UNIX网络编程 - Chapter 5 TCP 客户/服务器程序示例

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Chapter 5 TCP 客户/服务器程序示例

这一章主要把 TCP 客户端/服务器在代码层面的关键点串起来：read() 的返回值语义、socket 的“身份信息”（本地/远端地址端口）、以及并发服务器里子进程回收（僵尸进程）的问题。

read() 返回值语义

  • > 0：实际读到的字节数
  • == 0：对端关闭（EOF），再读也读不到数据
  • -1：出错，需要结合 errno 判断
    • EAGAIN / EWOULDBLOCK：非阻塞读且当前无数据可读
    • EINTR：慢速系统调用被信号中断（通常可以重试）
    • 其他：真实错误，需要按场景处理

Socket 地址结构（内核视角）

下面是一个简化版示意：内核为每个 socket 维护状态、本地/远端地址端口、收发缓冲区等信息。

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// 内核为每个 socket 维护的数据结构(简化版)
struct socket {
	// 连接状态
	int state;

	// 本地地址和端口
	struct sockaddr_in local_addr;

	// 远程地址和端口
	struct sockaddr_in remote_addr;

	// 接收缓冲区(读缓冲区)
	struct sk_buff_head receive_queue;

	// 发送缓冲区(写缓冲区)
	struct sk_buff_head send_queue;

	// TCP 连接状态信息
	struct tcp_info tcp_state;

	// 其他控制信息...
};

flowchart LR
	subgraph UserSpace [用户进程空间]
		direction TB
		APP["你的应用程序<br>(Client/Server)"]
		FD["文件描述符 (FD)"]
		APP <-->|读 / 写| FD
	end

	subgraph KernelSpace [操作系统内核]
		direction TB
		SOCK{"struct socket<br/>(套接字大管家)"}

		STATE(("连接状态<br/>(state)"))

		subgraph Addr [身份信息]
			LOCAL["本地地址<br/>(local_addr)"]
			REMOTE["远程地址<br/>(remote_addr)"]
		end

		subgraph Buffers [缓冲区]
			RECV["接收队列<br/>(receive_queue)"]
			SEND["发送队列<br/>(send_queue)"]
		end

		TCPCB["TCP 状态控制<br/>(tcp_state)"]

		SOCK --- STATE
		SOCK --- Addr
		SOCK --- Buffers
		SOCK --- TCPCB
	end

	subgraph Hardware [物理网络设备]
		NIC["网卡驱动 & 物理网卡"]
		INTERNET(("Internet"))
		NIC <--> INTERNET
	end

	%% 数据流转路径
	FD == "read() / recv()" === RECV
	FD == "write() / send()" === SEND

	RECV -. "内核协议栈解析后放入" .-> NIC
	SEND -. "内核协议栈打包后发出" .-> NIC

子进程回收：为什么要处理 SIGCHLD

在多进程并发服务器中，子进程退出后会向父进程发送 SIGCHLD 信号：

  • 默认行为通常是忽略，但这不等价于“自动回收”。
  • 子进程终止后，内核会保留进程表条目（PID、退出状态等）。父进程若不 wait()/waitpid()，子进程会变成僵尸进程。
  • 僵尸进程大量积累会导致 PID 资源被耗尽，影响后续 fork()。

典型做法：注册 SIGCHLD 处理函数，在里面循环 waitpid(-1, ..., WNOHANG) 回收所有已退出的子进程。

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// 1) 定义信号处理函数来回收子进程
void catch_child(int signum) {
	// 使用 while 是因为多个 SIGCHLD 可能会合并，避免漏收
	while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0) {
	}
}

// 2) 在 accept 之前注册信号处理函数
signal(SIGCHLD, catch_child);

// 3) 处理 accept 被信号打断的情况
for (;;) {
	int cfd = accept(lfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
	if (cfd < 0) {
		if (errno == EINTR) continue; // 被信号打断，重启 accept
		break;
	}
	// fork / close / 业务处理...
}

补充：read()/write() 不一定“读满/写满”

  • TCP 是字节流协议：一次 read() 可能读到一部分数据；一次 write() 也可能只写出部分数据。
  • 需要按协议自行“组包/拆包”，或者使用 readn/writen 这类循环读写封装。