Linux服务器编程实践92-TCP服务器与客户端的工作流程：从socket创建到连接关闭
在Linux网络编程中，TCP协议因其可靠、面向连接的特性，成为大多数网络应用的首选传输层协议。本文将从实践角度出发，详细拆解TCP服务器与客户端从socket创建到连接关闭的完整工作流程，结合代码示例和可视化图表，帮助开发者深入理解TCP通信的底层逻辑。
一、TCP通信的核心概念铺垫
在深入流程前，需明确两个核心前提：
- socket的本质：在Linux中，socket是"文件描述符"的一种，用于标识网络通信的端点，遵循"一切皆文件"的设计哲学。
- TCP的面向连接特性：通信前需通过"三次握手"建立连接，通信后需通过"四次挥手"关闭连接，确保数据可靠传输。
TCP通信模型示意图
二、TCP服务器的工作流程（从初始化到连接处理）
TCP服务器的核心任务是：监听指定端口、接受客户端连接、处理请求并返回响应。完整流程分为5个关键步骤。
步骤1：创建socket文件描述符
通过socket()系统调用创建TCP类型的socket，指定协议族（IPv4）、服务类型（流服务）和默认协议。
#include
#include
#include
#include
#include
int main() {
// 创建TCP socket：PF_INET(IPv4)、SOCK_STREAM(流服务)、0(默认TCP协议)
int listen_fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
assert(listen_fd != -1); // 检查创建是否成功
printf("Socket创建成功，文件描述符：%d
", listen_fd);
// 后续步骤...
return 0;
}
注意：socket创建后默认是"阻塞模式"，即调用如accept()、recv()等函数时会阻塞进程，直到事件就绪。
步骤2：绑定socket到指定IP和端口
通过bind()将socket与服务器的IP地址和端口号关联，确保客户端能通过该地址找到服务器。
// 定义IPv4 socket地址结构
struct sockaddr_in server_addr;
bzero(&server_addr, sizeof(server_addr)); // 初始化内存为0
server_addr.sin_family = AF_INET; // IPv4协议族
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定所有网卡IP
server_addr.sin_port = htons(8080); // 绑定8080端口（主机字节序转网络字节序）
// 绑定操作
int ret = bind(listen_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
assert(ret != -1);
printf("Socket绑定成功，IP：0.0.0.0，端口：8080
", listen_fd);
关键函数：htonl()和htons()用于将主机字节序（小端）转换为网络字节序（大端），避免不同架构机器间的字节序混乱。
步骤3：将socket设为监听状态
通过listen()将socket从"主动"状态转为"监听"状态，创建监听队列存储待处理的客户端连接。
// 监听队列最大长度为5（半连接+全连接队列，内核2.2后仅表示全连接队列）
int backlog = 5;
ret = listen(listen_fd, backlog);
assert(ret != -1);
printf("Socket进入监听状态，监听队列长度：%d
", backlog);
监听队列结构示意图
步骤4：接受客户端连接
通过accept()从监听队列中取出一个已完成三次握手的连接，返回新的"连接socket"（专门用于与该客户端通信）。
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);
// 接受连接，获取客户端地址信息
int conn_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_addr_len);
assert(conn_fd != -1);
// 打印客户端信息
char client_ip[INET_ADDRSTRLEN];
inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, client_ip, INET_ADDRSTRLEN);
printf("接受客户端连接：IP=%s，端口=%d，连接socket：%d
",
client_ip, ntohs(client_addr.sin_port), conn_fd);
核心区别：listen_fd仅用于监听新连接，conn_fd用于与特定客户端的读写通信，一个服务器通常只有一个listen_fd，但可有多个conn_fd（对应多个客户端）。
步骤5：与客户端通信（读写数据）
通过recv()读取客户端发送的数据，处理后通过send()返回响应。
#define BUF_SIZE 1024
char buffer[BUF_SIZE];
// 读取客户端数据
ssize_t recv_len = recv(conn_fd, buffer, BUF_SIZE-1, 0);
if (recv_len == 0) {
printf("客户端主动关闭连接
");
close(conn_fd);
return 0;
}
buffer[recv_len] = ' '; // 确保字符串结束
printf("收到客户端数据：%s
", buffer);
// 处理请求（示例：返回"Hello, Client!"）
const char* response = "Hello, Client! I'm TCP Server.";
ssize_t send_len = send(conn_fd, response, strlen(response), 0);
