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

# v  U% @* Z  x. h5 G2 ]. h

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）
6 q( ?/ i# a; x

5 d- i9 D' k; L  M0 l
4 N% Q* f2 d, T/ L3 h

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
+ D+ Z7 v, n& Q: B+ N1 F

       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

# Q' w9 \5 l4 A, o/ q0 S

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）

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）

- E3 F7 U; H7 s8 K! m' K/ w6 A% X

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  B* A) k8 T: M, @5 ~( t

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. 
   
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。

& N% ]. h0 ~3 @' k1 z    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)

4 p$ h' o) h$ s; M( q1 T* w    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：
' }* {' o9 B6 V+ G

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. 
   6 u( `. r3 N/ L1 w; W, f
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 U8 F1 d/ V0 F! d# C. N: x
   
2 ]2 L- N% L$ \: T% Y/ 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
     V' _# ~; R; O* ?8 ?7 f5 K
2.    
   
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   # v, G  x$ U  N7 P  _: x0 l" s
4. 
   
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   ) S9 l; C2 _5 n( H/ c3 y, F
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;
   : _. t0 V5 N1 A0 T* q) z& e2 D
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   % N  H* G' w( }4 ^1 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,
   ! j/ Q: ^  b/ O- p* b
8. if(FD_ISSET(s, &set)            //检查s是否在这个集合里面,
   . D1 B4 w7 \5 E# ?5 z6 n! U
9. {                               //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
   , w, \% Y7 }3 M# G. V( i- l
10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    4 ~! X5 r& L9 ]7 ~! p& X# \- J" w; N
11. recv(s,...);
    
12. }
    
13. //do something here
    
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。
   ; d1 o/ Q/ w& R, \8 D4 }
2. 
   * F. d5 w- x# F% S
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
   " x% S# K2 ]1 c! h2 ?, g
6. 
   
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

4 H/ l$ P: a# L+ c, T- N' ]9 X
% g" Q9 y3 {2 q7 K2 ~( l2 C

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。。。
0 v. V9 |) ~* f  _( g

客户端：

1. #include <time.h>
   . a7 z1 A0 ~7 F8 A
2. #include <stdio.h>
   , F) K( v0 B/ O1 j2 Z
3. #include <stdlib.h>
   1 Q# A+ q5 h/ f5 c, c5 j
4. #include <string.h>
   / [' T0 y4 Y5 B' f' z4 `" R; w9 A
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   6 S$ v9 @, c6 z# J' N# W2 R: E* f  `
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   
9. #include <sys/stat.h>
   ) |) g  h7 l' |& I. W* p  t* X
10. #include <sys/types.h>
    % W$ A8 d* Y( o; ?/ W+ v
11. #include <sys/socket.h>
    
12. 
    
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    ' S, K2 Q) G3 ~
15. 
    ! X1 Q8 g' o6 |- N
16. int main(){
    
17.   int sockfd;
    
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    " L6 _: w0 P# c0 s0 B& g
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    + K2 r- }! W" x8 D, v
23.   if(sockfd>=0)
    ( H4 O- V0 r1 ]6 V
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
    ; i! b$ S* y7 ]* A* [
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    9 ^7 W4 q! q$ c. F. z/ R) o2 W8 w
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    : N3 p& i- [  u& v  X- i6 ]0 i
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    
31.   
    ! R' H1 l% G& V. W% B  r7 Z
32.   //向服务器发送请求
    4 b# b; z# s! `4 W/ p4 G
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
34.     printf("connect successfully\n");
    . L, r0 {7 D7 N5 a8 e" g4 ]! v
35.    
    ) f. r" b3 \9 o5 ]& p" \
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);
    + F: Z4 g/ T  t9 q
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    . L: S9 \) b% v! d/ z! V( R
39.   
    0 L) ^0 A' c# l1 p0 J/ Q: u, c
40.   while(1){
    ! _0 P0 A3 q. a; ~1 F
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
    ( U7 Y' Z* T) r
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    
45.       perror("ERROR");
    & D8 d! L8 V; {' l, b2 j$ u/ K( _. H
46.    
    
