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。

     "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）

. @9 j. n6 L; i- D* b8 O! f4 f8 J/ O( K* 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

1 [# O0 H7 V1 Q+ G( c. t* y# h

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）

2 Q8 ?6 o; Y7 o% w4 o& U

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）

/ x( Z8 i+ r% l7 ^: w
2 m2 ?" ?* Q& O/ F

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。

( W( U" N  ]6 E# ]' r6 W. }

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. 
   % ^" M9 i+ p" t  @- g/ F
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

9 S4 P" Z# m' e' J) ], z    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

/ s8 I& K+ I8 t( m    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

! ^5 G" n/ s' X/ E" K* T1 L2 c$ ~    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)

    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。
0 ]- @, M9 i; y
    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：
) a$ d5 E/ ~& P3 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. 
   1 j8 [7 d" y2 n5 n
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 `, O- m5 E5 a; {
4. 
   1 R% ]7 B8 G9 b* [
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。
- A/ p* Y* D* b( [
" z7 u, \9 {8 k4 V3 b7 H   
1 O! F& A. z( |( `; g6 x

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
   + z; m1 N9 A+ j/ `' q: ^
2.    
   ; A2 N0 _# C- j& i6 k
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   
4. 
   ! O* l+ `4 w0 c4 M
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   $ ^9 \# H+ o0 R
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;
   " }1 `7 v/ C/ I- i! O! d
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   % m" L4 r! ~4 R! D9 Q; [
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
   * R" H9 e, @0 z6 @  Z/ f. S5 ?, B6 D
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
   - x( ^$ \9 Y. K  {0 A
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    
11. recv(s,...);
    
12. }
    0 P$ A3 {$ g( {
13. //do something here
    $ M6 s$ i+ p6 A0 i8 ^0 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 o4 g. J+ A3 A
2. 
   7 [( R7 X$ w; H5 P+ n4 |7 J: `
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   - ^/ R3 X% E' J
4. 
   , Z9 l1 e( B5 a- {- b- `4 N
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   
6. 
   
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   
8. 
     c! r0 v7 S' k# Y6 |
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

使用select函数的过程一般是：

: X, f& |! f# @. k/ |, h    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。。。
# T( Q7 _% m) [5 S+ E# D

" D8 [. n  n' c9 Y8 {6 B

客户端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   7 i! ^. N9 E6 ~8 O
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
     D  }5 T9 P. C! ~2 ?) ~. K
5. #include <unistd.h>
   3 i2 d7 T" y9 ]) a; z
6. #include <arpa/inet.h>
   5 ~" p$ X1 l+ q% o+ h# |
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   6 Y* A4 C3 I7 q" w, H  @6 W
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    , d$ L+ k/ e% v3 u* {
12. 
    
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    $ `# u8 T. E2 S6 a" ~
15. 
    
16. int main(){
    
17.   int sockfd;
    
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    ' s9 f& J' I' R; A/ B
20.    
    
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
23.   if(sockfd>=0)
    ' d+ E/ m5 v# T% \# G
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
25. 
    
26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    : t. K8 v; A$ C. n" X
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    " _7 X3 y) o: v0 r9 `( G& ]# O% E/ [
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    ) R8 n! ~. v: [% S" d* g4 G
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    4 [# a# k5 _' R, I& z
31.   
    
32.   //向服务器发送请求
    + j/ a* D" A2 j, m. T0 `4 z
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    " T/ L- c; n' v2 ]4 M$ n4 _
34.     printf("connect successfully\n");
    
35.    
    
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);
    . c/ T5 n5 w! M8 ]' _; b
39.   
    
40.   while(1){
    & L& ?' h, ~, ]5 v) o- B# e% |
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
    5 {$ E0 g5 W( p1 C
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    % P5 ~$ H9 E+ j( `  e9 q* W
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));
    . [) I9 n2 t# F  Z; l
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    & k/ J& V0 ^& R4 V
50.    
    
51.     usleep(500000);
    8 R2 t: o/ ^  q3 {+ Q# o4 ]
52.   }
    0 t1 Q" t/ [' v: q, k* U
53. }

复制代码

* r; d! m7 h% x, z
. j. S1 t4 |  T  w! R" n

服务端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   : P: p: L+ y9 d5 l. s& J
5. #include <unistd.h>
   : T# f( v% }3 a" g$ L) \$ N
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <sys/types.h>
   
9. #include <sys/socket.h>
   
10. 
    
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    + m# W& P- ]% w& d* L$ o" w" V
13. 
    ) \& v, t+ B; B' q5 a4 F; g$ y
14. int main(){
    ' d& q( l; Y) l8 x" ]
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    
16.   struct sockaddr_in addr;
    
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    
18.   char msgbuffer[256];
    3 b! b% X6 a4 J2 e3 o+ M8 T  O
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    $ H6 {7 P  H3 |: ^
21.    
    
22.   //创建套接字
    % ]( u9 o$ n) P: \
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
24.   if(sockfd>=0)
    
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    0 a- ~8 H3 f, V/ K. P6 I! n  T6 m
26. 
    . Q% I& y7 o0 P( s
27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中
    0 v* p$ T2 K$ v* B. ^
28.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
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)
    5 f' T, _- x& f9 A6 j: t
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    
36. 
    
37.   //开启端口监听
    3 _' V! f; s- U% t. B
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    
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. 
    
45.   while(1){
    
46.     //将服务端套接字加入集合中
    - B: [% U; |% X
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++)
    
52.       if(is_connected[fd])
    9 t( Q+ o+ `% a, d
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
    : m  f) g/ ^1 e4 e$ Z
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    
57.       continue;
    
58. 
    # m# Q' P; g1 R( [& n! z/ m- D
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++){
    # X* C% O! E/ q4 L" a
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
    
63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    
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));
    . L$ X$ I6 P" v, B
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){
    2 |$ l, @8 J9 }0 ~) c8 Q
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    
71.           }else{
    7 a: I/ _3 _, F# [3 D
72.              is_connected[fd]=0;
    # p3 q. {1 X; @+ z& U  Z4 K4 Z
73.              close(fd);
    ) h% _2 u% O+ `( m  ~* j7 w) [$ {- E
74.              printf("close connected\n");
    
75.           }
    , D2 A7 ]( ^8 d  ?& e
76.         }
    " m( v! h3 K- p7 U! n1 H2 W
77.       }
    9 E5 r7 B, T# G$ U& q
78.     }
    8 V  }( k" f+ U, u
79.   }
    ; @0 X  X7 I) X) f  E
80. }

复制代码

8 `& y+ ^( k, }/ |+ z. Z

( P* r- x9 h' ?3 ?$ z
. B& ]5 ^8 |" E( @) d, [) l) S

& @% `( K) b5 o6 p, L2 e- {