printf("发送响应长度：%zd字节
", send_len);
三、TCP客户端的工作流程（从连接到通信）
客户端的流程相对简单，核心是"主动发起连接"，无需监听端口，具体分为3个步骤。
步骤1：创建socket（同服务器）
int client_fd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
assert(client_fd != -1);
printf("客户端Socket创建成功，文件描述符：%d
", client_fd);
步骤2：发起连接请求
通过connect()向服务器发起TCP连接，需指定服务器的IP和端口。
struct sockaddr_in server_addr;
bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
// 服务器IP（示例：192.168.1.108）
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.108", &server_addr.sin_addr);
server_addr.sin_port = htons(8080); // 服务器端口
// 发起连接
int ret = connect(client_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
assert(ret != -1);
printf("成功连接到服务器：192.168.1.108:8080
");
连接超时处理：默认情况下connect()会阻塞约75秒（内核参数tcp_syn_retries控制），实际开发中可通过"非阻塞connect"或设置socket超时选项优化。
步骤3：与服务器通信
发送请求数据并接收服务器响应。
// 发送请求
const char* request = "Hello, Server! I'm TCP Client.";
send(client_fd, request, strlen(request), 0);
printf("发送请求：%s
", request);
// 接收响应
char buffer[BUF_SIZE];
ssize_t recv_len = recv(client_fd, buffer, BUF_SIZE-1, 0);
buffer[recv_len] = ' ';
printf("收到服务器响应：%s
", buffer);
四、TCP连接的关闭流程（四次挥手）
TCP连接是"全双工"的，关闭时需分别关闭读端和写端，通过close()或shutdown()实现，底层对应"四次挥手"过程。
TCP四次挥手示意图
1. 客户端主动关闭（常见场景）
客户端调用close()关闭连接，发送FIN报文，触发四次挥手。
// 客户端关闭连接
close(client_fd);
printf("客户端连接关闭
");
2. 服务器被动关闭
服务器检测到客户端关闭（recv()返回0），关闭对应的conn_fd。
// 服务器侧：读取到客户端关闭信号（recv返回0）
if (recv_len == 0) {
printf("客户端主动关闭，服务器关闭连接
");
close(conn_fd); // 关闭连接socket
}
3. 半关闭场景（特殊需求）
若需"关闭写端但保留读端"（如客户端发送完请求后，等待服务器返回大文件），可使用shutdown()。
// 半关闭：关闭写端，保留读端
shutdown(conn_fd, SHUT_WR);
// 此时仍可通过recv()读取服务器数据
ssize_t len = recv(conn_fd, buffer, BUF_SIZE-1, 0);
// 数据读取完毕后，关闭读端
shutdown(conn_fd, SHUT_RD);
close(conn_fd);
五、完整流程总结与常见问题
| 角色 | 核心步骤 | 关键系统调用 | 常见问题 |
|---|---|---|---|
| 服务器 | 创建socket → 绑定 → 监听 → 接受连接 → 通信 → 关闭 | socket()、bind()、listen()、accept()、recv()/send()、close() | 端口被占用（EADDRINUSE）、监听队列满（连接被拒绝） |
| 客户端 | 创建socket → 发起连接 → 通信 → 关闭 | socket()、connect()、recv()/send()、close() | 连接超时（ETIMEDOUT）、服务器拒绝连接（ECONNREFUSED） |
常见问题解决方案
- 端口被占用：使用
netstat -ntlp | grep 端口号查看占用进程，或设置SO_REUSEADDR选项重用端口。 - 连接超时：通过
setsockopt()设置SO_SNDTIMEO和SO_RCVTIMEO，或使用非阻塞I/O。 - 监听队列满：增大
listen()的backlog参数，或优化服务器处理连接的速度。
六、实践扩展：多客户端并发处理思路
上述示例为"串行服务器"（一次处理一个客户端），实际开发中需支持多并发，常见方案有：
- 多进程/多线程：每接受一个连接创建一个子进程/子线程处理。
- I/O复用：通过
select()/poll()/epoll()同时监听多个socket。 - 进程池/线程池：预先创建固定数量的进程/线程，避免频繁创建销毁的开销。
// 多线程示例：接受连接后创建线程处理
#include
void* handle_client(void* arg) {
int conn_fd = *(int*)arg;
// 客户端通信逻辑...
close(conn_fd);
return NULL;
}
// 主循环接受连接
while (1) {
int conn_fd = accept(listen_fd, ...);
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, handle_client, &conn_fd);
}
