Linux C语言网络编程详细入门教程：如何一步步实现TCP服务端与客户端通信

发布于：2025-06-14 ⋅ 阅读:(20) ⋅ 点赞:(0)

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Linux C语言网络编程详细入门教程：如何一步步实现TCP服务端与客户端通信

前言

本文面向初学者，目标是让你“一看就懂、能马上动手实践”。从零讲起，手把手梳理服务端与客户端的构建全过程，每个函数、参数、典型用法、数据流向、底层机制、注意事项全部细细拆解，让你彻底明白如何让两个程序通过网络可靠通信。

一、网络通信基础概念

  1. 什么是Socket？

    • Socket（套接字）是操作系统为进程之间通过网络发送和接收数据而提供的一套“接口”。
    • 类比现实世界，就是一台机器（主机）上的“电话插孔”，只有插上电话线（建立连接）你们才能说话。
    • Socket抽象了所有底层的网络细节，为开发者提供了“像读写文件一样”进行网络通信的方式。

  2. IP和端口

    • IP：主机的唯一网络地址，相当于“电话号码”。
    • 端口：主机内部区分不同网络服务的编号，相当于“分机号”。

  3. TCP通信流程（面向连接）

    • 服务端先开启，监听一个IP+端口。
    • 客户端主动连接服务端的IP+端口。
    • 建立连接（三次握手）。
    • 双方可以互相发送和接收数据。
    • 通信完成后关闭连接。

二、服务端与客户端的完整流程图解

服务端主要流程：

  1. 创建Socket
  2. 绑定本地IP和端口（bind）
  3. 设置为监听状态（listen）
  4. 死循环等待客户端连接（accept）
  5. 收发数据（read/write）
  6. 关闭通信（close）

客户端主要流程：

  1. 创建Socket
  2. 配置服务器IP和端口
  3. 发起连接请求（connect）
  4. 收发数据（read/write）
  5. 关闭通信（close）

三、每一步的详细讲解和代码示例

1. 创建Socket（服务端和客户端都要）

作用：告诉内核“我要用网络通信”，创建一个通信端点。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);
  • domain：协议族，常用AF_INET（IPv4）。
  • type：套接字类型，常用SOCK_STREAM（TCP，可靠流）。
  • protocol：协议，通常填0，表示由系统自动选择。

举例：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
    perror("socket error");
    exit(1);
}
  • 返回值：成功时是一个“文件描述符”，失败返回-1。

2. 绑定本地地址和端口（服务端用bind）

作用：明确告诉操作系统“我用哪个IP+端口”来等待客户端连接。只有bind了，别人才能找到你。

#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;                   // 协议族
servaddr.sin_port = htons(8888);                 // 端口（本地字节序转网络字节序）
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);    // 本机所有IP

int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));
if (ret == -1) {
    perror("bind error");
    exit(1);
}
  • htons/htonl 是将主机字节序转为网络字节序（大端）。
  • INADDR_ANY 让你的服务监听本机所有网卡（IP）。

3. 设置监听（服务端listen）

作用：让socket进入“监听”状态，准备接收连接请求。

int listen(int sockfd, int backlog);
  • sockfd：刚才创建并bind过的socket。
  • backlog：内核排队等待连接的最大数量。

举例：

if (listen(sockfd, 128) == -1) {
    perror("listen error");
    exit(1);
}
  • 这时操作系统会帮你排队管理那些“想要连你”的客户端。

4. 等待并接受连接（服务端accept）

作用：阻塞等待客户端“来电”，接听一个新连接，为每个连接分配一个新的socket。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
  • sockfd：监听socket。
  • addr：传出参数，获取客户端的IP+端口等信息。
  • addrlen：addr结构体大小（调用前要赋初值）。

举例：

struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &cliaddr_len);
if (connfd == -1) {
    perror("accept error");
    continue; // 或exit(1)
}
  • connfd：每个客户端连接都会分配一个新socket，独立通信。
  • 注意：监听socket（sockfd）只负责“等电话”，不能直接收发数据，后面通信都用connfd。

5. 客户端发起连接（connect）

作用：主动“打电话”给服务端，发起三次握手，连接指定IP+端口。

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

客户端配置服务器地址：

struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(8888);
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.100", &servaddr.sin_addr);

if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1) {
    perror("connect error");
    exit(1);
}
  • inet_pton 用于将点分十进制IP字符串转为网络字节序整数。

