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TCP三次握手、四次挥手+多线程并发处理

backend 2025/5/1 7:40:28

一、三次握手建立连接

1.1 标记位

1.2 三次握手的过程

二、四次挥手断开连接

三、模拟服务器和客户端收发数据

四、多线程并发处理

五、TCP粘包问题

5.1 什么是TCP粘包？

5.2 TCP粘包会有什么问题？

5.3 TCP粘包的解决方法？

一、三次握手建立连接

1.1 标记位

SYN：用于建立连接的初始握手。发送方发送一个SYN报文段给接收方，请求建立连接。

ACK：用于确认数据的传输。当成功接收到数据后，接收方发送一个带有ACK标记的报文段回复发送方，确认已经收到了数据。

FIN：用于关闭连接。当发送方发送完所有数据后，会发送一个带有FIN标记的报文段，请求关闭连接。接收方在收到FIN报文段后，发送一个带有ACK标记的报文段进行确认，并使用一个定时器在一段时间后关闭连接。

1.2 三次握手的过程

三次握手是TCP协议中用于建立连接的过程，具体步骤如下：

客户端向服务器发送一个SYN（同步）的数据包，表示客户端请求建立连接。该数据包中还包含客户端随机生成的初始序列号（Sequence Number，seq），比如 seq = x。
服务器收到客户端发送的SYN数据包后，向客户端发送一个ACK（确认）和SYN的组合数据包，服务器将自己的初始序列号（seq = y）发送给客户端，同时将客户端的序列号加 1 作为确认号（Acknowledgment Number，ack = x + 1），表示服务器同意建立连接，并向客户端发送确认信息。
客户端收到服务器发送的ACK和SYN的数据包后，向服务器发送一个ACK确认数据包，该包的确认号为服务器的序列号加 1（ack = y + 1），而序列号为客户端在第一次握手中发送的序列号加 1（seq = x + 1），表示客户端也同意建立连接。

经过以上三个步骤，客户端和服务器就成功建立了连接，可以开始进行数据传输。这个过程就是TCP协议中三次握手的过程。

图解如下：

二、四次挥手断开连接

四次挥手是TCP协议中用于关闭连接的过程，具体步骤如下：

第一次挥手：当客户端确定自己已经没有数据要发送时，向服务器发送一个FIN（结束）数据包，其中包含自己的序列号（seq = u），表示客户端关闭数据传输。
第二次挥手：服务器接收到客户端发送的FIN后，向客户端发送一个ACK确认数据包，确认号为客户端的序列号加 1（ack = u + 1），表示服务器收到了关闭请求。此时，服务器可能还有数据需要继续发送，所以连接不会立即关闭，而是进入半关闭状态。
第三次挥手：当服务器确定自己没有数据要发送时，向客户端发送一个FIN数据包，其中包含自己的序列号（seq = v），表示服务器也准备关闭连接。
第四次挥手：客户端接收到服务器发送的FIN后，向服务器发送一个ACK确认数据包，确认号为服务器的序列号加 1（ack = v + 1），序列号为之前发送 FIN 包时的序列号加 1（seq = u + 1），表示客户端收到了关闭请求，连接正式关闭。

通过以上四个步骤，客户端和服务器完成了关闭连接的过程。值得注意的是，四次挥手中的每一次挥手都需要对方发送确认，确保双方都能安全地关闭连接。

图解如下：

那么，挥手能不能是3次呢？答案是可以的，第二次挥手和第三次挥手是可以合并在一起的。

三、模拟服务器和客户端收发数据

服务器ser

#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 socket_init();int main()
{int sockfd=socket_init();if(sockfd==-1){exit(1);}while(1){struct sockaddr_in caddr;//记录客户端地址ip，portint len=sizeof(caddr);int c=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);//caddr存放客户端ip，port，可能会阻塞if(c<0){continue;}printf("accept c=%d\n",c);while(1){char buff[128]={0};int n=recv(c,buff,127,0);//有可能阻塞,如果返回-1则失败，是0则对方关闭了if(n<=0){break;}printf("recv:%s\n",buff);send(c,"ok",2,0);//write(c,"ok",2);}close(c);printf("cilent close\n");}
}
int socket_init()
{int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//TCP，创建套接字if(sockfd==-1){return -1;}struct sockaddr_in saddr;//ipv4地址族，对应套接字的地址memset(&saddr,0,sizeof(saddr));saddr.sin_family=AF_INET;saddr.sin_port=htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");int res=bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));//绑定ip，port，指定if(res==-1){printf("bind err\n");return -1;}res=listen(sockfd,5);//创建监听队列if(res==-1){return -1;}return sockfd;
}

