姚鑫 發表於 2023-7-6 00:00:00

Linux Socket 编程简介和实现

<p>
        在 tcp/ip 协议中,"ip地址 + tcp或udp端口号" 可以唯一标识网络通讯中的一个进程,"ip地址+端口号" 就称为 socket。本文以一个简单的 tcp 协议为例,介绍如何创建基于 tcp 协议的网络程序。</p>
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        <strong>tcp 协议通讯流程</strong></p>
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        下图描述了 tcp 协议的通讯流程(此图来自互联网):</p>
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        <img title="Linux Socket 编程简介和实现" alt="Linux Socket 编程简介和实现" src="https://zhuji.jb51.net/uploads/img/202305/bbc7b5596e6e2f029aa6d2e6e328e602.jpg"></p>
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        下图则描述 tcp 建立连接的过程(此图来自互联网):</p>
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        <img title="Linux Socket 编程简介和实现" alt="Linux Socket 编程简介和实现" src="https://zhuji.jb51.net/uploads/img/202305/eee730739a10d6e2561e1b23729c3913.jpg"></p>
<p>
        服务器调用 socket()、bind()、listen() 函数完成初始化后,调用 accept() 阻塞等待,处于监听端口的状态,客户端调用 socket() 初始化后,调用 connect() 发出 syn 段并阻塞等待服务器应答,服务器应答一个syn-ack 段,客户端收到后从 connect() 返回,同时应答一个 ack 段,服务器收到后从 accept() 返回。</p>
<p>
        <strong>tcp 连接建立后数据传输的过程:</strong></p>
<p>
        建立连接后,tcp 协议提供全双工的通信服务,但是一般的客户端/服务器程序的流程是由客户端主动发起请求,服务器被动处理请求,一问一答的方式。因此,服务器从 accept() 返回后立刻调用 read(),读 socket 就像读管道一样,如果没有数据到达就阻塞等待,这时客户端调用 write() 发送请求给服务器,服务器收到后从 read() 返回,对客户端的请求进行处理,在此期间客户端调用 read() 阻塞等待服务器的应答,服务器调用 write() 将处理结果发回给客户端,再次调用 read() 阻塞等待下一条请求,客户端收到后从 read() 返回,发送下一条请求,如此循环下去。</p>
<p>
        下图描述了关闭 tcp 连接的过程:</p>
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        <img title="Linux Socket 编程简介和实现" alt="Linux Socket 编程简介和实现" src="https://zhuji.jb51.net/uploads/img/202305/7e7c7a6c601e415fc5b9b08ddee10db3.jpg"></p>
<p>
        如果客户端没有更多的请求了,就调用 close() 关闭连接,就像写端关闭的管道一样,服务器的 read() 返回 0,这样服务器就知道客户端关闭了连接,也调用 close() 关闭连接。注意,任何一方调用 close() 后,连接的两个传输方向都关闭,不能再发送数据了。如果一方调用 shutdown() 则连接处于半关闭状态,仍可接收对方发来的数据。</p>
<p>
        在学习 socket 编程时要注意应用程序和 tcp 协议层是如何交互的:</p>
<ol>
<li>
                应用程序调用某个 socket 函数时 tcp 协议层完成什么动作,比如调用 connect() 会发出 syn 段</li>
        <li>
                应用程序如何知道 tcp 协议层的状态变化,比如从某个阻塞的 socket 函数返回就表明 tcp 协议收到了某些段,再比如 read() 返回 0 就表明收到了 fin 段</li>
</ol>
<p>
        下面通过一个简单的 tcp 网络程序来理解相关概念。程序分为服务器端和客户端两部分,它们之间通过 socket 进行通信。</p>
<p>
        <strong>服务器端程序</strong></p>
<p>
        下面是一个非常简单的服务器端程序,它从客户端读字符,然后将每个字符转换为大写并回送给客户端:</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlightercpp" id="highlighter_116561">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                        <div class="line number2 index1 alt1">
                                                                2</div>
                                                        <div class="line number3 index2 alt2">
                                                                3</div>
                                                        <div class="line number4 index3 alt1">
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                                                                7</div>
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                                                                59</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#include &lt;stdio.h&gt;</code>
</div>
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                                                                        <code class="cpp preprocessor">#include &lt;stdlib.h&gt;</code>
</div>
                                                                <div class="line number3 index2 alt2">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#include &lt;string.h&gt;</code>
</div>
                                                                <div class="line number4 index3 alt1">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#include &lt;unistd.h&gt;</code>
</div>
                                                                <div class="line number5 index4 alt2">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#include &lt;netinet/in.h&gt;</code>
</div>
                                                                <div class="line number6 index5 alt1">
                                                                         </div>
                                                                <div class="line number7 index6 alt2">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#define maxline 80</code>
</div>
                                                                <div class="line number8 index7 alt1">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#define serv_port 8000</code>
</div>
                                                                <div class="line number9 index8 alt2">
                                                                         </div>
                                                                <div class="line number10 index9 alt1">
                                                                        <code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">main(</code><code class="cpp keyword bold">void</code><code class="cpp plain">)</code>
</div>
                                                                <div class="line number11 index10 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">{</code>
</div>
                                                                <div class="line number12 index11 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp keyword bold">struct</code> <code class="cpp plain">sockaddr_in servaddr, cliaddr;</code>
</div>
                                                                <div class="line number13 index12 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">socklen_t cliaddr_len;</code>
</div>
                                                                <div class="line number14 index13 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">listenfd, connfd;</code>
</div>
                                                                <div class="line number15 index14 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp color1 bold">char</code> <code class="cpp plain">buf;</code>
</div>
                                                                <div class="line number16 index15 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp color1 bold">char</code> <code class="cpp plain">str;</code>
</div>
                                                                <div class="line number17 index16 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">i, n;</code>
</div>
                                                                <div class="line number18 index17 alt1">
                                                                         </div>
                                                                <div class="line number19 index18 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp comments">// socket() 打开一个网络通讯端口,如果成功的话,</code>
</div>