6. 数据收发（read/write）

作用：收发字节流数据，就像读写文件一样。

  • write() 发送数据到对方
  • read() 从对方接收数据

例子（双方都类似）：

char buf[1024];
// 发送
write(sockfd, "hello", 5);
// 接收
int n = read(sockfd, buf, sizeof(buf)-1);
if (n > 0) {
    buf[n] = '\0';
    printf("收到: %s\n", buf);
}
  • 注意：read和write返回值要判断，<=0说明对方关闭了连接或出错。
  • 服务器处理建议：每个连接完成后记得close(connfd)。

7. 关闭socket

作用：释放系统资源，断开连接。

close(sockfd); // 对服务端监听socket、通信socket、客户端socket都适用

四、流程图&示意

服务器端流程                      客户端流程
--------------------------------------------------------
socket()                         socket()
  |                                 |
bind()                          connect()
  |                                 |
listen()                            |
  |                           ---------三次握手
accept() <--------+            |
  |                |           |
read()/write() <---+---> read()/write()
  |                |           |
close()         close()      close()

五、错误处理机制（errno、perror、strerror）

  1. 每一步系统调用都可能出错，一定要检查返回值（-1 代表失败）。
  2. 出错后操作系统会设置errno变量（int类型，存放错误码）。
  3. perror(“描述”) 会直接把你的描述和错误原因一起打印到标准错误输出。
  4. strerror(errno) 把错误码转为字符串，可以写日志或文件。

例子：

if (bind(sockfd, ...) == -1) {
    perror("bind error");
    // fprintf(logfile, "bind error: %s\n", strerror(errno));
    exit(1);
}
  • 建议每个步骤都这样处理，排查故障时一清二楚。

六、完整最简服务端和客户端代码范例

1. 服务端示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_PORT 8888

int main() {
    int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1) {
        perror("bind error");
        exit(1);
    }

    if (listen(listenfd, 128) == -1) {
        perror("listen error");
        exit(1);
    }

    printf("Server is listening...\n");
    while (1) {
        struct sockaddr_in cliaddr;
        socklen_t cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
        int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &cliaddr_len);
        if (connfd == -1) {
            perror("accept error");
            continue;
        }
        char buf[1024];
        int n = read(connfd, buf, sizeof(buf)-1);
        if (n > 0) {
            buf[n] = '\0';
            printf("client says: %s\n", buf);
            write(connfd, buf, n); // 回显
        }
        close(connfd);
    }
    close(listenfd);
    return 0;
}

2. 客户端示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_PORT 8888
#define SERVER_IP   "127.0.0.1"

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &servaddr.sin_addr);

    if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1) {
        perror("connect error");
        exit(1);
    }
    char sendbuf[1024] = "hello server";
    write(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf));
    char recvbuf[1024];
    int n = read(sockfd, recvbuf, sizeof(recvbuf)-1);
    if (n > 0) {
        recvbuf[n] = '\0';
        printf("server says: %s\n", recvbuf);
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

七、通用经验和常见问题排查

  1. 端口被占用，bind出错：先用netstat -ntlp查端口占用，或改端口再试。
  2. connect失败：IP、端口写错？服务器没开？防火墙拦截？
  3. read/write出错或为0：对方关闭了连接，需及时close。
  4. 每个连接用独立socket，主循环不要关listenfd。
  5. 大项目建议引入多线程或select/epoll提升并发能力。

八、图解数据流和socket关系

| 客户端 |      网络      |         服务端         |
+--------+---------------+-----------------------+
|        | ---connect--> | [listenfd]            |
|        | <---三次握手--|                       |
|        |               | accept()产生[connfd]  |
|        |<->read/write<>| [connfd]<->[listenfd] |
|        | ---close----->| [connfd closed]       |
  • listenfd负责排队监听，不用于通信。connfd负责与客户端通信。

九、总结

  1. 先socket()，再bind()（服务端），然后listen()，accept()连接，read/write通信，close()结束。客户端用connect()主动连接。
  2. 每一步都检查错误，配合perror/strerror打印详细信息，便于调试和维护。
  3. IP、端口、字节序、缓冲区管理要细心。
  4. 建议将代码拆分成模块，错误处理、日志、收发通信各自封装。

只要理解并掌握上面每一步、每个关键函数的使用，你就能独立搭建出稳定可靠的C语言网络通信程序！每次遇到问题都可以翻回来看，一步步排查流程，问题迎刃而解。

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