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标题: 编写一个简单的TCP服务端和客户端 [打印本页]

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作者: admin    时间: 2020-5-9 01:53
标题: 编写一个简单的TCP服务端和客户端

实验环境是linux系统，效果如下：

1.启动服务端程序，监听在6666端口上

2.启动客户端，与服务端建立TCP连接

3.建立完TCP连接，在客户端上向服务端发送消息

4.断开连接

实现的功能很简单，但是对于初来乍到的我费了不少劲，因此在此总结一下，如有错点请各位大神指点指点

9 u2 ^% d* q2 l. B, m+ G

什么是SOCKET（插口）：

     这里不用 "套接字" 而是用 "插口" 是因为在《TCP/IP协议卷二》中，翻译时也是用 "插口" 来表示socket的。
3 ~0 |2 j/ m2 l  v* B

     "套接字" 这词不知道又是哪个教授级人物造出来的，听起来总是很怪，虽然可以避免语义上的歧义，但不明显。

      对插口通俗的理解就是：它是一个可以用来输入或者输出的网络端，另一端也具有同样相对应的操作。

      具体其他高级的定义不是这里的重点。值得说的是：

      每个插口都可以标识某个程序通信的一端，通过系统调用使得程序与网络设备之间的交流连接起来。

      应用程序 -> 系统调用 -> 插口层 -> 协议层 -> 接口层  ->发送（接收的话与之相反）
8 @# ?' P" L* u+ F( a$ |' o2 s

) s  a1 e) B# Q9 f

如何标识一个SOCKET：

       如上定义所述，可以通过地址，协议，端口三要素来确定一个通信端，而在linux C程序中使用 标识符 来标识一个

       SOCKET，Unix系统对设备的读写操作等同于对描述符的读写操作，标识符可以用于：插口 管道 目录 设备 文件等等
$ q( c  B* ?& X' }6 B" C

       描述符是个正整数，事实上他是检查表表项中的一个下标，用于指向打开文件表的结构。

       述符前三个标识符0  1  2 分别系统保留：标准输入（键盘），标准输出（屏幕），标准错误输出

       当我们使用新的描述符来创建socket时，他一般从最小未使用的数字开始分配，也就是3

服务端实现的流程：

       1.服务端开启一个SOCKET（socket函数）

       2.使用SOCKET绑定一个端口号（bind函数）

       3.在这个端口号上开启监听功能（listen函数）

       4.当有对端发送连接请求，向其发送ack+syn建立连接（accept函数）

       5.接收或者回复消息（read函数 write函数）

* h! W7 m" S/ S; M# m* e

客户端实现流程：

      1.打开一个SOCKET

      2.向指定的IP 和端口号发起连接（connect函数）

      3.接收或者发送消息（send函数  recv函数）

4 j! w3 r  K8 W1 ?* Q) x

5 _) O2 \2 o1 ?' P: @* H

如何并发处理：

      如果按照以上流程实现其实并不难，但是有个缺陷，因为C语言是按顺序单一流程运行，也就是说如果

      直接在程序当中使用accept函数（建立连接）的话，那么程序会阻塞在accept这里，这是因为如果客户端

      一直没有发送connect连接，那么accept就无法得知客户端的IP和端口，也就只能一直等待（阻塞）直到

      有请求触发继续执行为止，这样就导致如果同时多个客户向服务端发送请求连接，那么服务端只能按照

      单一线程去处理第一个客户端，无法开启多个线程同时处理多个用户的请求。

如何解决：

下面摘文截取网上的资料，有兴趣者可以看看

系统提供select函数来实现多路复用输入/输出模型，该函数用于在非阻塞中，当一个套接字或一组套接字有信号时通知你

1. int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, exceptfds, const struct timeval* timeout);

复制代码

所在的头文件为：

1. #include <sys/time.h>
   
2. 
   " H% o8 G: Z! W$ x6 Y! ?! `8 {
3. #include <unistd.h>

复制代码

  功能：测试指定的fd是否可读，可写 或者 是否有异常条件待处理

    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

* Q/ p" X7 L/ g) A( S    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

    exceptset用来检查是否有异常条件出现的文件描述字。(注：不包括错误)

0 H5 z  }8 M$ f/ k! I    timeout  用于描述一段时间长度，如果在这个时间内，需要监视的描述符没有事件发生则函数返回，返回值为0。
3 ]' s; ^! f# B' G; V& r9 C
, }* u: \' f" t! t% H2 q    对于select函数的功能简单的说就是对文件fd做一个测试。测试结果有三种可能：
3 H; M$ p/ d$ b2 t) v  e; j

9 t( F) W  x; F  J3 j

1. 1.timeout=NULL                 （阻塞：select将一直被阻塞，直到某个文件描述符上发生了事件）
   
2. 
   
3.     2.timeout所指向的结构设为非零时间  （等待固定时间：如果在指定的时间段里有事件发生或者时间耗尽，函数均返回）
   
4. 
   
