【Linux 网络编程】TCP网络编程中connect()、listen()和accept()三者之间的关系

时间:2021-03-29 14:22:32

基于 TCP 的网络编程开发分为服务器端和客户端两部分,常见的核心步骤和流程如下:

【Linux 网络编程】TCP网络编程中connect()、listen()和accept()三者之间的关系

connect()函数:
对于客户端的 connect() 函数,该函数的功能为客户端主动连接服务器,建立连接是通过三次握手,而这个连接的过程是由内核完成,不是这个函数完成的,这个函数的作用仅仅是通知 Linux 内核,让 Linux 内核自动完成 TCP 三次握手连接,最后把连接的结果返回给这个函数的返回值(成功连接为0, 失败为-1)。

通常的情况,客户端的 connect() 函数默认会一直阻塞,直到三次握手成功或超时失败才返回(正常的情况,这个过程很快完成)。

listen()函数:
对于服务器,它是被动连接的。举一个生活中的例子,通常的情况下,移动的客服(相当于服务器)是等待着客户(相当于客户端)电话的到来。而这个过程,需要调用listen()函数。

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

listen() 函数的主要作用就是将套接字( sockfd )变成被动的连接监听套接字(被动等待客户端的连接),至于参数 backlog 的作用是设置内核中连接队列的长度(这个长度有什么用,后面做详细的解释),TCP 三次握手也不是由这个函数完成,listen()的作用仅仅告诉内核一些信息

这里需要注意的是,listen()函数不会阻塞,它主要做的事情为:将该套接字和套接字对应的连接队列长度告诉 Linux 内核,然后,listen()函数就结束

这样的话,当有一个客户端主动连接(connect()),Linux 内核就自动完成TCP 三次握手,将建立好的链接自动存储到队列中,如此重复。

【Linux 网络编程】TCP网络编程中connect()、listen()和accept()三者之间的关系

所以,只要 TCP 服务器调用了 listen()(注意listen函数并不会阻塞),客户端就可以通过 connect() (这里connect是阻塞的)和服务器建立连接,而这个连接的过程是由内核完成。
下面为测试的服务器和客户端代码,运行程序时,要先运行服务器,再运行客户端:

客户端:

 /*************************************************************************
> File Name: clientTest1.c
> Summary: TCP编程 验证在server端调用listen之后,3次握手完成 客户端
> Author: xuelisheng
> Created Time: 2018年12月19日
************************************************************************/ #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
unsigned short port = ; // 服务器的端口号
char *server_ip = "127.0.0.1"; // 服务器ip地址 int sockfd;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );// 创建通信端点:套接字
if(sockfd < )
{
perror("socket");
exit(-);
} struct sockaddr_in server_addr;
bzero(&server_addr,sizeof(server_addr)); // 初始化服务器地址
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(port);
inet_pton(AF_INET, server_ip, &server_addr.sin_addr); // 阻塞等待server端调用listen,如果此函数执行完,则3次握手完成
int err_log = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); // 主动连接服务器
if(err_log != )
{
perror("connect");
close(sockfd);
exit(-);
} system("netstat -an | grep 8000"); // 查看连接状态
while();
return ;
}

服务端:

 /*************************************************************************
> File Name: serverTest1.c
> Summary: TCP编程 服务端
> Author: xuelisheng
> Created Time: 2018年12月19日
************************************************************************/ #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
unsigned short port = ; int sockfd;
// 创建套接字
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, );// 创建通信端点:套接字
if(sockfd < )
{
perror("socket");
exit(-);
} struct sockaddr_in my_addr;
bzero(&my_addr, sizeof(my_addr));
my_addr.sin_family = AF_INET;
my_addr.sin_port = htons(port);
my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // 绑定 ip+port
int err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr));
if( err_log != )
{
perror("binding");
close(sockfd);
exit(-);
} err_log = listen(sockfd, );
if(err_log != )
{
perror("listen");
close(sockfd);
exit(-);
} printf("listen client @port=%d...\n",port); sleep(); // 延时10s system("netstat -an | grep 8000"); // 查看连接状态 return ;
}

这里服务端先执行,执行完listen函数,接下来休眠10s......  此时起客户端服务,connect后,3次握手完成。值得注意的是,服务端的函数并不会阻塞等到client端的connect的到来。

服务端输出:

mi@mi-OptiPlex-:~/codeSelf/netWorkProgramme/tcpCode$ ./serverTest1
listen client @port=...
tcp 0.0.0.0: 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 127.0.0.1: 127.0.0.1: ESTABLISHED
tcp 127.0.0.1: 127.0.0.1: ESTABLISHED

客户端输出:

mi@mi-OptiPlex-:~/codeSelf/netWorkProgramme/tcpCode$ ./clientTest1
tcp 0.0.0.0: 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 127.0.0.1: 127.0.0.1: ESTABLISHED
tcp 127.0.0.1: 127.0.0.1: ESTABLISHED

三次握手的连接队列
这里详细的介绍一下 listen() 函数的第二个参数( backlog)的作用:告诉内核连接队列的长度。

为了更好的理解 backlog 参数,我们必须认识到内核为任何一个给定的监听套接口维护两个队列

1、未完成连接队列(incomplete connection queue),每个这样的 SYN 分节对应其中一项:已由某个客户发出并到达服务器,而服务器正在等待完成相应的 TCP 三次握手过程。这些套接口处于 SYN_RCVD 状态

2、已完成连接队列(completed connection queue),每个已完成 TCP 三次握手过程的客户对应其中一项。这些套接口处于 ESTABLISHED 状态

【Linux 网络编程】TCP网络编程中connect()、listen()和accept()三者之间的关系

当来自客户的 SYN 到达时,TCP 在未完成连接队列中创建一个新项,然后响应以三次握手的第二个分节:服务器的 SYN 响应,其中稍带对客户 SYN 的 ACK(即SYN+ACK),这一项一直保留在未完成连接队列中,直到三次握手的第三个分节(客户对服务器 SYN 的 ACK )到达或者该项超时为止(曾经源自Berkeley的实现为这些未完成连接的项设置的超时值为75秒)。

如果三次握手正常完成,该项就从未完成连接队列移到已完成连接队列的队尾。

backlog 参数历史上被定义为上面两个队列的大小之和,大多数实现默认值为 5,当服务器把这个完成连接队列的某个连接取走后,这个队列的位置又空出一个,这样来回实现动态平衡,但在高并发 web 服务器中此值显然不够。

accept()函数
accept()函数功能是,从处于 established 状态的连接队列头部取出一个已经完成的连接如果这个队列没有已经完成的连接,accept()函数就会阻塞,直到取出队列中已完成的用户连接为止

如果,服务器不能及时调用 accept() 取走队列中已完成的连接,队列满掉后会怎样呢?UNP(《unix网络编程》)告诉我们,服务器的连接队列满掉后,服务器不会对再对建立新连接的syn进行应答,所以客户端的 connect 就会返回 ETIMEDOUT。但实际上Linux的并不是这样的!

下面为测试代码,服务器 listen() 函数只指定队列长度为 2,客户端有 6 个不同的套接字主动连接服务器,同时,保证客户端的 6 个 connect()函数都先调用完毕,服务器的 accpet() 才开始调用。