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TCP网络编程（一）—— 服务器端模式和客户端模式

article 2025/1/5 7:20:16

这篇文章将会编写基本的服务器网络程序，主要讲解服务器端和客户端代码的原理，至于网络名词很具体的概念，例如什么是TCP协议，不会过多涉及。

首先介绍一下TCP网络编程的两种模式：服务器端和客户端模式：

首先说明一下：黑色线代表状态的转换，红色线表示的是数据的传输，read 和 write 之间的循环表示：例如读取完数据，进入写入的状态，写入完再进入读取的状态，一直循环，实现了服务器和客户端之间的通信。

首先来解释一下服务器端：

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

socket() 表示创建一个套接字。套接字是网络通信的基本数据结构，用于定义通信协议（如 TCP 或 UDP）和地址族（如 IPv4 或 IPv6）。通过套接字，服务器和客户端可以在网络上传输数据，可以把套接字理解为一个编程接口，利用套接字实现程序和网络的连接，像是用户层和传输层（TCP）中间的一个抽象层，有了套接字才可以向网络发送数据。

传入的内容是（协议族，套接字类型，默认协议（通常为0））
返回：成功返回套接字描述符，失败返回-1

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

bind() 表示将套接字绑定到一个特定的地址和端口。绑定的地址和端口标识服务器，使客户端能够找到并连接到该服务。只有套接字还不够，我还要知道是哪个主机（IP）发送的，哪个应用程序（端口）发送的，端口可以理解为电脑通信的入口和出口。

传入的内容是：（套接字描述符，地址结构体的地址，地址结构体大小）
返回：成功返回0，失败返回-1。

int listen(int sockfd, int backlog)

listen() 表示将套接字转换为监听模式，并设置等待连接的队列长度。当多个客户端请求连接时，服务器会将这些请求加入队列，按顺序处理。

传入的内容是（套接字描述符，队列的长度）
返回：成功返回0，失败返回-1。

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

accept() 表示等待接受客户端的连接请求，接收到请求，成功连接后，accept() 返回一个新的套接字，用于与该客户端通信，而原始监听套接字则继续处理新的连接请求。

传入的内容是：（套接字描述符，地址结构体的地址，地址结构体大小的地址）
返回：成功返回新的套接字描述符，失败返回-1

ssize_t read(int sockfd, void *buf, size_t count)

read() 表示从套接字描述符中读取数据，用于接收客户端发送的消息。读取的数据存储在提供的缓冲区中。

传入的内容是：（套接字描述符，缓冲区指针（数组），要读取的字节数）
返回：成功返回实际读取的字节数，失败返回-1。

ssize_t write(int sockfd, const void *buf, size_t count)

write() 表示向套接字描述符中写入数据，用于向客户端发送响应数据。

传入的内容是：（套接字描述符，缓冲区指针（数组），要写入的字节数）
返回：成功返回实际写入的字节数，失败返回-1。

int close(int sockfd)

close()表示关闭套接字描述符。

传入的内容是：（套接字描述符）
返回：成功返回0，失败返回-1。

接着解释一下客户端的新出现的函数：

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

connet()表示客户端向服务器发起连接请求。客户端告诉操作系统需要连接到哪个服务器的哪个端口。

传入的内容是：（套接字描述符，地址结构体的地址，地址结构体大小）
返回：成功返回0，失败返回-1。

看完这些，你会发现：套接字描述符和文件描述符很像，都可以根据描述进行写入读取和各种其他操作，其实，这就是UNIX系统和类UNIX系统（Linux系统）的抽象资源管理方式，通过整数来标识系统中的资源，使用统一的接口设计，“一切皆文件”。

看到这里，你一定有几个问题：

1.为什么客户端少了bind()和listen()的操作？

2.为什么connect操作指向了accept操作之后？

3.地址结构体的地址addr是个什么东西？

4.为什么有的函数传addr大小，有的传addr大小的地址？

1.对于服务器端来说，服务器需要绑定到固定的端口这样客户端才能知道它，对于客户端来说，操作系统会在必要的时候分配临时的本地端口和地址，不需要再绑定端口。

2.因为服务器端的accept函数是阻塞的，等待客户端发起请求，当connect发送给服务器端请求之后，才会继续进行后面的读写操作。

3.addr的类型如下：有两个成员，分别是地址族，地址和端口信息，但是这不方便我们进行设置，所以一般采用 sockaddr_in 这个结构，最后在进行强制类型转换得到sockaddr，注意这两个结构体类型大小是一样的，只是结构不一样。

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;    // 地址族，例如 AF_INET（IPv4）或 AF_INET6（IPv6）
    char sa_data[14];         // 地址和端口信息
};

下面是sockaddr_in结构体类型，可以清楚地看到每个成员的含义：

struct sockaddr_in {
    sa_family_t sin_family;   // 地址族，通常为 AF_INET（IPv4）
    uint16_t sin_port;        // 端口号（16 位），以网络字节序表示
    struct in_addr sin_addr;  // IP 地址（32 位）
    char sin_zero[8];         // 保留字段，填充用
};

4.可以看到accept函数的addrlen参数是 addr 大小（变量）的地址，但是connect和bind函数的addrlen参数是 addr 大小（变量）本身，这是因为accept不知道调用者提供的 addr 缓冲区的大小可能是IPv4可能是IPv6，所以需要地址地址。