先调用socket_init()函数初始化服务器端的套接字，绑定IP和端口，并开始监听连接请求。
不断循环accept()函数接受客户端的连接请求，一旦有客户端连接则创建一个新的套接字来处理与客户端的通信。
在客户端连接成功后，进入一个无限循环，不断接收客户端发送的消息，并打印消息内容。
如果接收到的消息长度小于等于0，则说明客户端关闭了连接，跳出循环，关闭与客户端的连接。
如果收到消息，则回复客户端消息为"ok"，继续接受下一条消息。

客户端cil

#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 sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sockfd==-1){exit(1);}struct sockaddr_in saddr;//服务器的地址memset(&saddr,0,sizeof(saddr));saddr.sin_family=AF_INET;saddr.sin_port=htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");int res=connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));//发起连接，三次握手if(res==-1){printf("connet err\n");exit(1);}while(1){printf("input:\n");char buff[128]={0};fgets(buff,128,stdin);if(strncmp(buff,"end",3)==0){break;}send(sockfd,buff,strlen(buff)-1,0);memset(buff,0,128);recv(sockfd,buff,127,0);printf("buff=%s\n",buff);}close(sockfd);exit(0);
}

创建了一个套接字socket，并指定为AF_INET和SOCK_STREAM，表示使用IPv4和TCP协议。
初始化服务器的地址saddr，包括IP地址为"127.0.0.1"、端口号为6000等信息。
调用connect()函数连接到服务器端，进行三次握手建立连接。
进入一个循环，不断接收用户输入的消息，将消息发送给服务器，并接收服务器的回复。
如果用户输入为"end"，则跳出循环，关闭套接字，结束程序。

运行结果：

那么send后会直接将数据发送出去吗？答案不然，会将数据先发送到发送缓冲区，然后将数据发给接收缓冲区，最后才会接收到数据。

我们来验证一下：

把ser.c中的int n = recv(c,buff,127,0)改为int n = recv(c,buff,1,0)，执行后结果：

每输一个应该输出五个ok，但此时只输出一个ok，剩下四个ok在recv的缓冲区中，4个ok八个字符所以缓冲区有8个字符。

通过netstat -natp 命令可以显示

再输入一个a，输出四个ok

此时缓冲区中有一个ok，2个字符

TCP字节流服务

四、多线程并发处理

服务器ser

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<pthread.h>int socket_init();
void* fun(void* arg)
{int* p=(int*)arg;int c=*p;free(p);while(1){char buff[128]={0};int n=recv(c,buff,127,0);//有可能阻塞,如果返回-1则失败，是0则对方关闭了if(n<=0){break;}printf("recv:%s\n",buff);send(c,"ok",2,0);//write(c,"ok",2);}close(c);printf("cilent close\n");
}
int main()
{int sockfd=socket_init();if(sockfd==-1){exit(1);}while(1){struct sockaddr_in caddr;//记录客户端地址ip，portint len=sizeof(caddr);int c=accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);//caddr存放客户端ip，port，可能会阻塞if(c<0){continue;}printf("accept c=%d\n",c);int* p=(int*)malloc(sizeof(int));if(p==NULL){close(c);continue;}*p=c;pthread_t id;pthread_create(&id,NULL,fun,(void*)p);}
}
int socket_init()
{int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//TCP，创建套接字if(sockfd==-1){return -1;}struct sockaddr_in saddr;//ipv4地址族，对应套接字的地址memset(&saddr,0,sizeof(saddr));saddr.sin_family=AF_INET;saddr.sin_port=htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");int res=bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));//绑定ip，port，指定if(res==-1){printf("bind err\n");return -1;}res=listen(sockfd,5);//创建监听队列if(res==-1){return -1;}return sockfd;
}

客户端cil

#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 sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(sockfd==-1){exit(1);}struct sockaddr_in saddr;//服务器的地址memset(&saddr,0,sizeof(saddr));saddr.sin_family=AF_INET;saddr.sin_port=htons(6000);saddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");int res=connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));//发起连接，三次握手if(res==-1){printf("connet err\n");exit(1);}while(1){printf("input:\n");char buff[128]={0};fgets(buff,128,stdin);if(strncmp(buff,"end",3)==0){break;}send(sockfd,buff,strlen(buff)-1,0);memset(buff,0,128);recv(sockfd,buff,127,0);printf("buff=%s\n",buff);}close(sockfd);exit(0);
}

运行结果：