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    % P3 P+ |: j% z$ u9 i2 f# `
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    ; j9 Q7 Y+ G; c% A$ D8 `5 B& e
51.     usleep(500000);
    
52.   }
    
53. }

复制代码

+ f6 b, p9 x0 |( h. b* V

服务端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   + c7 b5 D& o' @9 G& ]
7. #include <netinet/in.h>
   5 }; l3 ?- q6 w; u$ E
8. #include <sys/types.h>
     b8 G" V( l! g1 y
9. #include <sys/socket.h>
   * H: }) i6 y, @6 R$ i
10. 
    
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    
13. 
    6 l! w4 ]( }- k* w
14. int main(){
    9 o7 Q6 f. Z$ B3 x- n
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    " B4 Z1 j. P3 E5 t% j: v
16.   struct sockaddr_in addr;
    
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    
18.   char msgbuffer[256];
    ) N8 n! g4 I4 o3 H) S$ W2 u* j* o- M
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    1 @/ S2 r  C" q
21.    
    & @& {# h! _+ E% x, U6 {! g- N9 W
22.   //创建套接字
    
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
24.   if(sockfd>=0)
    . n, t1 `0 `. R4 b
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
26. 
    4 \0 D* d6 \" K- E
27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中
    7 ?) g' G. z- O# p: m" l! C
28.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    4 f) m; U1 Z2 @: H  V2 j+ `! v
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    : z2 y% D: ~3 z7 P0 L
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
    8 C; z' _$ ^5 ^1 Z' D
32.    
    + y. g. u; o! c
33.   //将套接字于端口号绑定
    
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    1 h- P2 }. Y/ a- c) U2 r
36. 
    
37.   //开启端口监听
    
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    
40. 
    7 l3 V. u4 x' v$ i% H! G
41.   //默认所有fd没有被打开
    . K- S) S/ D0 Z3 f- Q
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    
44. 
    
45.   while(1){
      _' o, S( Z6 r) P% V/ j/ }% c& w
46.     //将服务端套接字加入集合中
    
47.     FD_ZERO(&fds);
    2 y9 J2 C5 p4 q  `  _+ {
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    % M3 g" e9 o0 a& i5 }3 H. ?
49.      
    ) b& ~' F1 W- |+ F5 Z% X& H: R
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    3 s  q9 v; Q6 K: Q0 s% j0 [* Y: u
52.       if(is_connected[fd])
    1 K, n1 `- H1 y9 ~
53.         FD_SET(fd,&fds);
    + T9 t8 D7 Y* e+ v6 {+ c" w8 z
54. 
    ! ^2 a" R# r! w" 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0
    : z1 m$ }( N; R; j4 H- N, A$ ~
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    
57.       continue;
    ; X  T& G  N4 f) d" o6 a+ D
58. 
    1 ]9 ]2 D2 K( ~- f- }3 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
    
60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){
    % H* N0 c. D) Q/ c1 L. m) ~; Z5 K
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    1 [- i5 z6 G; F% c% ^/ K/ \
62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端，那么与客户端accept建立连接
    9 r% }3 V' \; m. _. w8 R, _
63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    $ w$ {  b( n' j* `/ x
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
    : s$ S. A0 F! s0 [# T
66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));
    3 l$ x/ H% n' \! A
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){
    5 d2 Z/ |  c8 x; a# F( v
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    ! D, l1 U# x: `
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    . ^" t/ X0 }' K$ @
71.           }else{
    
72.              is_connected[fd]=0;
    1 M$ \. u2 T$ k
73.              close(fd);
    2 W; ?  P- R2 f5 ]1 j, R2 ~
74.              printf("close connected\n");
    
75.           }
    
76.         }
    6 M& l) n0 g# z1 ~" e
77.       }
    . c' Y7 F: p- `$ C# a
78.     }
    
79.   }
    % O# a9 _2 o7 m- T. |- z1 u
80. }

复制代码

2 j  U* S1 H8 b( Z& Z0 }
% Z4 I1 ?/ v! k, C* F. X2 v! S1 W8 b4 `
5 j2 X( `. ]4 Z# A