编写一个简单的TCP服务端和客户端

admin

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

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。
: X4 B3 C  y; L8 \

     "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）
4 B7 O4 }; n. s* A

# c+ G% A0 V& {

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

       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）

* ?7 B, I3 n/ k% R# W

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）

$ b" I8 L4 A6 p2 O/ b# o  o( n

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。

' x. u* E6 r, m; y% d

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. 
   3 M9 J: U3 H- B, C
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

1 f8 ?6 u1 ?# I# P    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

! }- S: b" W' l1 `8 q. I+ c  Y- r5 k; v    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

6 T3 V7 S3 n* n) G, ?    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)

* o4 b) `& [0 ]    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。

# I" K/ U1 x+ F# |3 f! J5 [, K( U    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：

9 S7 j" P0 _8 u8 ?& g

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）
   6 e- u" Y) m9 Y, Y" |6 M
4. 
   , L  V* p1 c) @7 v
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。
/ R7 F/ f' t/ W' F" E% z( e
   

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.    
   . i) q* q4 N7 i  x
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
   
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. .....
   
3. fd_set set;
   8 [% p+ D. g+ F  ^3 i( Q/ e
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   $ ~% ~3 X( U, H( C; H$ l: p5 U
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,
   2 a) @+ l3 ~, g1 Q: V8 M, A
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
   * ?9 Q2 f1 w3 s& Z* e; O/ v
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    
11. recv(s,...);
    1 T% X1 j. }$ R9 p
12. }
    
13. //do something here
    ! S( g* B7 r" t4 `& c! r+ n( W- s
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。
   
2. 
   
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   5 [$ P. ~3 b4 Q6 N. l8 Q7 f
4. 
   
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   $ b9 I3 F4 ?8 f  ]$ W* @
6. 
   
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   
8. 
   0 x1 n$ G% r, C5 K
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

% p1 S$ q4 L$ s' K4 w8 i- r

使用select函数的过程一般是：

4 O" `% }" Q- O6 o( A1 T6 ?' C/ ~    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。。。

+ ^, C( Q' O2 A" D# M

客户端：

1. #include <time.h>
   * G4 ~! o' _/ w. x
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   " C% r# u. I& B) Q* k1 h
5. #include <unistd.h>
   6 t( s4 p; h4 {9 G
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   8 z! m' W# ~$ J; v3 b' n  z- j
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    
12. 
    2 D/ i+ Y2 c& F& W" y, c, X
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    % {  I/ `; \6 ], s* x1 l" V
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    
15. 
    ' c; ?( M0 ^! ]6 S+ {/ c- e# q
16. int main(){
    8 B: H* d, A% m  T; k* b
17.   int sockfd;
    - Q) o2 |6 T8 s, X5 b1 p
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    / j' s" N9 g1 y( W! [! q* c/ y5 S
20.    
    5 Y: v, s( O9 e0 N4 R# h
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
23.   if(sockfd>=0)
    
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    & g3 a& t! D# N% k) n0 I9 B- @( L
25. 
    " Z! L, [% S$ ~) q/ D% ^# ~
26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    6 b1 a6 @( I. l% d$ b
31.   
    
32.   //向服务器发送请求
    
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
34.     printf("connect successfully\n");
    
35.    
    $ H* H7 y3 F. T
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);
    
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    
39.   
    . A2 a8 O7 b8 [& m. h
40.   while(1){
    , J. h# C3 Q4 t' l: }% }
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
    9 X& c% Z- D, d
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    * U0 t  Z) _3 q" ?. `* \! l
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    ' A0 D0 H! r8 X# u% R$ c8 ~2 p
45.       perror("ERROR");
    
46.    
    ' y; k( @& L5 a# p5 N( P
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    ) e) H- Q/ R% d
51.     usleep(500000);
    
52.   }
    3 C0 k3 z+ F! Q6 x& j
53. }

复制代码

服务端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   & x) e$ R1 f" C+ s# V
4. #include <string.h>
   6 |1 K! A) g7 a0 p6 L5 E6 [- e( C
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <sys/types.h>
   
9. #include <sys/socket.h>
   
10. 
    8 Y6 M) n& q% T- |7 e/ [
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    1 r: f' Z; p; i8 \! C
13. 
    
14. int main(){
    * u# j) O1 p- t0 g& {2 |0 n: w
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    
16.   struct sockaddr_in addr;
    
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    % Y) v  u7 s, K* h- v7 ~7 y
18.   char msgbuffer[256];
    
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    8 u: s3 K  u+ W, @# L$ B. J/ x" L
21.    
    
22.   //创建套接字
    
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    5 s" o. G0 J/ r
24.   if(sockfd>=0)
    & [8 w/ m7 R, z3 `( M# b
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    ; w9 [# ]8 n2 J
26. 
    / y/ v+ z) N! X: g7 R6 O
27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中
    ; V- K, w- M6 @8 q: I1 |
28.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    7 Q: w$ A# x& N/ i
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
      n" [2 m1 H: S3 u* A
32.    
    7 w% J% d  S) M8 Z  `
33.   //将套接字于端口号绑定
    1 i* S2 ^$ }- l( k0 ^  s, z: W, V* V4 E
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    - V8 z; L) O" C* O: {
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    # }: K  s1 X& n/ [
36. 
    
37.   //开启端口监听
    5 n, R0 S9 K8 b7 j" i
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    9 G7 e0 s8 \. [- E5 p. O* s  w- [
40. 
    
41.   //默认所有fd没有被打开
    + K: u# h# t4 s/ v: Y7 U/ P' K2 p! n- t
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    , |; u; x& j7 c, @
44. 
    / |5 @9 `, q! w7 M% b7 J3 e
45.   while(1){
    
46.     //将服务端套接字加入集合中
    
47.     FD_ZERO(&fds);
    # g, \( V) d8 r; i4 [: p& Z
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    * ^# w0 c" l4 I: R" |: v2 F
49.      
    ! T/ Y- Y, K" J; v" p" e& i
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
52.       if(is_connected[fd])
    
53.         FD_SET(fd,&fds);
    
54. 
    , Z* K- ?, j, j, f1 D4 P% y% F  j
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
    ( }% i8 @  C1 Q( O" |1 I7 n2 z) t$ {
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    
57.       continue;
    " k* Y, ~: z" |
58. 
    8 ^/ D4 U% R, I! r' Q
59.     //遍历所有套接字判断是否在属于集合中的活跃套接字
    * E! S- e0 ?, f8 d
60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){
    - m0 L+ f& H" v% W6 r. D
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    1 ?+ f4 F. ?1 O( A8 D6 G9 c/ |. @
62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端，那么与客户端accept建立连接
    ' a. g! i0 ^' h9 P
63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    5 m# d  ~! Z; j; W3 f: ?7 l, B
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    ) l" S' [$ J" j( }- u, l
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
    
66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));
    3 h3 ]: l' o, u* h' ?
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
    . `: ]( `7 M0 ^" \6 h4 Z, T
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    ! C, L/ ~0 x% |* L) @, J
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    - x% d- d8 P. }3 M2 R
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    
71.           }else{
    
72.              is_connected[fd]=0;
    
73.              close(fd);
    & C- z8 R1 }0 Q/ \
74.              printf("close connected\n");
    . `# @9 x  f2 ~5 G* d
75.           }
    ( @0 k  {" v5 e7 Q' W
76.         }
    * [5 U% F3 T6 i- p" _
77.       }
    ' r3 U' ?: `( x) ^& u
78.     }
    
79.   }
    
80. }

复制代码

, U* n9 ?3 Z% h& J& e& Z( D
) E# R) h/ ]/ c5 j