                                                                <div class="line number20 index19 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp comments">// 就像 open() 一样返回一个文件描述符,</code>
</div>
                                                                <div class="line number21 index20 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp comments">// 应用程序可以像读写文件一样用 read/write 在网络上收发数据。</code>
</div>
                                                                <div class="line number22 index21 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">listenfd = socket(af_inet, sock_stream, 0);</code>
</div>
                                                                <div class="line number23 index22 alt2">
                                                                         </div>
                                                                <div class="line number24 index23 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">bzero(&amp;servaddr, </code><code class="cpp keyword bold">sizeof</code><code class="cpp plain">(servaddr));</code>
</div>
                                                                <div class="line number25 index24 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">servaddr.sin_family = af_inet;</code>
</div>
                                                                <div class="line number26 index25 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(inaddr_any);</code>
</div>
                                                                <div class="line number27 index26 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">servaddr.sin_port = htons(serv_port);</code>
</div>
                                                                <div class="line number28 index27 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code>
</div>
                                                                <div class="line number29 index28 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp comments">// bind() 的作用是将参数 listenfd 和 servaddr 绑定在一起,</code>
</div>
                                                                <div class="line number30 index29 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp comments">// 使 listenfd 这个用于网络通讯的文件描述符监听 servaddr 所描述的地址和端口号。</code>
</div>
                                                                <div class="line number31 index30 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">bind(listenfd, (</code><code class="cpp keyword bold">struct</code> <code class="cpp plain">sockaddr *)&amp;servaddr, </code><code class="cpp keyword bold">sizeof</code><code class="cpp plain">(servaddr));</code>
</div>
                                                                <div class="line number32 index31 alt1">
                                                                         </div>
                                                                <div class="line number33 index32 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp comments">// listen() 声明 listenfd 处于监听状态,</code>
</div>
                                                                <div class="line number34 index33 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp comments">// 并且最多允许有 20 个客户端处于连接待状态,如果接收到更多的连接请求就忽略。</code>
</div>
                                                                <div class="line number35 index34 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">listen(listenfd, 20);</code>
</div>
                                                                <div class="line number36 index35 alt1">
                                                                         </div>
                                                                <div class="line number37 index36 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp functions bold">printf</code><code class="cpp plain">(</code><code class="cpp string">"accepting connections ...\n"</code><code class="cpp plain">);</code>
</div>
                                                                <div class="line number38 index37 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp keyword bold">while</code> <code class="cpp plain">(1)</code>
</div>
                                                                <div class="line number39 index38 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">{</code>
</div>
                                                                <div class="line number40 index39 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">cliaddr_len = </code><code class="cpp keyword bold">sizeof</code><code class="cpp plain">(cliaddr);</code>
</div>
                                                                <div class="line number41 index40 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp comments">// 典型的服务器程序可以同时服务于多个客户端,</code>
</div>
                                                                <div class="line number42 index41 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp comments">// 当有客户端发起连接时,服务器调用的 accept() 返回并接受这个连接,</code>
</div>
                                                                <div class="line number43 index42 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp comments">// 如果有大量的客户端发起连接而服务器来不及处理,尚未 accept 的客户端就处于连接等待状态。</code>
</div>
                                                                <div class="line number44 index43 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">connfd = accept(listenfd, (</code><code class="cpp keyword bold">struct</code> <code class="cpp plain">sockaddr *)&amp;cliaddr, &amp;cliaddr_len);</code>
</div>
                                                                <div class="line number45 index44 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">   </code>
</div>
                                                                <div class="line number46 index45 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">n = read(connfd, buf, maxline);</code>
</div>
                                                                <div class="line number47 index46 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp functions bold">printf</code><code class="cpp plain">(</code><code class="cpp string">"received from %s at port %d\n"</code><code class="cpp plain">,</code>
</div>
                                                                <div class="line number48 index47 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">        </code><code class="cpp plain">inet_ntop(af_inet, &amp;cliaddr.sin_addr, str, </code><code class="cpp keyword bold">sizeof</code><code class="cpp plain">(str)),</code>
</div>
                                                                <div class="line number49 index48 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">        </code><code class="cpp plain">ntohs(cliaddr.sin_port));</code>
</div>
                                                                <div class="line number50 index49 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code>
</div>
