《UNIX網絡編程卷1：套接字聯網API》第5章 TCP客戶/服務器程序示例

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5.1 本章目標與示例程序概述

本章通過一個完整的TCP回射（Echo）客戶/服務器程序，深入解析TCP套接字編程的核心流程與關鍵問題。示例程序的功能為：客戶端發送文本至服務器，服務器將文本原樣返回。通過此案例，讀者將掌握：

1. TCP通信全流程：從套接字創建到連接終止；
2. 并發服務器設計：多進程/多線程模型實現；
3. 健壯性處理：應對網絡異常與資源管理；
4. 調試技巧：使用工具分析協議交互。

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5.2 服務器端程序實現

5.2.1 主函數框架

#include "unp.h"int main(int argc, char **argv) {int listenfd, connfd;pid_t childpid;socklen_t clilen;struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;// 創建TCP套接字listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 初始化服務器地址結構bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 綁定所有接口servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);         // 服務端口號// 綁定與監聽Bind(listenfd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr));Listen(listenfd, LISTENQ); // LISTENQ定義連接隊列最大長度for (;;) {clilen = sizeof(cliaddr);connfd = Accept(listenfd, (SA *)&cliaddr, &clilen); // 阻塞等待連接// 并發處理if ((childpid = Fork()) == 0) { // 子進程Close(listenfd);           // 子進程關閉監聽套接字str_echo(connfd);          // 處理客戶端請求exit(0);}Close(connfd); // 父進程關閉已連接套接字}
}

關鍵點：

• INADDR_ANY允許服務器監聽所有網絡接口；
• fork()實現并發處理，父進程繼續監聽新連接，子進程處理當前連接。

5.2.2 數據回射函數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); // 回射數據if (n < 0 && errno == EINTR) // 處理中斷goto again;else if (n < 0)err_sys("str_echo: read error"); // 包裹函數處理錯誤
}

注意：TCP是字節流協議，需處理部分讀寫與粘包問題。

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5.3 客戶端程序實現

5.3.1 主函數框架

#include "unp.h"int main(int argc, char **argv) {int sockfd;struct sockaddr_in servaddr;if (argc != 2)err_quit("usage: tcpcli <IPaddress>");// 創建TCP套接字sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 初始化服務器地址bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));servaddr.sin_family = AF_INET;servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);Inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);// 發起連接Connect(sockfd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr));// 處理用戶輸入與服務器響應str_cli(stdin, sockfd); exit(0);
}

關鍵點：

• Connect觸發三次握手，需處理ETIMEDOUT（超時）和ECONNREFUSED（拒絕連接）等錯誤。

5.3.2 用戶交互函數str_cli

void str_cli(FILE *fp, int sockfd) {char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) { // 讀取標準輸入Writen(sockfd, sendline, strlen(sendline)); // 發送至服務器if (Readline(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0) // 讀取響應err_quit("str_cli: server terminated prematurely");Fputs(recvline, stdout); // 輸出響應}
}

說明：Readline需正確處理部分讀與緩沖區管理（參考第3章字節流處理）。

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5.4 并發服務器模型與僵尸進程處理

5.4.1 多進程模型的缺陷

• 僵尸進程：子進程終止后未調用wait，導致進程表中殘留條目；
• 資源泄漏：未關閉套接字可能耗盡文件描述符。

5.4.2 解決方案：信號處理

void sig_chld(int signo) {pid_t pid;int stat;while ((pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0)printf("child %d terminated\n", pid);return;
}// 主函數中注冊信號處理
Signal(SIGCHLD, sig_chld); // 使用包裹函數處理信號

作用：捕獲SIGCHLD信號，回收子進程資源。

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5.5 異常場景分析與處理

5.5.1 服務器主機崩潰

• 現象：客戶端read阻塞，TCP持續重傳數據，最終返回ETIMEDOUT；
• 處理：設置超時機制或使用心跳包檢測連接狀態。

5.5.2 服務器主機重啟

• 現象：客戶端收到ECONNRESET錯誤；
• 處理：重連機制或優雅終止程序。

5.5.3 客戶端非正常終止

• 現象：服務器子進程read返回0，觸發正常關閉流程；
• 處理：確保close釋放資源，避免文件描述符泄漏。

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5.6 測試與調試技巧

5.6.1 使用netstat監控連接狀態

netstat -ant | grep 9999 # 查看端口9999的TCP連接狀態

輸出示例：

• LISTEN：監聽狀態；
• ESTABLISHED：已建立連接；
• TIME_WAIT：連接終止等待。

5.6.2 tcpdump抓包分析

tcpdump -i lo port 9999 # 監聽本地回環接口的9999端口

關鍵字段：

• SYN/ACK：三次握手過程；
• FIN：四次揮手過程。

5.6.3 使用ps查看進程狀態

ps -ef | grep tcpserv # 查看服務器進程狀態

狀態說明：

• S：睡眠狀態（等待I/O）；
• Z：僵尸進程。

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5.7 性能優化與擴展

5.7.1 線程池模型

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

優勢：避免頻繁創建/銷毀線程的開銷。

5.7.2 I/O復用（select/epoll）

• 適用場景：高并發連接，減少進程/線程切換開銷；
• 實現要點：事件驅動模型，非阻塞I/O。
• 參見相關文章：epoll函數使用實戰詳解

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5.8 本章小結與進階習題

小結：本章通過Echo程序完整演示了TCP客戶/服務器開發流程，涵蓋并發模型、異常處理與調試技巧，為復雜網絡應用開發奠定基礎。

習題：

1. 實現UDP版本的Echo程序，對比TCP/UDP編程差異；
2. 修改服務器為線程池模型，測試并發性能；
3. 使用Wireshark分析TCP握手與揮手過程，提交抓包分析報告。

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付費用戶專屬資源：

• 完整代碼工程（含Makefile與測試腳本）；
• TCP狀態轉換圖（矢量圖）；
• 擴展閱讀：《UNIX網絡編程中的并發模型演進》。

通過本章學習，讀者將掌握TCP套接字編程的核心技術，并具備開發高可靠性、高并發網絡服務的能力。