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[C] 编写一个简单的TCP服务端和客户端

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发表于 2020-5-9 01:53:20 | 显示全部楼层 |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
1006989-20170811220309273-324593640[1].png
2.启动客户端,与服务端建立TCP连接
1006989-20170811220504273-1102389198[1].png
3.建立完TCP连接,在客户端上向服务端发送消息
1006989-20170811220710367-260545598[1].png
4.断开连接
1006989-20170811220732663-1219798729[1].png
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

$ K' r! l) z; D+ [' 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。
  J6 K' f1 {. g* \  P$ ]
     "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)
1 b$ j7 ~% W9 ~

6 t0 k+ E9 Y* }* t& d- r
; L  _, e+ p: R/ R
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
" L4 [- A! x. E/ R
       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
4 W2 G' F2 {% ], \
; G& e: j9 J1 ?) Z0 ]9 I
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)

! A( j9 Q- u6 o
, z! ?' H- [1 v0 F/ p. \
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)
% q( Z8 d* N/ k( H; q+ }: V# \
8 q  ^7 p8 g9 g4 D

! c4 v* Z- W+ V; m" x) K( o& v; |$ E
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。
4 \+ i. o9 }7 j0 N
5 X' o! y. o; e3 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>
    , R6 u' {" O2 v4 i3 Q. I
  2. 4 h5 N; y& z) w3 c3 Q
  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

5 K* o, J0 w$ b. ^    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

2 ^6 j) {6 A. t4 ?0 N+ x' M    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。
5 @9 I, X9 ~3 k. x# h
    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)

) z+ m# B  O3 h    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。$ \( d  G- S1 I- l

' g  s" K1 y# X& G* 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:
7 S' d8 C0 u/ G
) s$ s* `- f  }+ {1 ^
  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)4 R0 p! E# n5 b8 f% P

  2. ) e# b* u8 u  \, @
  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); d$ S8 I# }$ L9 s

  4. 8 P8 w, N( v$ j/ b0 ?
  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。
: Q3 s0 Q3 N' C5 ~' p& h9 [
, M% q2 s" b! Y% B. |, {   , [. I. E2 ^; s" x5 O
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: ]$ D1 m5 p' V
  2.     * w. {& y# Q; X$ l# T$ z: ]$ t# }
  3. FD_CLR(fd,*fds):   从集合fds中删除指定的fd
    ( h6 G9 @: d, U. h% c7 ]; B: Y
  4. $ r4 D8 w% ]8 e6 L6 i8 R2 l4 @' {
  5. FD_SET(fd,*fds):   从集合fds中添加指定的fd
    $ z" _( _6 o2 i. O, }0 S! J( {$ z

  6. 7 e0 e6 q  c  w  u7 y# T+ Q, ~
  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;
    1 V" P/ |$ x$ Q, ^  I. U) _
  2. ....., a  `! ?2 k$ G, R* g9 z
  3. fd_set set;& D$ R/ d" V' n& Q/ h" H
  4. while(1){
    / H% @+ r+ |6 m; Q( O+ e( W
  5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空( _6 i' s3 X( G3 k
  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
      L7 M+ R2 o% c! E. L# u' z
  7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
    * n) T) x& C1 y
  8. if(FD_ISSET(s, &set)            //检查s是否在这个集合里面,7 s' H1 h. b- [0 A. V$ N0 p9 s
  9. {                               //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
    - e: _: s5 y) I1 W! r5 w, l
  10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面. ^; s  m  u! ]7 S7 I2 E* A: b
  11. recv(s,...);
    ) ?# `2 V/ A% g' `" j
  12. }
    ) h& f# Q7 o4 e6 h
  13. //do something here0 }5 e: K6 ?, C8 m) p' U5 C4 M: Z
  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。
    7 x7 [; j- ]: W4 D% Y
  2. + e1 `* u6 e+ ~+ E* j3 d8 T
  3.    (2)若fd=5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
    1 g$ J; V& o( T* E! ^& W
  4. $ z2 _; c5 h! F! r9 z- D. \
  5.    (3)若再加入fd=2,fd=1               则set变为 0001,00114 p9 l; J& n, v
  6. . Q4 h' d8 R. X( \, M# t% ~
  7.    (4)执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
    ) l3 S; Z8 ?; |0 Z: ~$ g* Y( `0 F

  8. 8 c: m$ J5 Q1 s
  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

! o6 R) t3 o! y2 j% |
' E* J. H% {( Y" g9 a9 H7 `) j
使用select函数的过程一般是:

9 \' P: p0 J6 a7 F7 O( \( [    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。。。" `# @1 f7 j& E( H
& N& a" C: s& I$ e; W) }! B
客户端:
  1. #include <time.h>1 N. D' L4 G0 |
  2. #include <stdio.h>, v& ~% e9 Q0 |- b# U  [4 Q3 b) p2 y$ t( S
  3. #include <stdlib.h>2 E. z4 m! S: @( l* D' a
  4. #include <string.h>
    ' l6 D+ Y- K5 n  n9 P, I
  5. #include <unistd.h>1 ^$ r( K2 b7 l9 b0 r' B
  6. #include <arpa/inet.h>- E, V, C" v: ~9 @
  7. #include <netinet/in.h>5 E3 x" C  ^) @% c5 E; F
  8. #include <fcntl.h>
    / U; Y( O2 F# l" Y* H3 t2 u6 b, _
  9. #include <sys/stat.h>! `7 U. m8 g' S0 l- p( U
  10. #include <sys/types.h>
    " F; {  _4 Z" p( z
  11. #include <sys/socket.h>" c# ~% W  D: d/ S" `9 E) n
  12. 4 b: a4 u# x( {9 X9 r
  13. #define REMOTE_PORT 6666        //服务器端口
    4 S& d& L3 d* t
  14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"     //服务器地址) e# l  v5 h* g9 x) G
  15. + e( U' {3 y* T7 Y; _
  16. int main(){, [2 m2 f; l- W% |
  17.   int sockfd;
    : J: X- v0 X7 U% c2 ]
  18.   struct sockaddr_in addr;
    3 p$ c6 x; C. g1 d; ]' W% k. V8 [
  19.   char msgbuffer[256];
    - O6 c1 s( F5 t" o+ D
  20.    2 `1 E/ y3 r% H" A( W0 N$ R
  21.   //创建套接字. F. @7 U  H7 H4 E. O4 t
  22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    - V: P5 Y; S% u7 E, ~/ x
  23.   if(sockfd>=0)1 o8 q1 G2 ]. e$ M  l& ~* d
  24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);% ^& r, u, @+ H% O4 c

  25. 0 g% S) J7 l* @) T% B  Q
  26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    * P" I; ?6 g3 B. R+ K
  27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    * g5 k  c/ b2 g7 p
  28.   addr.sin_family=AF_INET;
    0 p+ ^# O" \3 X) m& g- {! `
  29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);5 s2 B+ Y4 p) r4 a$ y. Z
  30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    : U& K, R& H( Q# b/ W# n
  31.   ! ]3 e3 f* |0 x! X4 q* t; G
  32.   //向服务器发送请求- Q+ D$ P- h- E7 [7 R
  33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)) G; J1 [% ^& q9 Q+ @* ?$ [3 j/ f
  34.     printf("connect successfully\n");# K% R4 X3 ]" G: \" a( k8 c+ L
  35.    
    8 G+ d4 i5 t% a; p$ b
  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 V: y: c( P$ n' c( z" A5 p7 }7 i
  37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    ' n7 P* }. @1 S6 H  Q2 E
  38.     printf("%s\n",msgbuffer);2 W$ t9 b5 I( P  T
  39.   2 ^/ e6 w5 i) r0 o( E+ ~) T
  40.   while(1){
    % F) l; @  W7 i( j( d* F4 q
  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
    4 I! w* {- }* o/ k/ q
  42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    7 P; P% g5 z1 G
  43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));2 I5 W( S8 q! e
  44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)' R/ W5 y1 Y  e# O' V) W- V
  45.       perror("ERROR");
    $ ?+ A( Z7 E: }( O
  46.       v0 \9 Z$ F& u' L
  47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));9 Z. d5 p: H8 @
  48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    / k! M; ]. u/ M! `: Y9 S( n! F
  49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    ; h9 E8 g$ V, S
  50.    
    1 g! m8 h* v0 P, N9 e5 }- {% g
  51.     usleep(500000);
    2 r2 |3 `, @; e2 K0 W7 g
  52.   }. ], B# R" e8 _: y& ]2 H
  53. }
复制代码
# h: n# s! m6 ~+ o0 d" E, ]* N& D6 J
- W3 `6 z8 h9 m9 }" Y7 a& {
服务端:
  1. #include <time.h># c2 k, B- W( R8 J( t  S
  2. #include <stdio.h>8 \  o# b/ v. X' m$ }$ z
  3. #include <stdlib.h>
    ( G) y: w& p1 a5 u& F; Z0 u
  4. #include <string.h>$ q! F% J8 ^% P; \3 Q, b
  5. #include <unistd.h>
    ; z  s; F0 J9 X! {
  6. #include <arpa/inet.h>
    4 F+ B2 w9 H* Z
  7. #include <netinet/in.h>
    ; h% k- X$ f: l3 m: _/ X
  8. #include <sys/types.h>; z2 I+ s4 k7 O8 U
  9. #include <sys/socket.h>
    # G" D* P- M+ x0 A2 T1 m1 T* g