                                                                <div class="line number51 index50 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp keyword bold">for</code> <code class="cpp plain">(i = 0; i &lt; n; i++)</code>
</div>
                                                                <div class="line number52 index51 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">{</code>
</div>
                                                                <div class="line number53 index52 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">      </code><code class="cpp plain">buf = </code><code class="cpp functions bold">toupper</code><code class="cpp plain">(buf);</code>
</div>
                                                                <div class="line number54 index53 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">}</code>
</div>
                                                                <div class="line number55 index54 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">      </code>
</div>
                                                                <div class="line number56 index55 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">write(connfd, buf, n);</code>
</div>
                                                                <div class="line number57 index56 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">close(connfd);</code>
</div>
                                                                <div class="line number58 index57 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">}</code>
</div>
                                                                <div class="line number59 index58 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">}</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        把上面的代码保存到文件 server.c 文件中,并执行下面的命令编译:</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlightercpp" id="highlighter_453854">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">$ gcc server.c -o server</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        然后运行编译出来的 server 程序:</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlightercpp" id="highlighter_389442">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">$ ./server</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        此时我们可以通过 ss 命令来查看主机上的端口监听情况:</p>
<p>
        <img title="Linux Socket 编程简介和实现" alt="Linux Socket 编程简介和实现" src="https://zhuji.jb51.net/uploads/img/202305/125d8832c4e90214470b81c3adacae54.jpg"></p>
<p>
        如上图所示,server 程序已经开始监听主机的 8000 端口了。</p>
<p>
        下面让我们介绍一下这段程序中用到的 socket 相关的 api。</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlightercpp" id="highlighter_725918">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">socket(</code><code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">family, </code><code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">type, </code><code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">protocol);</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        socket() 打开一个网络通讯端口,如果成功的话,就像 open() 一样返回一个文件描述符,应用程序可以像读写文件一样用 read/write 在网络上收发数据。对于ipv4,family 参数指定为 af_inet。对于 tcp 协议,type 参数指定为 sock_stream,表示面向流的传输协议。如果是 udp 协议,则 type 参数指定为 sock_dgram,表示面向数据报的传输协议。protocol 指定为 0 即可。</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlightercpp" id="highlighter_667519">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">bind(</code><code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">sockfd, </code><code class="cpp keyword bold">const</code> <code class="cpp keyword bold">struct</code> <code class="cpp plain">sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        服务器需要调用 bind 函数绑定一个固定的网络地址和端口号。bind() 的作用是将参数 sockfd 和 myaddr 绑定在一起,使 sockfd 这个用于网络通讯的文件描述符监听 myaddr 所描述的地址和端口号。struct sockaddr *是一个通用指针类型,myaddr 参数实际上可以接受多种协议的 sockaddr 结构体,而它们的长度各不相同,所以需要第三个参数 addrlen 指定结构体的长度。</p>
<p>
        程序中对 myaddr 参数的初始化为:</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlightercpp" id="highlighter_755027">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                        <div class="line number2 index1 alt1">
                                                                2</div>
                                                        <div class="line number3 index2 alt2">
                                                                3</div>
                                                        <div class="line number4 index3 alt1">
                                                                4</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">bzero(&amp;servaddr, </code><code class="cpp keyword bold">sizeof</code><code class="cpp plain">(servaddr));</code>
</div>
                                                                <div class="line number2 index1 alt1">
                                                                        <code class="cpp plain">servaddr.sin_family = af_inet;</code>
</div>
                                                                <div class="line number3 index2 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(inaddr_any);</code>
</div>
                                                                <div class="line number4 index3 alt1">
                                                                        <code class="cpp plain">servaddr.sin_port = htons(serv_port);</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        首先将整个结构体清零,然后设置地址类型为 af_inet,网络地址为 inaddr_any,这个宏表示本地的任意 ip 地址,因为服务器可能有多个网卡,每个网卡也可能绑定多个 ip 地址,这样设置可以在所有的 ip 地址上监听,直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪个 ip 地址,端口号为 serv_port,我们定义为 8000。</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlightercpp" id="highlighter_275988">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">listen(</code><code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">sockfd, </code><code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">backlog);</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        listen() 声明 sockfd 处于监听状态,并且最多允许有 backlog 个客户端处于连接待状态,如果接收到更多的连接请求就忽略。</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlightercpp" id="highlighter_530309">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">accept(</code><code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">sockfd, </code><code class="cpp keyword bold">struct</code> <code class="cpp plain">sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen);</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        三方握手完成后,服务器调用 accept() 接受连接,如果服务器调用 accept() 时还没有客户端的连接请求,就阻塞等待直到有客户端连接上来。cliaddr 是一个传出参数,accept() 返回时传出客户端的地址和端口号。addrlen 参数是一个传入传出参数(value-result argument),传入的是调用者提供的缓冲区 cliaddr 的长度以避免缓冲区溢出问题,传出的是客户端地址结构体的实际长度(有可能没有占满调用者提供的缓冲区)。如果给 cliaddr 参数传 null,表示不关心客户端的地址。</p>
<p>
        服务器程序的主要结构如下:</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlightercpp" id="highlighter_127661">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                        <div class="line number2 index1 alt1">
