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[C] 编写一个简单的TCP服务端和客户端

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楼主
发表于 2020-5-9 01:53:20 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
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

  J+ h8 N' [( M& |3 N# }
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。2 W' {" m/ w, `$ Z0 g+ r
     "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)
) n) S: D# C3 J+ E' Y6 L/ S* p; w3 d

1 d( ]- X5 V) l& }& {, y, ^7 n
, m; ^/ C3 J  ^  j, ?
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
. j1 @) }6 m1 t" P1 t
       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
" X3 I! @" @  J- z7 e1 F8 d
) Z7 Q  t3 l0 Y
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)
% d' d) k, F( e/ p) t0 X" d
6 N  B6 n) M8 R8 _' F
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)

0 c' T* t8 |- ^; j. K& y1 l% u1 x7 J
' {$ j) Y/ ]5 \" \$ q( S
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。
! i3 }$ I. o* C2 F2 i  Z6 @
9 e7 _4 P* i% k* M7 W  k
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>: E8 `7 v6 p9 _. e

  2. " q7 z$ [, |7 U) w) G8 Y  r
  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

4 X) v& a, w/ O9 b2 i! l8 c    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。
! C9 R6 K+ H8 L4 m; q" b
    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

; C% D  B* T* V6 t* `( ~% F    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)
$ f0 f3 ?" @$ k( k5 I' S* @
    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。
6 p4 [2 P; M$ F- s* P+ Y) c# T5 l( p
. M1 X1 A2 U! ~2 n    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:- k, Y8 B9 W$ ^, x& O6 N6 {- ~

% E- N; @7 ^. y, F1 Z5 I9 N
  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)3 S1 k; o$ w- r# b

  2. ) y" ^4 k4 K  H: x: S
  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)8 k* v1 j0 C: F$ [
  4. " u1 F6 p1 V8 X
  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。
+ S- b9 i7 w! O, g6 j# H, {& H$ K( R3 S* a/ n% p
   & Y4 u" Y$ W% _. a4 w5 C/ Y
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
    - F  F: f! |6 G% ~) C
  2.     ! g" M2 c  ^# j+ j
  3. FD_CLR(fd,*fds):   从集合fds中删除指定的fd
    : {  _1 M5 d7 m# ^* h8 w* G' ^, ]- n
  4. % @0 z" G$ l1 J0 ^2 [; ^
  5. FD_SET(fd,*fds):   从集合fds中添加指定的fd
    8 ^% `+ \8 E/ ^5 S

  6. ) C: ^" Z* c, ^5 \' P; A1 T
  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;' n) z1 n1 k& f0 n  G; i/ ?
  2. .....+ o9 T5 X1 O# N$ K8 i
  3. fd_set set;
    ) I9 x6 D; R, Q% k
  4. while(1){
    9 R# B, z9 o! C# {) B7 w+ _
  5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空( u: }8 b  w( b' b% e" B# x/ ?: b
  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s2 O& r8 E& k, m* i: e- k% S
  7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
    / m/ B# Q: b! d
  8. if(FD_ISSET(s, &set)            //检查s是否在这个集合里面,
    " N. d8 r5 b3 r! d. |
  9. {                               //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
    4 r) k" b# \3 u2 R6 f
  10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    - `. k; C* z9 e, M. b  L
  11. recv(s,...);
    ; H2 `! Z' E7 b4 i: K$ u1 S
  12. }
    2 k6 \: ?- m" J: g( q# O
  13. //do something here
    8 h3 ^+ C5 g, E" c. N; n% f" P
  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。
    : }$ V/ G& G: E) W3 a& w; Q
  2. $ I) p9 Q6 _0 Q/ W6 J5 ^
  3.    (2)若fd=5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
    5 w6 X2 {1 A& |+ o* x
  4. $ j' e( j, }* t( h& W
  5.    (3)若再加入fd=2,fd=1               则set变为 0001,0011
    ; B" p' M5 F7 |* M

  6. 7 X7 D5 b* e- ?5 _$ c+ E# s4 v3 e
  7.    (4)执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
    . F' }" h5 z, @

  8. , s6 m- k( y" k- W5 Y: w( [4 k+ p
  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
& `5 m1 u, P/ n) M" N  s( f

& Q6 u. I6 ]0 A0 j6 B
使用select函数的过程一般是:
2 b, @* H, U0 A$ o  k) ?0 `0 i3 t
    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。。。
2 e, _, `% J- F4 o! w