  10. % h5 X1 c( R4 C7 d
  11. #define LOCAL_PORT 6666      //本地服务端口
    0 @3 v- T& v- a
  12. #define MAX 5            //最大连接数量- w7 j5 m4 y, a$ ~4 J/ `7 G2 p

  13. 4 p, N7 Y, W2 h, j) ~' E; {
  14. int main(){  c% W% q& W: m) ?- L6 Z
  15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    " ?$ p& m2 T, X# S) }1 _
  16.   struct sockaddr_in addr;4 h* \7 m5 ~! \& |( b
  17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);3 [* @0 Y2 `  M4 O2 N
  18.   char msgbuffer[256];
    + W8 T6 K8 l- j2 D; V5 S" Z' W
  19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";/ X: a1 r- _7 f5 |4 \. r
  20.   fd_set fds;: `8 K( D' t, S; A
  21.    
    & w' @3 X# Z& ?% `4 U" k
  22.   //创建套接字+ t8 R% F. b5 H
  23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);7 h2 J8 Z& R. s, s. D# s
  24.   if(sockfd>=0)
    . k, e+ Y8 Y+ f# M
  25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);9 b/ Z; n. s( X( Y

  26.   p' _# N, t1 J4 \7 W7 g1 [6 m
  27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中) ?( r/ |4 u$ F
  28.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    , `/ R2 w& A- J
  29.   addr.sin_family=AF_INET;
    $ ?  X& y7 B  ?0 \) r
  30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);
    + Y) B9 L/ U8 E# H+ j9 i: Z' {
  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
    * ~  R' l& a0 h! J6 d9 B
  32.    4 _! B2 Z* H% i
  33.   //将套接字于端口号绑定
    0 B/ L- o/ v: O6 E
  34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    * v+ G4 ~  y; ]1 x
  35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);; c0 f# L' w. t1 w- O
  36. ; W5 B: ?9 Z0 W
  37.   //开启端口监听
    , u0 b0 x$ p3 o, ]9 [/ S4 c
  38.   if(listen(sockfd,3)>=0)  i+ X2 f, Q' c6 Y5 C. p% P, n
  39.     printf("begin listenning...\n");
    8 `! u$ {: E4 A. H0 [. Q

  40. 5 w# ~& x2 r- r0 h
  41.   //默认所有fd没有被打开$ W! u! @* N0 [6 ?" K9 v1 B
  42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    ! K7 ]% S2 f1 e1 j
  43.     is_connected[fd]=0;
    7 e& A0 ^) ]' S

  44. & B0 ]5 A8 _5 v- _5 z( K
  45.   while(1){
    $ }! y! J$ W8 n0 K6 i0 b
  46.     //将服务端套接字加入集合中6 I% t' N2 e# V7 \' Y1 D# V( w
  47.     FD_ZERO(&fds);: L# t" A* ?. d$ `  ?5 W
  48.     FD_SET(sockfd,&fds);) s9 e0 F4 @9 n% e  E
  49.      
    : n! e0 Q! ?$ t/ V& y* D2 R+ m
  50.     //将活跃的套接字加入集合中5 k  q# p: M& u: G0 G4 L6 d# |$ x( {
  51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    # m1 ~. u+ E$ x5 C" }! o# \& i# y
  52.       if(is_connected[fd])7 O  U/ U- p) ]# F9 _: e/ [0 s
  53.         FD_SET(fd,&fds);
    - `8 A7 `& z) H( B" e

  54. , Q* z3 b( c/ K  Q7 s9 e: K
  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00 D' q$ D7 p$ x/ H0 ~0 U% z0 B6 k: ~
  56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))! ~8 L2 {& ]; {4 s# q
  57.       continue;( w7 \% M2 s( p% |- B- x: ?+ _
  58. ( I" ~, D8 Y. H! M0 w" U
  59.     //遍历所有套接字判断是否在属于集合中的活跃套接字/ y! S8 e5 _2 v, I4 D3 Y$ w7 g
  60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){% p) X7 K, C) m; i
  61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    9 Y! D0 R$ E% s5 q0 {
  62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端,那么与客户端accept建立连接
    8 [9 k% n$ |6 L! V: r4 `1 }
  63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    & t+ ?# X5 ~; n$ C. R8 m! w
  64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语: x. m5 C9 j! z; s# B& O
  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
    4 ^7 Y" y& [! r6 [4 G; g: S
  66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));3 L3 N4 Q, l8 g8 p( G' r" {
  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
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  68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){ ) b: r/ `. s0 G, c
  69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));  F. B/ s! ]5 ~
  70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    & A8 J& N6 \1 f: N( Z3 E% t5 @
  71.           }else{" K- _. X0 o" B0 H
  72.              is_connected[fd]=0;1 p9 _9 Y: i# J1 j0 N% V! N
  73.              close(fd);- M+ G) c; z: I2 J% Y
  74.              printf("close connected\n");
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  75.           }' x0 j! i( e: T8 @
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