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

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：

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（三次握手详情，请看《浅谈
TCP 三次握手》），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。

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#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。

所以，只要 TCP 服务器调用了 listen()，客户端就可以通过 connect() 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：

服务器：

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#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 = 8000;   

  

    int sockfd;  

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 创建通信端点：套接字  

    if(sockfd < 0)  

    {  

        perror("socket");  

        exit(-1);  

    }  

      

    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);  

      

    int err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr));  

    if( err_log != 0)  

    {  

        perror("binding");  

        close(sockfd);        

        exit(-1);  

    }  

      

    err_log = listen(sockfd, 10);  

    if(err_log != 0)  

    {  

        perror("listen");  

        close(sockfd);        

        exit(-1);  

    }     

      

    printf("listen client @port=%d...\n",port);  

      

    sleep(10);  // 延时10s  

  

    system("netstat -an | grep 8000");  // 查看连接状态  

      

    return 0;  

}  

客户端：

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#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 = 8000;             // 服务器的端口号  

    char *server_ip = "10.221.20.12";       // 服务器ip地址  

  

    int sockfd;  

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 创建通信端点：套接字  

    if(sockfd < 0)  

    {  

        perror("socket");  

        exit(-1);  

    }  

      

    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);  

      

    int err_log = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));      // 主动连接服务器  

    if(err_log != 0)  

    {  

        perror("connect");  

        close(sockfd);  

        exit(-1);  

    }  

      

    system("netstat -an | grep 8000");  // 查看连接状态  

      

    while(1);  

  

    return 0;  

}  

运行程序时，要先运行服务器，再运行客户端，运行结果如下：

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。



 

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。

服务器：

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#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 = 8000;           

      

    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);     

    if(sockfd < 0)  

    {  

        perror("socket");  

        exit(-1);  

    }  

      

    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);  

      

    int err_log = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(my_addr));  

    if( err_log != 0)  

    {  

        perror("binding");  

        close(sockfd);        

        exit(-1);  

    }  

      

    err_log = listen(sockfd, 2);    // 等待队列为2  

    if(err_log != 0)  

    {  

        perror("listen");  

        close(sockfd);        

        exit(-1);  

    }     

    printf("after listen\n");  

      

    sleep(20);  //延时 20秒  

      

    printf("listen client @port=%d...\n",port);  

  

    int i = 0;  

      

    while(1)  

    {     

      

        struct sockaddr_in client_addr;          

        char cli_ip[INET_ADDRSTRLEN] = "";       

        socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr);      

          

        int connfd;  

        connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);         

        if(connfd < 0)  

        {  

            perror("accept");  

            continue;  

        }  

  

        inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, cli_ip, INET_ADDRSTRLEN);  

        printf("-----------%d------\n", ++i);  

        printf("client ip=%s,port=%d\n", cli_ip,ntohs(client_addr.sin_port));  

          

        char recv_buf[512] = {0};  

        while( recv(connfd, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0) > 0 )  

        {  

            printf("recv data ==%s\n",recv_buf);  

            break;  

        }  

          

        close(connfd);     //关闭已连接套接字  

        //printf("client closed!\n");  

    }  

    close(sockfd);         //关闭监听套接字  

    return 0;  

}  

客户端：

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#include <stdio.h>  

#include <unistd.h>  

#include <string.h>  

#include <stdlib.h>  

#include <arpa/inet.h>  

#include <sys/socket.h>  

#include <netinet/in.h>  

  

void test_connect()  

{  

    unsigned short port = 8000;             // 服务器的端口号  

    char *server_ip = "10.221.20.12";       // 服务器ip地址  

      

    int sockfd;  

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);// 创建通信端点：套接字  

    if(sockfd < 0)  

    {  

        perror("socket");  

        exit(-1);  

    }  

      

    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);  

      

    int err_log = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));      // 主动连接服务器  

    if(err_log != 0)  

    {  

        perror("connect");  

        close(sockfd);  

        exit(-1);  

    }  

      

    printf("err_log ========= %d\n", err_log);  

      

    char send_buf[100]="this is for test";  

    send(sockfd, send_buf, strlen(send_buf), 0);   // 向服务器发送信息  

      

    system("netstat -an | grep 8000");  // 查看连接状态  

      

    //close(sockfd);  

}  

  

int main(int argc, char *argv[])  

{  

    pid_t pid;  

    pid = fork();  

      

    if(0 == pid){  

  

        test_connect();     // 1  

          

        pid_t pid = fork();  

        if(0 == pid){  

            test_connect(); // 2  

          

        }else if(pid > 0){  

            test_connect(); // 3  

        }  

          

    }else if(pid > 0){  

          

        test_connect(); // 4  

          

        pid_t pid = fork();  

        if(0 == pid){  

            test_connect(); // 5  

          

        }else if(pid > 0){  

            test_connect(); // 6  

        }  

      

    }  

  

    while(1);  

      

    return 0;  

}  

同样是先运行服务器，在运行客户端，服务器 accept()函数前延时了 20 秒， 保证了客户端的 connect() 全部调用完毕后再调用 accept(),运行结果如下：

服务器运行效果图：





客户端运行效果图：



按照 UNP 的说法，连接队列满后（这里设置长度为 2，发了 6 个连接），以后再调用 connect() 应该统统超时失败，但实际上测试结果是：有的 connect()立刻成功返回了，有的经过明显延迟后成功返回了。对于服务器 accpet() 函数也是这样的结果：有的立马成功返回，有的延迟后成功返回。

对于上面服务器的代码，我们把lisen()的第二个参数改为 0 的数，重新运行程序，发现：

客户端 connect() 全部返回连接成功（有些会延时）：



服务器 accpet() 函数却不能把连接队列的所有连接都取出来：



对于上面服务器的代码，我们把lisen()的第二个参数改为大于 6 的数(如 10)，重新运行程序，发现，客户端 connect() 立马返回连接成功， 服务器 accpet() 函数也立马返回成功。

TCP 的连接队列满后，Linux 不会如书中所说的拒绝连接，只是有些会延时连接，而且accept()未必能把已经建立好的连接全部取出来（如：当队列的长度指定为 0 ），写程序时服务器的
listen() 的第二个参数最好还是根据需要填写，写太大不好（具体可以看cat /proc/sys/net/core/somaxconn，默认最大值限制是 128），浪费资源，写太小也不好，延时建立连接。