5.     3.timeout所指向的结构，时间设为0   （非阻塞：仅检测描述符集合的状态，然后立即返回，并不等待外部事件的发生）

复制代码

   返回值：

    返回对应位仍然为1的fd的总数。注意啦：只有那些可读，可写以及有异常条件待处理的fd位仍然为1。

    否则为0哦。举个例子，比如recv(), 在没有数据到来调用它的时候,你的线程将被阻塞,如果数据一直不来,

   你的线程就要阻塞很久.这样显然不好。所以采用select来查看套节字是否可读(也就是是否有数据读了) 。

   现在,UNIX系统通常会在头文件<sys/select.h>中定义常量FD_SETSIZE，它是数据类型fd_set的描述字数量，

   其值通常是1024，这样就能表示<1024的fd。

   

fd_set结构体：

     文件描述符集合，用于存放多个fd（文件描述符，这里就是套接字）

       可以存放服务端的fd，有客户端的fd。下面是对这个文件描述符集合的操作：

1. FD_ZERO(*fds)：     将fds设为空集
   
2.    
   
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   
4. 
   
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   * z0 X3 Y3 X. W: k+ t( [% M
6. 
   
7. FD_ISSET(fd,*fds)： 判断fd是否属于fds的集合

复制代码

步骤如下

1. socket s;
   
2. .....
   ' H0 N; p+ z0 B( ?$ {
3. fd_set set;
   2 S) H* M4 w7 v- z
4. while(1){
   7 Y9 O0 F! }6 B5 r
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   
6. FD_SET(s, &set);                 //加入你感兴趣的套节字到集合,这里是一个读数据的套节字s
   
7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
   , {1 r" i+ P+ K! x$ M! j; Q: @+ D
8. if(FD_ISSET(s, &set)            //检查s是否在这个集合里面,
   
9. {                               //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
   
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    
11. recv(s,...);
    
12. }
    . f* q# d- G0 r- ]+ w/ w
13. //do something here
    
14. }

复制代码

假设fd_set长度为1字节，fd_set中的每一位可以对应一个文件描述符，那么1字节最大可以对应8个fd

1. (1）执行fd_set set; FD_ZERO(&set);  则set用位为0000,0000。
   * R$ \& d8 C) k9 C- m
2. 
   * W, F' v  n( i' @
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   
4. 
   9 |4 l8 _9 G- q5 @' t
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   5 Q  m$ ], I& y
6. 
   
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   
8. 
   
9.    （5）若fd=1,fd=2                    上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。

复制代码

1.可监控描述符的个数取决与sizeof(fd_set)的值

2.文件描述符的上限可以修改

3.将fd加入select监控集时，还需要一个array数组保存所有值

   因为每次select扫描之后，有信号的fd在集合中应被保留，但select将集合清空

   因此array数组可以将活跃的fd存放起来，方便下次加入fd集合中

   对集合fe_set与array进行遍历存储，即所有fd都重新加入fd_set集合中

   另外活跃状态在array中的值是1，非活跃状态的值是0

4.具体过程看代码会好理解

1 l5 o9 M; z5 }

使用select函数的过程一般是：

    先调用宏FD_ZERO将指定的fd_set清零，然后调用宏FD_SET将需要测试的fd加入fd_set，

    接着调用函数select测试fd_set中的所有fd，最后用宏FD_ISSET检查某个fd在函数select调用后，相应位是否仍然为1

     复制粘贴的摘文排版起来真的是痛苦，我已经尽力排版了。。。
- h( h+ X" T2 `/ f" q+ n

: A% j& t8 Z$ ^- c' J- k: w

客户端：

1. #include <time.h>
   , z! {9 `/ y2 E  r+ o
2. #include <stdio.h>
   1 c, T+ i8 f7 ]" q2 n. |
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   - d( K4 d; e: k8 F1 C
5. #include <unistd.h>
   4 L- @& y: \  S
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   
9. #include <sys/stat.h>
   3 H: _& }) G' V* J+ D! Z
10. #include <sys/types.h>
    $ R# ]# P" t% i* b7 A  D: z
11. #include <sys/socket.h>
    9 j- }( W5 |$ e8 J4 {
12. 
    
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    " }$ R/ l' [* Q/ K1 ]2 i5 S  C+ w9 c
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    
15. 
    