                                                                2</div>
                                                        <div class="line number3 index2 alt2">
                                                                3</div>
                                                        <div class="line number4 index3 alt1">
                                                                4</div>
                                                        <div class="line number5 index4 alt2">
                                                                5</div>
                                                        <div class="line number6 index5 alt1">
                                                                6</div>
                                                        <div class="line number7 index6 alt2">
                                                                7</div>
                                                        <div class="line number8 index7 alt1">
                                                                8</div>
                                                        <div class="line number9 index8 alt2">
                                                                9</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="cpp keyword bold">while</code> <code class="cpp plain">(1)</code>
</div>
                                                                <div class="line number2 index1 alt1">
                                                                        <code class="cpp plain">{</code>
</div>
                                                                <div class="line number3 index2 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">cliaddr_len = </code><code class="cpp keyword bold">sizeof</code><code class="cpp plain">(cliaddr);</code>
</div>
                                                                <div class="line number4 index3 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">connfd = accept(listenfd,</code>
</div>
                                                                <div class="line number5 index4 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">      </code><code class="cpp plain">(</code><code class="cpp keyword bold">struct</code> <code class="cpp plain">sockaddr *)&amp;cliaddr, &amp;cliaddr_len);</code>
</div>
                                                                <div class="line number6 index5 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">n = read(connfd, buf, maxline);</code>
</div>
                                                                <div class="line number7 index6 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">......</code>
</div>
                                                                <div class="line number8 index7 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">close(connfd);</code>
</div>
                                                                <div class="line number9 index8 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">}</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        整个是一个 while 死循环,每次循环处理一个客户端连接。由于 cliaddr_len 是传入传出参数,每次调用 accept( ) 之前应该重新赋初值。accept() 的参数 listenfd 是先前的监听文件描述符,而 accept() 的返回值是另外一个文件描述符 connfd,之后与客户端之间就通过这个 connfd 通讯,最后关闭 connfd 断开连接,而不关闭 listenfd,再次回到循环开头 listenfd 仍然用作 accept 的参数。</p>
<p>
        <strong>客户端程序</strong></p>
<p>
        下面是客户端程序,它从命令行参数中获得一个字符串发给服务器,然后接收服务器返回的字符串并打印:</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlightercpp" id="highlighter_51999">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                        <div class="line number2 index1 alt1">
                                                                2</div>
                                                        <div class="line number3 index2 alt2">
                                                                3</div>
                                                        <div class="line number4 index3 alt1">
                                                                4</div>
                                                        <div class="line number5 index4 alt2">
                                                                5</div>
                                                        <div class="line number6 index5 alt1">
                                                                6</div>
                                                        <div class="line number7 index6 alt2">
                                                                7</div>
                                                        <div class="line number8 index7 alt1">
                                                                8</div>
                                                        <div class="line number9 index8 alt2">
                                                                9</div>
                                                        <div class="line number10 index9 alt1">
                                                                10</div>
                                                        <div class="line number11 index10 alt2">
                                                                11</div>
                                                        <div class="line number12 index11 alt1">
                                                                12</div>
                                                        <div class="line number13 index12 alt2">
                                                                13</div>
                                                        <div class="line number14 index13 alt1">
                                                                14</div>
                                                        <div class="line number15 index14 alt2">
                                                                15</div>
                                                        <div class="line number16 index15 alt1">
                                                                16</div>
                                                        <div class="line number17 index16 alt2">
                                                                17</div>
                                                        <div class="line number18 index17 alt1">
                                                                18</div>
                                                        <div class="line number19 index18 alt2">
                                                                19</div>
                                                        <div class="line number20 index19 alt1">
                                                                20</div>
                                                        <div class="line number21 index20 alt2">
