【Linux 网络编程】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，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。

 

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 = 8000;                // 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, 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);
    
    // 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 != 0)
    {
        perror("connect");
        close(sockfd);
        exit(-1);
    }
    
    system("netstat -an | grep 8000");    // 查看连接状态
    while(1);
    return 0;
}

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 = 8000;    
 
    int sockfd;
    // 创建套接字
    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);

    // 绑定 ip+port    
    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...
",port);
    
    sleep(10);    // 延时10s
 
    system("netstat -an | grep 8000");    // 查看连接状态
    
    return 0;
}

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-7050:~/codeSelf/netWorkProgramme/tcpCode$ ./serverTest1 
listen client @port=8000...
tcp        0      0 0.0.0.0:8000            0.0.0.0:*               LISTEN     
tcp        0      0 127.0.0.1:51702         127.0.0.1:8000          ESTABLISHED
tcp        0      0 127.0.0.1:8000          127.0.0.1:51702         ESTABLISHED

客户端输出：

mi@mi-OptiPlex-7050:~/codeSelf/netWorkProgramme/tcpCode$ ./clientTest1 
tcp        0      0 0.0.0.0:8000            0.0.0.0:*               LISTEN     
tcp        0      0 127.0.0.1:51702         127.0.0.1:8000          ESTABLISHED
tcp        0      0 127.0.0.1:8000          127.0.0.1:51702         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。

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。