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）
0 y0 y& e5 U" |1 s' a

2 s* {6 a# f; f5 z- ^

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
+ p; v# @+ y# t) f  N# V

       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）

6 d0 U( U- T6 |% N6 V
* ?( X% U: u2 U, m* ^* h3 R

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）

& C6 j& N8 C3 h5 I2 L8 C
! h& q# A) _5 ?  U' 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。

3 `& A7 R8 ^+ L4 i! S; M6 C+ S
2 V7 \- C7 F1 Z. R4 O+ g- l

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>
     b! \  x/ L% }  p( Z) M* q
2. 
   
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。

! U4 }: K8 p6 p8 t- l* T: B4 [    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)

    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。
& w+ @% M2 H4 q+ Y! o8 Z
8 g/ a" S5 p- Z' ]    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：

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）
   # D9 u0 u/ S4 v/ Q4 `2 A9 G
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. 
   $ o3 M  [9 M6 B' H
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。
3 Q9 ?4 H6 D1 r4 D! `" _, ?
   
1 B2 B0 S3 ~0 r  ~

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
   . M( \+ @# E! C1 T; I  L
2.    
   0 r4 ^+ }) U# V) D
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   8 o7 d7 b. A8 I5 @% R! q
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;
   : d. J. @$ e* _, w
2. .....
   
3. fd_set set;
   # s6 v6 p) k& c- J, \+ r
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   
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
   
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    
11. recv(s,...);
    
12. }
    # [' ?2 \8 r3 H$ G) T
13. //do something here
    5 N- p; t% }2 R- s: m0 x) o/ 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。
   ( `% }0 n. s0 `! `
2. 
   8 {8 E; J0 K+ l" L" R
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   
4. 
   
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   ; w4 _# Z. `% _5 M. i% u% W
6. 
   8 Y5 {9 i! s" ^
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   
8. 
   0 @( O  L0 _3 R. m8 w4 T
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

7 |& S8 {0 u) N3 f
+ h6 J6 I; v$ v' J$ 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。。。
3 Y0 p' D7 z7 o  X  t, q: n' y4 w

; e6 L/ J) \) B

客户端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   6 C) ^3 d. f$ E9 l: ^" P& u
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   4 P$ l4 U. V5 B7 T. S5 p0 j& C
9. #include <sys/stat.h>
   4 y2 j! _7 Y4 ]( O+ [; H
10. #include <sys/types.h>
    ( y  U" y" e" a- Q
11. #include <sys/socket.h>
    
12. 
    
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    7 h1 Y; R. [/ x% x6 ^
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    2 F) O- N3 Y5 x7 k- }& _
15. 
    , d5 B+ x: v5 V7 k0 p- N6 L
16. int main(){
    : M4 C5 R( x) ^! [7 c3 I
17.   int sockfd;
    " _/ G& J" r- N* `
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    
21.   //创建套接字
    4 n& ]' c" h; \7 o0 j- R$ [  j
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    . b/ @5 J" d# o
23.   if(sockfd>=0)
    
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    ' ?2 j2 ]$ q. e1 y- Z% v5 D6 Q
25. 
    
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);
    + L9 B5 S% q4 W& Q5 x. O
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    ' r5 @% A4 p+ z  w
31.   
    * h" Q2 O* T. S! T
32.   //向服务器发送请求
    # U2 c. v( y* y6 O; R
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
34.     printf("connect successfully\n");
    
35.    
    # `0 Q) e0 {7 X) m( 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）
    . w% d; m4 q8 _  Q
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    & ?7 t! |4 ], r% h& p) `; S4 Q
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    
39.   
    1 _$ o  y& s6 E5 n
40.   while(1){
    / H* V/ H9 k' @  `9 t
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
    ( u* n' @4 Z  I* y3 B: G
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    - x* d) n5 \* b
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    
45.       perror("ERROR");
    5 K7 v/ A' E- O* G7 ~) i0 W
46.    
    ; q! H/ e3 s$ F) G2 {) Q: Q
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    ( I. I* I, R3 C/ M1 f
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    
51.     usleep(500000);
    / v$ L  v% J# _$ d# R
52.   }
    
