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

) p" u' C9 j% l6 O; q+ X! T

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。
5 [' T7 p9 @- F

     "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）

: h# Z5 H' e5 O. ^' X; O7 @$ J
( `/ X: F/ w! I: R% T" e

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

5 e* n1 R" J! k

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 W0 \: }0 ?3 R6 K$ V! {  p$ x
( n; Q" b+ @7 ~( y3 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）

! O! q: l. L: p
" Y3 d  c2 b- t5 N& [( ^6 l

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。

7 G- y# L& a/ ]
/ Y# j" H  {2 o( u3 d  Q: \  u

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>
   - x3 y7 S( u4 i! T0 f
2. 
   + e$ B4 I( `, @4 Z
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。

    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)

/ J# z; Q# y5 d# ^3 l# U    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。

    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：
0 J7 w  Q+ T. c  t% P

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. 
   1 k+ A7 i$ ~! w+ R9 H4 q* T
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。
5 C/ j, v% k- h
   

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.    
   7 j0 H" \+ I9 J0 G7 l, t
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   . O, F' K4 M& P- t4 |( F2 x
4. 
   
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   : ~  L# k: q7 `! F: ?" k8 t
6. 
   ! X, P' o2 u0 M0 w: ?
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;
   0 W0 G, o; l! r4 q4 G" _
2. .....
   
3. fd_set set;
   5 O! d1 S$ \! y5 v) _
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   1 U7 [# B7 s% m& n& [
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,
   
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 _" N/ P( E  F# |
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    
11. recv(s,...);
    ' @5 [! L3 z- Q# K  G( ^; [3 P; o; s4 y
12. }
    & c8 j* Y7 f. ]
13. //do something here
    * J' ~  h  k. C# C% _
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)
   0 g; F. o3 c! c. F& M
4. 
   & O# `5 c6 R( {
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   
6. 
   % |) I0 z* x9 V* p# T6 }: G2 G
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

& t4 S  i9 x3 Y/ L3 r; @: d" {, s

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。。。
+ G- v. m/ i: m+ ?6 @% \# w

; s# z- U4 ?! }

客户端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   " y3 s1 n' q8 J! Y2 v$ J5 N% a2 d
3. #include <stdlib.h>
   ! s) z; C1 w  `+ P+ l4 Z% M4 C5 G
4. #include <string.h>
   ; R, T* y- L! w2 @, f
5. #include <unistd.h>
   " R2 [/ l0 P/ E
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   7 H8 T2 R1 O& b, ^2 V
8. #include <fcntl.h>
   
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    + |3 s8 l, M7 F) Z6 P# ]/ v
12. 
    
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    
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;
    " ?; T; \# T6 q3 T- d; w
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    * Q4 B5 i$ l" Y
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    0 z$ Z5 Z" l$ {
23.   if(sockfd>=0)
    
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
25. 
    2 T" u: K# J* ~. d
26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    1 |& \8 q( C9 _9 k
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    " z& F7 \1 `5 T/ f, ]1 u
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    7 m+ E4 R8 O( d, Q4 m
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    
31.   
    ! P9 g! C) [* r, a6 P0 j
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.    
    7 j+ b8 }5 p. @0 C6 W" X
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);
    9 d( s) D6 y1 y
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    5 A, k6 x/ ~( J( x  a1 _
39.   
    ( A% b, a4 B  Q
40.   while(1){
    % w( w0 E3 k# V; P* v; X" g5 ?' y) X+ z
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
    
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    
45.       perror("ERROR");
    
46.    
    
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    , v+ y1 m% e+ _5 t6 N+ S: w
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    ' h6 h) v3 u( N% n* l
51.     usleep(500000);
    
52.   }
      ?% Q2 {0 ]( B4 N9 r5 ]/ X
53. }

复制代码

2 S; x/ N0 [% P( Z2 s8 ~

服务端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   7 ?6 u( H+ a9 O" A0 d
5. #include <unistd.h>
   2 g2 Q- C# e+ A7 D
6. #include <arpa/inet.h>
   2 U  o% g* L3 r0 o" z  j3 d. A
7. #include <netinet/in.h>
   . P% S2 y7 [" u8 |& Z9 a  e' Q
8. #include <sys/types.h>
   
9. #include <sys/socket.h>
   0 n7 t% v* s& d3 C* h4 k) [& x
10. 
    
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    ; ?- _  T8 S. X1 b% x/ M  j$ e
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    ) G" L# ~  R3 k) `# t+ [
13. 
    
14. int main(){
    
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    
16.   struct sockaddr_in addr;
    
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    ; T. S( }2 ?9 z; ]2 y' Q- n
18.   char msgbuffer[256];
    $ ]# h' l1 J/ W4 Q8 d# j1 R7 L; x
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    ( @  |6 I9 F5 b& x( [+ u
21.    
    
22.   //创建套接字
    7 I; ~- ^/ v; n
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    4 {6 R. n0 o3 N7 Q4 ~, S, O+ Z" I
24.   if(sockfd>=0)
    4 B8 w7 I; |2 Z. b0 }
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    : o$ E  x) z+ N
26. 
    
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));
    
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    
30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);
    6 M/ ]' ?$ {& g6 W* u5 _6 M! W
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
    % `( \7 o, e" a# C, _6 n
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    ) M8 |% ~- P7 |  D: ?- e2 H
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    ) q6 Q) R& K) r7 d; c, E
36. 
    % ?+ o- _) c: T: _3 q
37.   //开启端口监听
    % J  z0 l( [% L2 p
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    5 _. U, ]6 x  X# a
39.     printf("begin listenning...\n");
    . c: P5 h5 r# B% d4 F
40. 
    
41.   //默认所有fd没有被打开
    
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    
44. 
    1 K7 d& C3 K+ [: O+ B
45.   while(1){
    
46.     //将服务端套接字加入集合中
    # o9 |- ~3 H( S, h! l$ }! p) U) w
47.     FD_ZERO(&fds);
    
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    4 c4 z& P8 I# I
52.       if(is_connected[fd])
    : z8 L( g1 g2 Z' |2 y7 e7 \8 z9 x4 h; Z
53.         FD_SET(fd,&fds);
    
54. 
    
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))
    ) p) [2 M8 p9 L$ b; M; u* O
57.       continue;
    
58. 
      p! E9 @9 r" w& g: R9 x
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++){
    
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    
62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端，那么与客户端accept建立连接
    4 a/ `# U& f  w2 |- r6 L+ c0 t5 E
63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    4 H% q& {0 D  M. \( t1 N! G6 l
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    ( P3 p( ~/ W0 f
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
    2 D+ k7 z+ `0 c6 Y8 i9 Z
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
    
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    % E6 r7 P+ h! x: x# U
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    # s  L+ `: |3 x( S: G
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    
71.           }else{
    : A# o# m/ B2 f
72.              is_connected[fd]=0;
    
73.              close(fd);
    ; k$ c  A+ G" L3 v1 T# Q9 W7 C
74.              printf("close connected\n");
      w; F% w4 C! g0 A+ G! O- y4 S
75.           }
    6 b4 E$ G1 ?0 W' }. m+ ~
76.         }
    
77.       }
    : k7 S1 y3 w6 T0 ^+ Q& ~: Q+ |$ c& a$ `6 G
78.     }
      e! X) N, i9 E; ~) W4 X3 S
79.   }
    " T% ~& g  t8 C0 c
80. }

复制代码

7 v1 w$ k: v3 u1 G5 w" I



/ V. H5 a2 @- h5 s