4 w/ p5 y3 ]3 ?/ ~7 u( r8 {% ^
客户端:
  1. #include <time.h>
    ( |% D! e/ a+ ~
  2. #include <stdio.h>6 a1 {/ n$ ~0 g8 K5 D7 n/ N# ?
  3. #include <stdlib.h>& x. B& k" w' e& r1 q. n
  4. #include <string.h>( P' y$ V2 Z" M+ Q
  5. #include <unistd.h>- z4 g, A+ e' n# X- `
  6. #include <arpa/inet.h>& x( W/ m9 y" ~5 B7 Y, r
  7. #include <netinet/in.h>
    0 z- Q& y- E  B* ^) c* Y* B" v
  8. #include <fcntl.h>
    # A3 m& N/ k% u& H5 A# W# t
  9. #include <sys/stat.h>( H& Y4 @4 ~" E/ D+ V% }
  10. #include <sys/types.h>
    8 i) o) h+ U& N2 m, P( L
  11. #include <sys/socket.h>6 f+ t1 S" F$ x0 a4 w: f5 F
  12. 4 w( F- @% ?% `. ~$ v
  13. #define REMOTE_PORT 6666        //服务器端口7 K% t: T# q3 n
  14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"     //服务器地址
    ! K- m+ Z* z; }" S0 W8 C

  15. 0 W$ _& W/ ?' Q, d" i* m( c
  16. int main(){
    2 l" ?4 d( o  J8 E+ Z
  17.   int sockfd;" x2 S8 f" R! a8 U
  18.   struct sockaddr_in addr;4 q2 A9 C9 F& |6 O$ @  z4 B& h, Y2 w
  19.   char msgbuffer[256];! A  k( H/ w( W# K# U. T
  20.    % R+ E5 p2 T/ z1 j3 w. q; x
  21.   //创建套接字
    ( s. t: [; V6 V7 c
  22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);# q! C$ l, S: U
  23.   if(sockfd>=0)
    6 C" J6 t9 @$ [. W) b8 p
  24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);( k! ^) T0 N% @' B

  25. % v! k9 X% \/ `
  26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    $ {3 R" P& i6 x2 u2 f
  27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    1 n  i, n5 r; F. h' l
  28.   addr.sin_family=AF_INET;
    2 _: Y% q; Y! ]3 X0 |: J' S! P
  29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);2 l; s9 ^; X0 R. ]# k
  30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    - N8 Z8 Z& P* S4 T' g
  31.   
    2 O3 f- C. ]$ r5 q( d( h
  32.   //向服务器发送请求
    & W5 V5 h" E) e, `* p( g
  33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)6 f, X8 D$ [7 r: L( A
  34.     printf("connect successfully\n");+ G8 D$ p, ?9 ^- g
  35.    
    : L) i" @$ y2 g) X* `3 f
  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)3 i2 C$ x( Z# i9 q* K5 u
  37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    * ]1 w/ x% y; s8 v5 \0 c9 d6 Y4 B# Y8 p
  38.     printf("%s\n",msgbuffer);( W* I3 k6 @, _. `+ R( r' ?0 `" `
  39.   " Z# b" g# G6 y0 m: y# U$ ~5 X& \8 B6 ~
  40.   while(1){
    2 y  v# p( b) N$ l* x, ~+ f! C  _
  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: L6 a9 {, P4 p  L8 W7 K# h
  42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));1 m6 s' M2 L: V5 P! P
  43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    / u/ c. m  Q% Z; g6 w
  44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)) e# V1 g' y# b" r
  45.       perror("ERROR");
    / D, q4 X, b' A. L
  46.     & M! {+ c$ e- E, r
  47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));& c6 Q" |; \& k- j4 o
  48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    4 Y" n3 U+ J8 ?5 R" E
  49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);# t  t# @. n0 }7 ?: |6 O
  50.     * r7 n1 E; j4 R$ V" {! P
  51.     usleep(500000);
    + @( @" C+ f( |* U
  52.   }  M" f; }) g% U8 l- u# t
  53. }
复制代码

9 g( S5 Q- X8 K7 c/ G
' E- i7 q. f( |- a
服务端:
  1. #include <time.h>
    7 Q4 b6 `, m# K* B$ t
  2. #include <stdio.h>
    & d  `' i7 }/ |' L
  3. #include <stdlib.h>2 X8 Z1 x1 ?9 P% p
  4. #include <string.h>
    * j6 y, u/ v0 V- n& C/ Z1 F9 v
  5. #include <unistd.h>0 e: Z# S  a) `, l
  6. #include <arpa/inet.h>
    ) }* T2 ^; |# W
  7. #include <netinet/in.h>) j0 l* w% }+ q! @6 G7 _$ N& u
  8. #include <sys/types.h>
    " X2 l9 J! S1 E$ m! _
  9. #include <sys/socket.h>9 Q2 B5 Y( l+ c( r- G