                                                                21</div>
                                                        <div class="line number22 index21 alt1">
                                                                22</div>
                                                        <div class="line number23 index22 alt2">
                                                                23</div>
                                                        <div class="line number24 index23 alt1">
                                                                24</div>
                                                        <div class="line number25 index24 alt2">
                                                                25</div>
                                                        <div class="line number26 index25 alt1">
                                                                26</div>
                                                        <div class="line number27 index26 alt2">
                                                                27</div>
                                                        <div class="line number28 index27 alt1">
                                                                28</div>
                                                        <div class="line number29 index28 alt2">
                                                                29</div>
                                                        <div class="line number30 index29 alt1">
                                                                30</div>
                                                        <div class="line number31 index30 alt2">
                                                                31</div>
                                                        <div class="line number32 index31 alt1">
                                                                32</div>
                                                        <div class="line number33 index32 alt2">
                                                                33</div>
                                                        <div class="line number34 index33 alt1">
                                                                34</div>
                                                        <div class="line number35 index34 alt2">
                                                                35</div>
                                                        <div class="line number36 index35 alt1">
                                                                36</div>
                                                        <div class="line number37 index36 alt2">
                                                                37</div>
                                                        <div class="line number38 index37 alt1">
                                                                38</div>
                                                        <div class="line number39 index38 alt2">
                                                                39</div>
                                                        <div class="line number40 index39 alt1">
                                                                40</div>
                                                        <div class="line number41 index40 alt2">
                                                                41</div>
                                                        <div class="line number42 index41 alt1">
                                                                42</div>
                                                        <div class="line number43 index42 alt2">
                                                                43</div>
                                                        <div class="line number44 index43 alt1">
                                                                44</div>
                                                        <div class="line number45 index44 alt2">
                                                                45</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#include &lt;stdio.h&gt;</code>
</div>
                                                                <div class="line number2 index1 alt1">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#include &lt;stdlib.h&gt;</code>
</div>
                                                                <div class="line number3 index2 alt2">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#include &lt;string.h&gt;</code>
</div>
                                                                <div class="line number4 index3 alt1">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#include &lt;unistd.h&gt;</code>
</div>
                                                                <div class="line number5 index4 alt2">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#include &lt;netinet/in.h&gt;</code>
</div>
                                                                <div class="line number6 index5 alt1">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#include &lt;arpa/inet.h&gt;</code>
</div>
                                                                <div class="line number7 index6 alt2">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#define maxline 80</code>
</div>
                                                                <div class="line number8 index7 alt1">
                                                                        <code class="cpp preprocessor">#define serv_port 8000</code>
</div>
                                                                <div class="line number9 index8 alt2">
                                                                         </div>
                                                                <div class="line number10 index9 alt1">
                                                                        <code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">main(</code><code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">argc, </code><code class="cpp color1 bold">char</code> <code class="cpp plain">*argv[])</code>
</div>
                                                                <div class="line number11 index10 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">{</code>
</div>
                                                                <div class="line number12 index11 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp keyword bold">struct</code> <code class="cpp plain">sockaddr_in servaddr;</code>
</div>
                                                                <div class="line number13 index12 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp color1 bold">char</code> <code class="cpp plain">buf;</code>
</div>
