3. TCP客户端与服务端：TCP三次握手与四次挥手、bind/listen/accept/connect函数详解、简单的回射服务器

说实话，TCP 这块内容，是网络编程里最绕不开的硬骨头。我当年刚入行时，被三次握手和四次挥手折磨得够呛——背了无数遍状态图，一到写代码就懵。后来在项目里踩过几次坑，才真正理解这些机制到底在干什么。

今天咱们就把 TCP 客户端和服务端的核心逻辑拆开揉碎。从握手挥手，到那几个关键函数，最后撸一个简单的回射服务器。嗯，跟着我走一遍，你也能写出健壮的 TCP 程序。

3.1 TCP 三次握手：连接是怎么建立的？

先问一个问题：客户端和服务端之间，怎么知道对方准备好了？

TCP 用三次握手来解决这个问题。说白了，就是双方互相确认「我在，你也在，咱们可以聊了」。

为什么是三次，不是两次？我举个例子你就明白了。假设只有两次握手：客户端发 SYN，服务端回 ACK，连接就算建立了。但如果这个 SYN 在网络中延迟了，客户端超时重传了一个新的 SYN，服务端又回了 ACK。这时候第一个延迟的 SYN 到了，服务端会误以为客户端又要建立新连接，白白浪费资源。三次握手能避免这种「历史重复连接」的问题。

我在项目中遇到过一个问题：客户端频繁重连时，服务端出现大量 TIME_WAIT 状态的连接。后来排查发现，是客户端没有正确处理三次握手中的 ACK 丢失场景。嗯，这个后面讲四次挥手时会细说。

3.2 TCP 四次挥手：连接是怎么关闭的？

有建立就有关闭。四次挥手比握手复杂一点，因为 TCP 连接是全双工的——双方可以同时收发数据。关闭时，每一方向都要单独关闭自己的发送通道。

注意第二步和第三步之间，被动关闭方可能还在发送数据。这就是为什么挥手需要四次，而不是三次。

我曾经踩过一个坑：服务端主动关闭连接后，没有处理 TIME_WAIT 状态。结果端口被占用，导致服务端无法立即重启。后来我在代码里加了 SO_REUSEADDR 选项，才解决这个问题。

3.3 核心函数详解：bind/listen/accept/connect

这几个函数是 TCP 编程的基石。我习惯把它们分成两组：服务端用的（bind、listen、accept）和客户端用的（connect）。

3.3.1 bind() — 绑定地址和端口

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

bind 的作用，就是把 socket 和一个具体的 IP 地址、端口号绑定在一起。服务端必须调用 bind，否则客户端不知道往哪连。

有几个细节要注意：

• 端口号小于 1024 的需要 root 权限。我刚开始写程序时，老用 80 端口，结果 bind 总是失败，后来才发现是权限问题。
• 可以绑定 INADDR_ANY（0.0.0.0），表示监听所有网络接口。这在服务器有多块网卡时特别有用。
• 如果端口被占用，bind 会返回 -1，错误码 EADDRINUSE。这时候可以用 SO_REUSEADDR 选项来重用地址。

3.3.2 listen() — 开始监听

int listen(int sockfd, int backlog);

listen 把 socket 从主动模式变成被动模式，开始等待客户端连接。backlog 参数指定了连接队列的最大长度。

你想想看，如果客户端连接来得太快，服务端来不及处理，这些连接就会排队。backlog 就是队列的上限。超过这个数，客户端会收到 ECONNREFUSED。

3.3.3 accept() — 接受连接

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

accept 从连接队列里取出一个已完成三次握手的连接，返回一个新的 socket 文件描述符。这个新 socket 专门用于和客户端通信，原来的监听 socket 继续等待新连接。

accept 是阻塞的——如果没有新连接，它会一直等。当然，你可以用非阻塞模式或者 select/epoll 来避免阻塞。

3.3.4 connect() — 发起连接

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

connect 是客户端用的。它发起三次握手，如果成功返回 0，失败返回 -1。

connect 也是阻塞的，默认会等待 75 秒（不同系统略有差异）才超时。我在写客户端程序时，一般会设置 SO_SNDTIMEO 来控制超时时间，避免用户等太久。

3.4 简单的回射服务器

理论说完了，咱们写个实际能跑的程序。回射服务器（echo server）是最简单的 TCP 服务：客户端发什么，服务端原样返回什么。

3.4.1 服务端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int server_fd, client_fd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_len;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    ssize_t n;

    // 1. 创建 socket
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd < 0) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    // 2. 设置地址重用（避免 TIME_WAIT 问题）
    int opt = 1;
    setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));

    // 3. 绑定地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind");
        close(server_fd);
        exit(1);
    }

    // 4. 开始监听
    if (listen(server_fd, 128) < 0) {
        perror("listen");
        close(server_fd);
        exit(1);
    }

    printf("Echo server listening on port %d...\n", PORT);

    // 5. 循环接受连接
    while (1) {
        client_len = sizeof(client_addr);
        client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
        if (client_fd < 0) {
            perror("accept");
            continue;
        }

        printf("New client connected\n");

        // 6. 回射数据
        while ((n = read(client_fd, buffer, BUFFER_SIZE)) > 0) {
            write(client_fd, buffer, n);
        }

        printf("Client disconnected\n");
        close(client_fd);
    }

    close(server_fd);
    return 0;
}

3.4.2 客户端代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    int sock_fd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    ssize_t n;

    // 1. 创建 socket
    sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock_fd < 0) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }

    // 2. 设置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);

    // 3. 连接服务器
    if (connect(sock_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("connect");
        close(sock_fd);
        exit(1);
    }

    printf("Connected to server\n");

    // 4. 发送数据并接收回射
    while (1) {
        printf("Enter message: ");
        if (fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin) == NULL) {
            break;
        }

        write(sock_fd, buffer, strlen(buffer));

        n = read(sock_fd, buffer, BUFFER_SIZE);
        if (n <= 0) {
            break;
        }

        buffer[n] = '\0';
        printf("Echo: %s", buffer);
    }

    close(sock_fd);
    return 0;
}

3.5 核心流程可视化

下面这张图把整个 TCP 通信流程串起来了。从 socket 创建，到三次握手建立连接，再到数据收发，最后四次挥手关闭连接。你对照着代码看，会更清晰。

3.6 几个容易踩的坑

代码写完了，图也画了，我再分享几个实际项目中遇到的坑：

• bind 失败：端口被占用是最常见的。用 netstat -tlnp | grep 端口号 查一下谁在用。记得加 SO_REUSEADDR。
• accept 返回 -1：如果客户端在三次握手完成前断开了连接，accept 可能返回 ECONNABORTED。这时候不要 panic，继续 accept 就行。
• read 返回 0：表示对方关闭了连接。很多新手会忽略这个，导致死循环。记住，read 返回 0 就是对方说拜拜了。
• write 被信号中断：write 返回 -1 且 errno 是 EINTR 时，重试即可。这不是真正的错误。

好了，TCP 客户端和服务端的基础就讲到这里。代码你可以直接拿去跑，跑通了再回头看看三次握手和四次挥手的流程，会有更深的理解。

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