十七、TCP編程

? TCP 編程是網絡通信的核心，其 API 圍繞面向連接的特性設計，涵蓋服務端和客戶端的交互流程。以下是基于 ?C 語言的 TCP 編程核心 API 及使用流程的詳細解析：

? 核心 API 概覽

?函數	?角色	?描述
`socket()`	通用	創建套接字，指定協議族（IPv4/IPv6）和類型（`SOCK_STREAM`）。
`bind()`	服務端	將套接字綁定到特定 IP 地址和端口。
`listen()`	服務端	將套接字設為監聽模式，等待客戶端連接請求。
`accept()`	服務端	接受客戶端連接，返回用于通信的新套接字。
`connect()`	客戶端	客戶端主動連接服務端。
`send()`/`write()`	通用	發送數據（TCP 保證數據順序，可能拆包/粘包）。
`recv()`/`read()`	通用	接收數據（需處理部分讀取和緩沖區管理）。
`close()`	通用	關閉套接字，終止連接。
`shutdown()`	通用	優雅關閉連接（可選關閉讀/寫方向）。

1、socket函數

函數原型與頭文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);

? 參數詳解

`? domain`（協議族/地址族）?

? 定義通信使用的協議族，常見值包括：

?值	?描述
`AF_INET`	IPv4 協議（最常用）
`AF_INET6`	IPv6 協議
`AF_UNIX`/`AF_LOCAL`	本地進程間通信（UNIX 域套接字）
`AF_PACKET`	底層數據包接口（如原始以太網幀捕獲）

? 如果是IPV6編程，要使用struct sockddr_in6結構體（man 7 IPV6）,通常使用struct sockaddr_storage來編程。

`? type`（套接字類型）?

指定數據傳輸的語義，常用類型：

?值	?描述
`SOCK_STREAM`	面向連接的流式套接字（TCP，可靠傳輸）
`SOCK_DGRAM`	無連接的數據報套接字（UDP，盡最大努力交付）
`SOCK_RAW`	原始套接字（直接訪問 IP/ICMP 等協議）

`protocol`（具體協議?）

通常設為 0，表示根據 domain 和 type ?自動選擇默認協議。例如：

SOCK_STREAM 默認使用 IPPROTO_TCP
SOCK_DGRAM 默認使用 IPPROTO_UDP

若需顯式指定協議，可用：

?值	?描述
`IPPROTO_TCP`	強制使用 TCP 協議
`IPPROTO_UDP`	強制使用 UDP 協議
`IPPROTO_ICMP`	用于原始套接字的 ICMP 協議

返回值

?成功：返回一個非負整數?（套接字文件描述符），后續操作（如 bind, connect）均基于此描述符。
?失敗：返回 -1，并設置 errno 表示錯誤原因（如 EACCES, EAFNOSUPPORT）。

典型使用場景

創建 TCP 套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {perror("socket() failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

用于 HTTP、FTP 等需要可靠傳輸的應用。

?創建 UDP 套接字
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if (sockfd == -1) {perror("socket() failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

用于 DNS 查詢、實時音視頻傳輸等場景。

創建原始套接字（需 root 權限）?
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
if (sockfd == -1) {perror("socket() failed");exit(EXIT_FAILURE);
}

可手動構造 IP 或 ICMP 頭部，用于網絡探測工具（如 ping）。

2、bind函數

? bind() 函數是網絡編程中用于將套接字（socket）?與特定的IP地址和端口綁定的關鍵步驟，常用于服務端設置監聽地址。以下是 bind() 的詳細解析，包含函數原型、參數解釋、使用示例及常見問題：

函數原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

參數

?參數	?類型	?描述
`sockfd`	`int`	已創建的套接字描述符（由`socket()`返回）
`addr`	`struct sockaddr*`	指向保存綁定地址信息的結構體指針（需根據協議族填充對應的結構類型）
`addrlen`	`socklen_t`	地址結構體的長度（字節數）

地址結構體

?1. IPv4 地址結構 (struct sockaddr_in)
struct sockaddr_in {sa_family_t    sin_family;   // 地址族（如 AF_INET）in_port_t      sin_port;     // 端口號（需用 `htons()` 轉換字節序）struct in_addr sin_addr;     // IPv4 地址（需用 `inet_pton()` 或 `htonl(INADDR_ANY)`）unsigned char  sin_zero[8];  // 填充字段（一般置零）
};struct in_addr {uint32_t s_addr;            // 32位 IPv4 地址（網絡字節序）
};

?2. IPv6 地址結構 (struct sockaddr_in6)
struct sockaddr_in6 {sa_family_t     sin6_family;   // 地址族（AF_INET6）in_port_t       sin6_port;     // 端口號（網絡字節序）uint32_t        sin6_flowinfo; // IPv6 流信息（通常為0）struct in6_addr sin6_addr;     // IPv6 地址uint32_t        sin6_scope_id; // 接口范圍標識符（用于本地鏈路地址）
};struct in6_addr {unsigned char s6_addr[16];     // 128位 IPv6 地址
};