                                                                <div class="line number14 index13 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp color1 bold">int</code> <code class="cpp plain">sockfd, n;</code>
</div>
                                                                <div class="line number15 index14 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp color1 bold">char</code> <code class="cpp plain">*str;</code>
</div>
                                                                <div class="line number16 index15 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code>
</div>
                                                                <div class="line number17 index16 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp keyword bold">if</code> <code class="cpp plain">(argc != 2)</code>
</div>
                                                                <div class="line number18 index17 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">{</code>
</div>
                                                                <div class="line number19 index18 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp functions bold">fputs</code><code class="cpp plain">(</code><code class="cpp string">"usage: ./client message\n"</code><code class="cpp plain">, stderr);</code>
</div>
                                                                <div class="line number20 index19 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp functions bold">exit</code><code class="cpp plain">(1);</code>
</div>
                                                                <div class="line number21 index20 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">}</code>
</div>
                                                                <div class="line number22 index21 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">str = argv;</code>
</div>
                                                                <div class="line number23 index22 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code>
</div>
                                                                <div class="line number24 index23 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">sockfd = socket(af_inet, sock_stream, 0);</code>
</div>
                                                                <div class="line number25 index24 alt2">
                                                                         </div>
                                                                <div class="line number26 index25 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">bzero(&amp;servaddr, </code><code class="cpp keyword bold">sizeof</code><code class="cpp plain">(servaddr));</code>
</div>
                                                                <div class="line number27 index26 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">servaddr.sin_family = af_inet;</code>
</div>
                                                                <div class="line number28 index27 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">inet_pton(af_inet, </code><code class="cpp string">"127.0.0.1"</code><code class="cpp plain">, &amp;servaddr.sin_addr);</code>
</div>
                                                                <div class="line number29 index28 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">servaddr.sin_port = htons(serv_port);</code>
</div>
                                                                <div class="line number30 index29 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code>
</div>
                                                                <div class="line number31 index30 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp comments">// 由于客户端不需要固定的端口号,因此不必调用 bind(),客户端的端口号由内核自动分配。</code>
</div>
                                                                <div class="line number32 index31 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp comments">// 注意,客户端不是不允许调用 bind(),只是没有必要调用 bind() 固定一个端口号,</code>
</div>
                                                                <div class="line number33 index32 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp comments">// 服务器也不是必须调用 bind(),但如果服务器不调用 bind(),内核会自动给服务器分配监听端口,</code>
</div>
                                                                <div class="line number34 index33 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp comments">// 每次启动服务器时端口号都不一样,客户端要连接服务器就会遇到麻烦。</code>
</div>
                                                                <div class="line number35 index34 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">connect(sockfd, (</code><code class="cpp keyword bold">struct</code> <code class="cpp plain">sockaddr *)&amp;servaddr, </code><code class="cpp keyword bold">sizeof</code><code class="cpp plain">(servaddr));</code>
</div>
                                                                <div class="line number36 index35 alt1">
                                                                         </div>
                                                                <div class="line number37 index36 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">write(sockfd, str, </code><code class="cpp functions bold">strlen</code><code class="cpp plain">(str));</code>
</div>
                                                                <div class="line number38 index37 alt1">
                                                                         </div>
                                                                <div class="line number39 index38 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">n = read(sockfd, buf, maxline);</code>
</div>
                                                                <div class="line number40 index39 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp functions bold">printf</code><code class="cpp plain">(</code><code class="cpp string">"response from server:\n"</code><code class="cpp plain">);</code>
</div>
                                                                <div class="line number41 index40 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">write(stdout_fileno, buf, n);</code>
</div>
                                                                <div class="line number42 index41 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp functions bold">printf</code><code class="cpp plain">(</code><code class="cpp string">"\n"</code><code class="cpp plain">);</code>
</div>
                                                                <div class="line number43 index42 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">close(sockfd);</code>
</div>
                                                                <div class="line number44 index43 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp keyword bold">return</code> <code class="cpp plain">0;</code>
</div>