53. }

复制代码

0 w& h) o1 B# b' C8 y  d( Y
7 ?9 M; u) q2 B& L7 C# j8 y+ Z

服务端：

1. #include <time.h>
   . l2 V$ z$ U5 K
2. #include <stdio.h>
   7 @% z# }: P' H8 V& b! M! Q
3. #include <stdlib.h>
   4 t; p& T9 Q; L
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   % b8 D1 Q: v3 {) U8 M
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   . w7 G$ j* w% N
8. #include <sys/types.h>
   
9. #include <sys/socket.h>
     g& z4 Z$ k4 U) Q8 t) E) M; g) S
10. 
    % w6 g. B) J  D1 x
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    3 \$ Q6 e- k- D( w9 V% ?) a
13. 
    
14. int main(){
    
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    * o- z8 L! \: i2 q+ S; Y
16.   struct sockaddr_in addr;
    . L9 O2 Y6 B4 [8 G
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    
18.   char msgbuffer[256];
    , o7 A0 h2 G+ ]9 a  I% v
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    5 p+ R7 Y# T! M' r, A* \
20.   fd_set fds;
    3 G7 O; y( K0 @
21.    
    
22.   //创建套接字
    
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
24.   if(sockfd>=0)
    ' S" i% E5 ?1 H3 o2 g, w
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
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));
      u! ?5 N1 R0 x$ m
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    $ q. ^5 j6 [# ]
30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);
    % x+ |. M0 k: Q5 L% m/ k( U9 j
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
    ! z* K) q  i4 L; j, f8 M3 m
32.    
    7 t) H! X8 Z4 D/ T. V! ^5 R
33.   //将套接字于端口号绑定
    
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    " A, w7 ~. l, m1 i
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    " E( V, O4 H# X$ i( V! d
36. 
    5 N1 I* \* U3 g, P! z- ^
37.   //开启端口监听
    
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    
40. 
    
41.   //默认所有fd没有被打开
    ! J( C# E+ ]1 k' B- k
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
    
47.     FD_ZERO(&fds);
    ; I& U( B0 D7 U* P
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    0 \8 t. m6 M9 D+ n
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    + L6 ^+ t  u7 J3 s2 m
52.       if(is_connected[fd])
    5 ^! O+ g5 z8 i# `- ?( m) X0 a
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
    , h3 R( ~( G' {$ K+ j; e
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    9 r" u: Z: l: e' A4 [
57.       continue;
    ! }. K, X( P- ]& x8 ~: d4 t
58. 
    % h: a( z, x0 z$ 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
    
60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){
    , Q8 r4 ^6 W) D$ I
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    - R# f6 p6 D+ a" B* ^8 x
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
    1 d1 ~& n9 M) }2 g! `
66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));
    ! F: ~+ ~+ w4 i6 z
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
    ' y7 e9 C, \5 @2 k& g
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    7 B: }6 r+ R/ N5 p
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    7 ?  l7 z; S9 L7 v9 l; a0 `! Q1 S
71.           }else{
    - D& w9 k& y% ]8 n# Z  K
72.              is_connected[fd]=0;
    
73.              close(fd);
    , g, V! x( t. a
74.              printf("close connected\n");
    ! i* S' n: a% `2 f" N' _
75.           }
    1 _  s3 b  Z8 [$ I8 `3 w( v! C0 G9 A
76.         }
    5 {6 B$ B6 S7 D+ t& ^9 s
77.       }
    
78.     }
    5 e* L) P# Q2 `% @
79.   }
    
80. }

复制代码

0 s& \; o; e. Z4 T3 @

# E7 t. n' M3 g4 A* V. p% f# d  y# `2 ?