  10. , k; V- v9 i  F6 N$ ^5 s
  11. #define LOCAL_PORT 6666      //本地服务端口- [$ w! R5 q1 J' g0 p0 h' j
  12. #define MAX 5            //最大连接数量# |4 E% q6 U0 ]1 |8 S
  13. $ w" @7 `6 v+ Q7 m% c5 s1 p
  14. int main(){
    3 S  _* q; H5 V" ^
  15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];1 A* W1 i- u: \3 \- G! }$ O
  16.   struct sockaddr_in addr;5 [1 E) R& `- r& U) k1 u# T
  17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    2 q  g+ Y; ?- p( g* [' Q* F0 I
  18.   char msgbuffer[256];2 f7 j3 g) @# a6 ^; p$ g: }+ o
  19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";+ J: ], K, v# \' w* x
  20.   fd_set fds;
    3 i) I9 s" G4 e9 b
  21.    # _  T2 f( \% R# _5 _  `: I  j
  22.   //创建套接字1 E6 ?" F' w# n1 h/ R  f9 z' j
  23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);- \$ K* J1 u+ ^9 y
  24.   if(sockfd>=0)
    % R2 X7 M$ B  E; A$ w3 }* V; M
  25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    ; N; \  j1 z" Q; t# j
  26. 1 b7 h, T; n( S) Q8 @
  27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中. l0 h# o; j% h
  28.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    7 _" B2 p( P+ b7 r1 f, e3 x
  29.   addr.sin_family=AF_INET;9 K/ y$ V: `- I& ^  i+ O% ?2 d
  30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);
      Z$ ^' f; F/ t. ]' |- v
  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! s  Y! p7 C  r: d' b. t
  32.    
    # F$ z9 i( p- l$ F1 i3 J
  33.   //将套接字于端口号绑定
    ! J% j8 d) P+ ]5 S  P& g0 a" R
  34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)* {6 \$ e+ E+ k( g
  35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    6 N  H1 X0 g" h0 K( m) V
  36. 6 _0 o4 e7 ]2 W& u& O: c
  37.   //开启端口监听6 I+ l1 L- ]% \3 J$ s: X0 r2 F/ ]
  38.   if(listen(sockfd,3)>=0)" D) \! j$ A! L, a
  39.     printf("begin listenning...\n");
    * @9 r6 w2 s1 r$ Q

  40. ; [% C. q6 \8 @& }
  41.   //默认所有fd没有被打开5 y( m8 e4 D5 M. A! l: m
  42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    ' r8 i! p3 |$ h, n
  43.     is_connected[fd]=0;& D) J5 B# |- \

  44. 1 L5 a) w& u/ C, j
  45.   while(1){; ~* Z+ O9 b2 M  m2 K  [8 x& u
  46.     //将服务端套接字加入集合中3 o; B3 E0 l# f$ \
  47.     FD_ZERO(&fds);
    5 o+ v/ v4 R. r9 B
  48.     FD_SET(sockfd,&fds);9 ?" G( f, l5 n/ t. V" r- h
  49.      
    + U7 S; F) [) s5 H  V2 y
  50.     //将活跃的套接字加入集合中
    2 y+ c' s. _% s* h
  51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)/ V& h' m" u8 M9 y) i
  52.       if(is_connected[fd])- s( t1 _# I! Q) }- i  G/ @
  53.         FD_SET(fd,&fds);
    & Q) P0 O5 M. A# q# o2 I
  54. : P  a0 o+ \. S5 p, {
  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01 `. D/ W: x- v" e3 M2 ]' c: Y
  56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))' U6 C0 {+ R% I0 m
  57.       continue;+ a1 p, k9 O0 V# ]. N/ c
  58. # g% M2 J6 t* v1 y+ m! u8 T
  59.     //遍历所有套接字判断是否在属于集合中的活跃套接字7 U. q, N, n% F5 [. D+ u
  60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){3 o9 d) c# n, R; m( H0 V: G
  61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    6 Z& ?0 ~4 S  `  c9 u! Z
  62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端,那么与客户端accept建立连接
    3 p# w; B% ?6 B4 L$ ^$ m& X2 H
  63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    7 j" |( S. U' W, M( D  }# [
  64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    " f+ j# k  B3 }; r
  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+ C4 i- y6 I1 Q1 F( `+ u; ~) X1 V
  66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));
    ( r9 O! a* L: F8 c3 v  j
  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' c) u, L  h7 D* I! [: M& e
  68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){ 2 h, c* X) A. P/ b5 W
  69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));: u* w. i9 g8 z9 F& R
  70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    - A, b' h3 @: ~
  71.           }else{9 _+ v9 z) t. M; B0 Z' I
  72.              is_connected[fd]=0;
    % M& m- M/ o; e( Z
  73.              close(fd);- \9 ^4 l) b: g- i
  74.              printf("close connected\n");
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  75.           }: w+ z8 l6 _0 ]; Q# z4 D2 J+ n9 V
  76.         }
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