                                                                <div class="line number45 index44 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">}</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        把上面的代码保存到文件 client.c 文件中,并执行下面的命令编译:</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlighterplain" id="highlighter_320914">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="plain plain">$ gcc client.c -o client</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        然后运行编译出来的 client 程序:</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlighterplain" id="highlighter_254204">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="plain plain">$ ./client hello</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        此时服务器端会收到请求并返回转换为大写的字符串,并输出相应的信息:</p>
<p>
        <img title="Linux Socket 编程简介和实现" alt="Linux Socket 编程简介和实现" src="https://zhuji.jb51.net/uploads/img/202305/a4aa108b48b08d3dd3fad0d59bb0fa07.jpg"></p>
<p>
        而客户端在发送请求后会收到转换过的字符串:</p>
<p>
        <img title="Linux Socket 编程简介和实现" alt="Linux Socket 编程简介和实现" src="https://zhuji.jb51.net/uploads/img/202305/9915df8ae6ec247d0a3d7e3e5c16c77e.jpg"></p>
<p>
        在客户端的代码中有两点需要注意:</p>
<p>
        1. 由于客户端不需要固定的端口号,因此不必调用 bind(),客户端的端口号由内核自动分配。<br>
        2. 客户端需要调用 connect() 连接服务器,connect 和 bind 的参数形式一致,区别在于 bind 的参数是自己的地址,而 connect 的参数是对方的地址。</p>
<p>
        至此我们已经使用 socket 技术完成了一个最简单的客户端服务器程序,虽然离实际应用还非常遥远,但就学习而言已经足够了。</p>
<p>
        <strong>提升服务器端的响应能力</strong></p>
<p>
        虽然我们的服务器程序可以响应客户端的请求,但是这样的效率太低了。一般情况下服务器程序需要能够同时处理多个客户端的请求。可以通过 fork 系统调用创建子进程来处理每个请求,下面是大体的实现思路:</p>
<div class="jb51code">
        <div>
                <div class="syntaxhighlightercpp" id="highlighter_659583">
                        <div class="toolbar">
                                <span>?</span>
</div>
                        <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr>
<td class="gutter">
                                                        <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                1</div>
                                                        <div class="line number2 index1 alt1">
                                                                2</div>
                                                        <div class="line number3 index2 alt2">
                                                                3</div>
                                                        <div class="line number4 index3 alt1">
                                                                4</div>
                                                        <div class="line number5 index4 alt2">
                                                                5</div>
                                                        <div class="line number6 index5 alt1">
                                                                6</div>
                                                        <div class="line number7 index6 alt2">
                                                                7</div>
                                                        <div class="line number8 index7 alt1">
                                                                8</div>
                                                        <div class="line number9 index8 alt2">
                                                                9</div>
                                                        <div class="line number10 index9 alt1">
                                                                10</div>
                                                        <div class="line number11 index10 alt2">
                                                                11</div>
                                                        <div class="line number12 index11 alt1">
                                                                12</div>
                                                        <div class="line number13 index12 alt2">
                                                                13</div>
                                                        <div class="line number14 index13 alt1">
                                                                14</div>
                                                        <div class="line number15 index14 alt2">
                                                                15</div>
                                                        <div class="line number16 index15 alt1">
                                                                16</div>
                                                        <div class="line number17 index16 alt2">
                                                                17</div>
                                                        <div class="line number18 index17 alt1">
                                                                18</div>
                                                        <div class="line number19 index18 alt2">
                                                                19</div>
                                                        <div class="line number20 index19 alt1">
                                                                20</div>
                                                        <div class="line number21 index20 alt2">
                                                                21</div>
                                                        <div class="line number22 index21 alt1">
                                                                22</div>
                                                        <div class="line number23 index22 alt2">
                                                                23</div>
                                                        <div class="line number24 index23 alt1">
                                                                24</div>
                                                        <div class="line number25 index24 alt2">
                                                                25</div>
                                                        <div class="line number26 index25 alt1">
                                                                26</div>
                                                        <div class="line number27 index26 alt2">
                                                                27</div>
                                                        <div class="line number28 index27 alt1">
                                                                28</div>
                                                        <div class="line number29 index28 alt2">
                                                                29</div>
                                                        <div class="line number30 index29 alt1">
                                                                30</div>
                                                </td>
                                                <td class="code">