?3. 通用地址結構 (struct sockaddr)
struct sockaddr {sa_family_t sa_family;  // 地址族（AF_xxx）char        sa_data[14];// 具體地址數據（由子結構展開填充）
};

? 使用場景與示例

?1. 服務端綁定 IP 和端口
int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (server_fd == -1) { perror("socket"); exit(1); }// 允許地址重用（避免服務端重啟時 bind 失敗）
int optval = 1;
setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));struct sockaddr_in addr = {0};
addr.sin_family = AF_INET;                       // IPv4
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);        // 綁定所有本地 IP
addr.sin_port = htons(8080);                     // 綁定端口 8080if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {perror("bind");close(server_fd);exit(1);
}// 后續可調用 listen() 啟動監聽

?2. 客戶端綁定特定源地址
int client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in client_addr = {0};
client_addr.sin_family = AF_INET;
client_addr.sin_port = htons(12345);             // 指定客戶端端口
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.100", &client_addr.sin_addr); // 指定源 IPbind(client_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, sizeof(client_addr));
connect(client_fd, server_addr, sizeof(server_addr));

3、listen函數

函數原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int listen(int sockfd, int backlog);

? 參數詳解

?參數	?類型	?描述
`sockfd`	`int`	已通過 `bind()` 綁定地址的套接字描述符（必須是 ?SOCK_STREAM 類型）。
`backlog`	`int`	已建立連接（完成三次握手）的隊列最大長度，決定同時等待 `accept()` 處理的連接數。

? 核心作用

?轉換套接字狀態：
- 將套接字從主動模式?（默認）轉為被動模式，使其能夠接收客戶端的連接請求。
- 未調用 listen() 的套接字無法調用 accept()。
?管理連接隊列：
- 內核為監聽套接字維護兩個隊列?（具體實現可能因操作系統而異）：
  - ?未完成隊列（SYN_RCVD 狀態）?：客戶端已發送 SYN，但未完成三次握手。
  - ?已完成隊列（ESTABLISHED 狀態）?：已完成三次握手，等待 accept() 取出。
- backlog 參數通常指已完成隊列的最大長度?（Linux 中默認上限由 /proc/sys/net/core/somaxconn 定義）。

? 使用場景與示例

?1. 服務端啟動監聽
int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// ...綁定地址（bind()）...// 設置監聽隊列長度為 128
if (listen(server_fd, 128) == -1) {perror("listen() failed");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);
}// 循環接受客戶端連接
while (1) {struct sockaddr_in client_addr;socklen_t addrlen = sizeof(client_addr);int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &addrlen);// ...處理 client_fd...
}

?2. backlog 的合理取值
?經驗值：通常設為 SOMAXCONN（系統定義的最大值，如 Linux 默認 4096）。
?調整方法?（Linux）：# 臨時修改 somaxconn
echo 4096 > /proc/sys/net/core/somaxconn# 永久修改（需編輯 /etc/sysctl.conf）
net.core.somaxconn = 4096

?注意：實際允許的連接數受系統資源和并發模型（如多線程、epoll）影響。

4、accept函數

函數原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

? 參數詳解

?參數	?類型	?描述
`sockfd`	`int`	處于監聽狀態的套接字描述符（由 `listen()` 設置）。
`addr`	`struct sockaddr*`	輸出參數，用于存儲客戶端地址信息（如 IP 和端口）。若不需要可設為 `NULL`。
`addrlen`	`socklen_t*`	輸入輸出參數：傳入 `addr` 緩沖區的長度，返回實際寫入的地址長度。若 `addr` 為 `NULL`，可設為 `NULL`。

? 返回值

?成功：返回一個新的已連接套接字描述符?（非負整數），專門用于與客戶端通信。
?失敗：返回 -1，并設置 errno（如 EINTR、ECONNABORTED）。

? 核心作用

?提取連接：從監聽套接字的已完成連接隊列?（已完成三次握手）中取出一個客戶端連接。
?生成新套接字：返回的已連接套接字與客戶端一一對應，原監聽套接字繼續接受其他連接。
?獲取客戶端地址：通過 addr 參數獲取客戶端的 IP 地址和端口（可選）。

5、connect函數

函數原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

? 參數詳解

?參數	?類型	?描述
`sockfd`	`int`	客戶端套接字描述符（由 `socket()` 創建）。
`addr`	`struct sockaddr*`	指向服務端地址結構體的指針（如 `sockaddr_in`）。
`addrlen`	`socklen_t`	地址結構體的長度（單位：字節）。