如何搭建一个高效的C语言TCP服务器？

TCP服务器是一种基于传输控制协议（TCP）的网络服务端程序，用于处理客户端的连接请求并实现数据的可靠传输。它通过监听指定端口，接收客户端连接，进行数据交换和处理。

在网络编程中，C 语言编写的 TCP 服务器是一个基础且重要的应用，它允许不同设备上的应用程序通过可靠的字节流进行通信。

一、创建套接字

使用socket() 函数创建一个套接字，指定协议族为AF_INET（IPv4），套接字类型为SOCK_STREAM（面向连接的流式套接字），通常协议参数为0，表示使用默认协议：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd < 0) {
    perror("socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

二、绑定地址

定义一个sockaddr_in 结构体来存储服务器的 IP 地址和端口号，并使用bind() 函数将套接字与该地址绑定：

struct sockaddr_in address;
address.sin_family = AF_INET;
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定到所有可用接口
address.sin_port = htons(PORT); // 将端口号转换为网络字节序
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
    perror("bind failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

三、监听连接

调用listen() 函数使套接字进入被动监听状态，准备接受客户端的连接请求：

if (listen(sockfd, 3) < 0) { // 监听队列长度设置为 3
    perror("listen failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

四、接受连接

当有客户端请求连接时，使用accept() 函数接受连接，并返回一个新的套接字描述符用于与该客户端通信：

int new_socket;
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t addrlen = sizeof(client_address);
new_socket = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_address, &addrlen);
if (new_socket < 0) {
    perror("accept failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

五、处理请求

通过读写套接字来实现数据的收发，从客户端接收数据并发送响应：

char buffer[1024] = {0};
int valread = read(new_socket, buffer, 1024);
if (valread < 0) {
    perror("read failed");
} else {
    printf("Received: %s
", buffer);
}
char *response = "Hello from server";
send(new_socket, response, strlen(response), 0);

六、关闭连接

处理完请求后，关闭客户端套接字，并在适当的时候关闭服务器套接字：

close(new_socket);
// 当服务器不再需要运行时
close(sockfd);

以下是一个完整的示例代码：

#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 8080
int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[1024] = {0};
    char *hello = "Hello from server";
    // 创建套接字文件描述符
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    // 强制将套接字与端口 8080 绑定
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);
    // 将套接字绑定到端口 8080
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address))<0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (listen(server_fd, 3) < 0) { // 监听套接字，最多可容纳 3 个挂起连接
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen))<0) {
        perror("accept");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    int valread = read(new_socket, buffer, 1024); // 读取客户端发送的数据
    printf("%s
",buffer );
    send(new_socket, hello, strlen(hello), 0); // 向客户端发送响应数据
    printf("Hello message sent
");
    close(new_socket); // 关闭客户端套接字
    close(server_fd); // 关闭服务器套接字
    return 0;
}

七、常见问题及解答

问题1：如何同时处理多个客户端连接？

答：可以使用多线程或多进程的方式，每当有新的客户端连接时，创建一个新的线程或进程来处理该连接，这样可以同时处理多个客户端的请求，也可以使用 I/O 多路复用技术，如select、poll 或epoll，来高效地管理多个套接字。

问题2：如果服务器需要一直运行，应该如何实现？

答：可以将服务器代码放在一个无限循环中，不断接受新的连接并处理，可以添加一些信号处理机制，以便在接收到终止信号（如Ctrl+C）时能够优雅地关闭服务器。