                                                        <div class="container">
                                                                <div class="line number1 index0 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">listenfd = socket(...);</code>
</div>
                                                                <div class="line number2 index1 alt1">
                                                                        <code class="cpp plain">bind(listenfd, ...);</code>
</div>
                                                                <div class="line number3 index2 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">listen(listenfd, ...);</code>
</div>
                                                                <div class="line number4 index3 alt1">
                                                                        <code class="cpp keyword bold">while</code> <code class="cpp plain">(1)</code>
</div>
                                                                <div class="line number5 index4 alt2">
                                                                        <code class="cpp plain">{</code>
</div>
                                                                <div class="line number6 index5 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">connfd = accept(listenfd, ...);</code>
</div>
                                                                <div class="line number7 index6 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">n = fork();</code>
</div>
                                                                <div class="line number8 index7 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp keyword bold">if</code> <code class="cpp plain">(n == -1)</code>
</div>
                                                                <div class="line number9 index8 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">{</code>
</div>
                                                                <div class="line number10 index9 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp functions bold">perror</code><code class="cpp plain">(</code><code class="cpp string">"call to fork"</code><code class="cpp plain">);</code>
</div>
                                                                <div class="line number11 index10 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp functions bold">exit</code><code class="cpp plain">(1);</code>
</div>
                                                                <div class="line number12 index11 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">}</code>
</div>
                                                                <div class="line number13 index12 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp keyword bold">else</code> <code class="cpp keyword bold">if</code> <code class="cpp plain">(n == 0)</code>
</div>
                                                                <div class="line number14 index13 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">{</code>
</div>
                                                                <div class="line number15 index14 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp comments">// 在子进程中处理客户端的请求。</code>
</div>
                                                                <div class="line number16 index15 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">close(listenfd);</code>
</div>
                                                                <div class="line number17 index16 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp keyword bold">while</code> <code class="cpp plain">(1)</code>
</div>
                                                                <div class="line number18 index17 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">{</code>
</div>
                                                                <div class="line number19 index18 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">      </code><code class="cpp plain">read(connfd, ...);</code>
</div>
                                                                <div class="line number20 index19 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">      </code><code class="cpp plain">...</code>
</div>
                                                                <div class="line number21 index20 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">      </code><code class="cpp plain">write(connfd, ...);</code>
</div>
                                                                <div class="line number22 index21 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">}</code>
</div>
                                                                <div class="line number23 index22 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">close(connfd);</code>
</div>
                                                                <div class="line number24 index23 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp functions bold">exit</code><code class="cpp plain">(0);</code>
</div>
                                                                <div class="line number25 index24 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">}</code>
</div>
                                                                <div class="line number26 index25 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp keyword bold">else</code>
</div>
                                                                <div class="line number27 index26 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">{</code>
</div>
                                                                <div class="line number28 index27 alt1">
                                                                        <code class="cpp spaces">    </code><code class="cpp plain">close(connfd);</code>
</div>
                                                                <div class="line number29 index28 alt2">
                                                                        <code class="cpp spaces">  </code><code class="cpp plain">}  </code>
</div>
                                                                <div class="line number30 index29 alt1">
                                                                        <code class="cpp plain">}</code>
</div>
                                                        </div>
                                                </td>
                                        </tr></tbody></table>
</div>
        </div>
</div>
<p>
        此时父进程的任务就是不断的创建子进程,而由子进程去响应客户端的具体请求。通过这种方式,可以极大的提升服务器端的响应能力。</p>
<p>
        <strong>总结</strong></p>
<p>
        本文通过一个简单的建基于 tcp 协议的网络程序介绍了 linux socket 编程中的基本概念。通过它我们可以了解到 socket 程序工作的基本原理,以及一些解决性能问题的思路。</p>
<p>
        以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持。</p>
<p>
        原文链接:http://www.cnblogs.com/sparkdev/p/8341134.html</p>
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查看完整版本: Linux Socket 编程简介和实现