實例代碼，以及完整的測試流程。

二、TCP 編程的 API 接口說明

（一）socket() 函數(shù)

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

• 功能：創(chuàng)建一個套接字。
• 參數(shù)：
  • domain：指定協(xié)議族，常見的有 AF_INET（IPv4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）和 AF_INET6（IPv6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）。
  • type：套接字類型，對于 TCP 通常使用 SOCK_STREAM。
  • protocol：指定使用的具體協(xié)議，通常設(shè)置為 0 以使用默認的 TCP 協(xié)議。
• 返回值：成功時返回一個非負的套接字描述符，失敗時返回 -1。

（二）bind() 函數(shù)

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

• 功能：將套接字與本地地址和端口綁定。
• 參數(shù)：
  • sockfd：由 socket() 函數(shù)返回的套接字描述符。
  • addr：指向包含地址和端口信息的結(jié)構(gòu)體，如 struct sockaddr_in（IPv4）或 struct sockaddr_in6（IPv6）。
  • addrlen：addr 結(jié)構(gòu)體的長度。
• 返回值：成功返回 0，失敗返回 -1。

（三）listen() 函數(shù)

int listen(int sockfd, int backlog);

• 功能：將套接字設(shè)置為監(jiān)聽狀態(tài)，準備接受客戶端的連接請求。
• 參數(shù)：
  • sockfd：已綁定的套接字描述符。
  • backlog：指定等待連接隊列的最大長度。
• 返回值：成功返回 0，失敗返回 -1。

（四）accept() 函數(shù)

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

• 功能：從已完成連接隊列中取出一個連接，并創(chuàng)建一個新的套接字與客戶端進行通信。
• 參數(shù)：
  • sockfd：監(jiān)聽套接字描述符。
  • addr：用于存儲客戶端的地址信息。
  • addrlen：用于指定 addr 結(jié)構(gòu)體的長度。
• 返回值：成功返回一個新的套接字描述符用于與客戶端通信，失敗返回 -1。

（五）connect() 函數(shù)（客戶端使用）

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

• 功能：客戶端向服務(wù)器發(fā)起連接請求。
• 參數(shù)：
  • sockfd：套接字描述符。
  • addr：指向服務(wù)器的地址結(jié)構(gòu)體。
  • addrlen：addr 結(jié)構(gòu)體的長度。
• 返回值：成功返回 0，失敗返回 -1。

（六）send() 和 recv() 函數(shù)

send() 函數(shù)

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

• 功能：用于發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 參數(shù)：
  • sockfd：套接字描述符。
  • buf：指向要發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。
  • len：要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。
  • flags：控制選項，通常設(shè)置為 0。
• 返回值：成功返回實際發(fā)送的字節(jié)數(shù)，失敗返回 -1。

recv() 函數(shù)

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

• 功能：用于接收數(shù)據(jù)。
• 參數(shù)：
  • sockfd：套接字描述符。
  • buf：用于存儲接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。
  • len：緩沖區(qū)的長度。
  • flags：控制選項，通常設(shè)置為 0。
• 返回值：成功返回實際接收的字節(jié)數(shù)，失敗返回 -1。

（七）close() 函數(shù)

int close(int fd);

• 功能：關(guān)閉套接字。
• 參數(shù)：要關(guān)閉的套接字描述符。

三、TCP Server 實例代碼（支持多線程和回顯）

#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  // 最大連接數(shù)量pthread_mutex_t connectionCountMutex;
int connectionCount = 0;  // 記錄當前連接數(shù)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) {// 回顯接收到的數(shù)據(jù)send(client_fd, buffer, bytes_read, 0);}// 處理客戶端斷開連接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;  // 服務(wù)器監(jiān)聽的端口// 創(chuàng)建套接字if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {perror("Socket creation failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 初始化地址結(jié)構(gòu)體address.sin_family = AF_INET;address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;address.sin_port = htons(port);// 綁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);}// 開始監(jiān)聽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) {// 接受客戶端連接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);// 檢查連接數(shù)是否達到上限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;}// 分離線程，使其資源在結(jié)束時自動回收pthread_detach(thread);}// 清理pthread_mutex_destroy(&connectionCountMutex);// 關(guān)閉服務(wù)器套接字close(server_fd);return 0;
}

四、TCP Client 實例代碼

#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]);  // 將命令行參數(shù)轉(zhuǎn)換為端口號char *server_ip = argv[1];  // 服務(wù)器 IP 地址// 創(chuàng)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);// 將服務(wù)器 IP 地址從字符串轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)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;}// 連接到服務(wù)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);// 發(fā)送數(shù)據(jù)send(sock, buffer, strlen(buffer), 0);// 接收服務(wù)器響應(yīng)int valread = recv(sock, buffer, 1024, 0);if (valread <= 0) {printf("Server disconnected\n");break;}printf("Received: %s", buffer);}// 關(guān)閉套接字close(sock);return 0;
}

五、測試驗證

使用 GCC 編譯器編譯服務(wù)器程序：

gcc server.c -o server -lpthread

./server

同樣使用 GCC 編譯器編譯客戶端程序：

gcc client.c -o client

1. 運行客戶端程序，并傳入服務(wù)器的 IP 地址和端口作為參數(shù)，例如：

./client 127.0.0.1 8080