16. int main(){
    
17.   int sockfd;
    
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    
21.   //创建套接字
    ) s% ?/ z7 R: U( i- c
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    - J: x# I$ y' N  X9 _
23.   if(sockfd>=0)
    
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
25. 
    ; s5 f9 X. Q# C& J3 R
26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    9 i' K: D( B) }+ {1 X( r
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    5 g9 H" C- ^, u3 F3 C. ~
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    " a( n+ x3 Y' O/ H: H, B6 i0 ~! g
31.   
    / k0 y) b( g4 p6 Z  L
32.   //向服务器发送请求
    ; J! {1 \9 V9 w1 ]: p, x% Q
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
34.     printf("connect successfully\n");
    
35.    
    0 d+ p% e/ q- h  N0 K4 J, s1 K
36.   //接收服务器返回的消息（注意这里程序会被阻塞，也就是说只有服务器回复信息，才会继续往下执行）
    
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    . t' A0 D& a& L1 V
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    
39.   
    / N0 [. E# V* q, N* q: I7 C
40.   while(1){
    
41.     //将键盘输入的消息发送给服务器，并且从服务器中取得回复消息
    * L' I6 {7 H3 X" E) Y5 T; j
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    ; A! }7 C+ m2 O0 b# P) V; j& a
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    ; Z/ a* J5 d& l8 G+ L
45.       perror("ERROR");
    ; n' R, o# v( m
46.    
    
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    / M4 G- X# s0 ]% N) f& p4 D) o
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    , y0 y: D; X( f6 |* r( M
51.     usleep(500000);
    * _+ _: v& `/ ?
52.   }
    1 X) P' x8 s/ b* C0 E# x! D: B
53. }

复制代码

7 v9 F3 K! z1 q* S5 E

服务端：

1. #include <time.h>
   , Y; a9 B" Q/ W
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   & e7 b. C7 z9 V( F' |' E. c/ m
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <sys/types.h>
     _  b& d: O3 `' r
9. #include <sys/socket.h>
   
10. 
    
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    6 G# ]/ D2 \+ X1 a
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    $ M" g' W- c. \: ~
13. 
    
14. int main(){
    
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    
16.   struct sockaddr_in addr;
    7 t4 {( X9 V1 ?1 c
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    
18.   char msgbuffer[256];
    5 r1 V4 Y9 K# M$ c$ H# h  T$ b& J
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    
21.    
    ! L' m, k& w, K  l8 ?
22.   //创建套接字
    
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
24.   if(sockfd>=0)
    ; C1 r* v8 K. |2 V7 ?
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
26. 
    , G7 r2 X4 E" l. E- J  `
27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中
    
28.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    ' y6 T5 `1 I. y+ d' j2 Z
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    
30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);
    
31.   addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);   //INADDR_ANY表示任意地址0.0.0.0 0.0.0.0
    
32.    
    
33.   //将套接字于端口号绑定
    
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    " T# \. p9 \' J8 R  A
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    
36. 
    
37.   //开启端口监听
    9 o" v( @  b' U+ n
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    , [" A9 u  A- [
39.     printf("begin listenning...\n");
    
40. 
    % T" Y; K/ F! p: K! v
41.   //默认所有fd没有被打开
    
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
      ~* b6 o# M; J$ J, D  f
43.     is_connected[fd]=0;
    
44. 
    
45.   while(1){
    + E' |* L( `6 E, ^. v" H1 N
46.     //将服务端套接字加入集合中
    
47.     FD_ZERO(&fds);
    
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    ! ~3 L  C& k, H/ q
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    1 a( _% o5 _$ q) p. `
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
52.       if(is_connected[fd])
    9 Z0 i& J7 K$ ]6 [- `$ M4 ~
53.         FD_SET(fd,&fds);
    9 Q7 \$ U$ x" F
54. 
    2 }, i3 ~1 ^# C) F" v% h: `# F
55.     //监视集合中的可读信号，如果某个套接字有信号则继续执行，此时集合中只有存在信号的套接字会被置为1，其他置为0
    
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    ; r+ o# r8 S( G! D2 p+ s" {
57.       continue;
    
58. 
    
59.     //遍历所有套接字判断是否在属于集合中的活跃套接字
    
60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){
    / U  A1 L9 K. O( t) q9 K
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    2 b/ t! n( T2 P) {% h8 S
62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端，那么与客户端accept建立连接
    
63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    % |: J. d* @, y: |* U6 D& v( t8 {
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    , r" h9 A* a+ O; Y; l1 ^
65.           is_connected[connfd]=1;                   //对客户端的fd对应下标将其设为活跃状态，方便下次调用
    # }" s2 J; O/ S& o6 ]) ^
66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));
    
67.         }else{                                      //如果套接字是客户端，读取其信息并返回，如果读取不到信息，冻结其套接字
    % I; U* b, ~- {: ~( v! t8 Y
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    7 s2 k$ J! H; t2 Y& Y
71.           }else{
    - s% |- Y* t4 v8 e5 o
72.              is_connected[fd]=0;
    
73.              close(fd);
    ' y9 z  s; R0 `$ f% l0 E
74.              printf("close connected\n");
    
75.           }
    
76.         }
    % t9 z- G! O$ ~+ V( b/ ]( v
77.       }
    3 L" ^8 h6 b: C% _
78.     }
    : D  v  B( Q  ]5 S4 P& i
79.   }
    ) M1 o' |% N/ q4 m5 W5 c  c
80. }

复制代码

4 K3 @9 G5 \/ n# f* K


, ~9 r* |: D, {+ L* T
( e% {8 m4 @& @8 n0 Y

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