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编写一个简单的TCP服务端和客户端

发布者: admin | 发布时间: 2020-5-9 01:53| 查看数: 10759| 评论数: 0|帖子模式

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

$ @8 m# s2 q6 [" D
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。
7 D- l2 k% b) z, o
     "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)
- m+ v; G7 y  J. O4 U" F) g: \% |

2 _2 _% R, ^& o) K, Q! P+ b. L* A3 Q0 |/ _# q: U7 U
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
4 R6 p" K4 h7 m5 n! s
       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
2 O9 V" b  F0 y  F& Y. d4 t' K
" X& U- V' F& D& B: n8 m
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)

$ H7 a% g, \1 k. f" H" h% T4 c+ u. C) Q! S+ w! D
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)

* n* p: h( t( w; q' ~/ g  u: G8 l3 P; ~" w3 |

, i  \+ `4 A+ ]
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 W* R( ^) h% Q! ~' G
8 U$ |1 D# q6 t0 M; 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>
    # y$ ^7 v# [7 p. s" |* P- e
  2. " F+ Y4 d8 v6 M+ t. Y4 m1 R+ h9 z* n
  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
# W: @, s" _& d+ n
    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

# Y) S2 H0 K. b9 }    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

' D  Z1 W  z2 O; L& i" W) L: f0 ~) G    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)

# F7 \3 g0 o( m2 y    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/ i, A! W
9 m: z6 o2 r- i0 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:
" q. W3 E4 i1 Y: D
6 _2 j7 ^: C& y" u' L6 @
  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)) o3 T6 w( @9 ?, u$ e2 V
  2. . c+ s4 n. N* r( \! [
  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)
    ) _. @! e. Y5 F$ [

  4. 8 w3 _) a! o" g. g
  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。
. r" ]6 p5 u, t, h: m
7 j9 X* s) {' G   # \, f" ]% M0 |2 Z+ q2 y
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
    1 V/ A9 ^  k! Q( d  t1 s* A/ U* t
  2.    
    5 E- M) y' `9 Y) D9 `" _# ~
  3. FD_CLR(fd,*fds):   从集合fds中删除指定的fd
    / u: l) U. N& ?3 Q

  4.   r' w. E% s# _1 u: x
  5. FD_SET(fd,*fds):   从集合fds中添加指定的fd
    % S" i) @4 v' b9 |4 V: k; B
  6. * H9 V, [  t* F$ m9 h/ 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;8 {" X8 r% H2 ]" Q! j* O8 p
  2. .....) I) v+ D* m( ^8 W3 W# t* e
  3. fd_set set;7 U$ s) C3 {7 }' ]
  4. while(1){
    4 q7 w5 L! h3 p8 E
  5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
    $ c+ F2 J, {# l) 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$ Y* M( H$ w+ P# e. P
  7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,: H" b% |3 a# j# t, g: I$ ~
  8. if(FD_ISSET(s, &set)            //检查s是否在这个集合里面," I+ t& e4 @& L) k. _: c
  9. {                               //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
    : }$ |5 u2 c9 g8 ?: P' H. O7 n8 M% s9 u
  10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    5 {5 d; D/ g/ h
  11. recv(s,...);
    9 b; P8 N/ L2 T; {0 f$ O! [
  12. }" V" ~( L4 a+ p' i
  13. //do something here9 R' B, g) R2 P. @" E
  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。( j' `5 h! _. G( V$ [
  2. ' K& y; Y: I% P/ t7 L; d- ?
  3.    (2)若fd=5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1): e, ?+ w7 ^5 N" T" w/ u0 V
  4. ! s% X3 J* x- _9 ^& K. {
  5.    (3)若再加入fd=2,fd=1               则set变为 0001,0011/ U# n9 O( c/ X
  6. , Z+ C; s2 p* p: w( H% B3 e
  7.    (4)执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
    , ~' ~1 o* g, f; c6 [

  8. : x3 A# i6 t; `5 P- }! [" d: S# q
  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

2 c0 g/ C6 Z, l3 J; X
) q& E2 l% Y4 x2 y
使用select函数的过程一般是:
. `8 \  C; X( t
    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。。。
- {! Z3 L: }8 v! ?
& {1 W# t1 Q* \. v
客户端:
  1. #include <time.h>, b4 q2 q' G* C: S5 Z  ~
  2. #include <stdio.h>1 H8 I, e& l1 w+ u# Q& R9 o5 ~( g: e
  3. #include <stdlib.h>
    0 R7 f; ~3 a6 A3 w
  4. #include <string.h>$ y( J0 _! B( N
  5. #include <unistd.h>
    ; s2 R' ~4 G" I# ]2 S2 h) s
  6. #include <arpa/inet.h>
    ! q: V" E  p0 Y' _; K0 _& T
  7. #include <netinet/in.h>6 g8 N2 p; X# r" F$ g
  8. #include <fcntl.h>
    ; X. H8 d, L6 u# J3 X( g$ {
  9. #include <sys/stat.h># M/ s- v9 P% f( _: u
  10. #include <sys/types.h>: a% ?4 M0 l9 `: P) u
  11. #include <sys/socket.h>& f+ _2 ?5 e3 ]( I; V4 w

  12. . k2 f; E7 W3 Y& I
  13. #define REMOTE_PORT 6666        //服务器端口
    1 d  X% w& G7 u0 g3 C3 s* O- Q( W
  14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"     //服务器地址) V0 h" N+ h( f4 f8 U( M9 l
  15. / L1 G; F  r2 X
  16. int main(){
    9 N1 Q8 S0 C2 l( Q( s! w
  17.   int sockfd;
    ) E' f+ ?" i1 N4 `5 u
  18.   struct sockaddr_in addr;  ]6 T3 x' m4 A" s' J# |
  19.   char msgbuffer[256];# u+ A5 d: [- _( \. p) D. \1 D
  20.    8 P! |/ X5 v/ s
  21.   //创建套接字
    # X  D- a6 g& e6 f0 H
  22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);+ r; g7 S- |9 \* f  i. Q  G
  23.   if(sockfd>=0)
    $ j" r' y. P3 M- d% u0 I" J. H# [
  24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);9 {, }- }% ]1 s

  25. % y! ^2 B6 q  \0 z# D
  26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中1 i) Q" t! d, D9 O/ l3 z
  27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    6 {' A6 e! ?$ I+ I# K7 a
  28.   addr.sin_family=AF_INET;- g/ K' a, z' ~! ^+ E% a
  29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    0 Y# D) W. ~: T, M0 I3 U" |" t
  30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    / b; K1 j1 U2 t1 v2 a( m
  31.   
    1 i- `# \: u( d0 J/ b4 X; ^
  32.   //向服务器发送请求
    7 u, p8 |6 F8 Y5 a# t) r
  33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0); R6 J' Z4 l! I3 y) ]7 o7 J, y8 s8 A2 b/ A
  34.     printf("connect successfully\n");3 {! _/ ]* y8 E! u% Y4 J' H9 \2 h
  35.    2 P% `. ?3 f$ D2 S' a
  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)
    7 ]6 {( J: }4 d& ^) N5 _
  37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    7 K# D; {, N4 U. z9 R. }6 F; F
  38.     printf("%s\n",msgbuffer);# a6 g& S1 H. T
  39.   0 c1 t! e6 j  }
  40.   while(1){: V  J5 R! v& i7 C4 l
  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
    . p7 j3 t2 P5 v! m6 b" D
  42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    % {; H; ], _  v3 `& R7 F- v
  43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));6 r. w. R7 F4 P) L3 Y( ~
  44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)" Y, H6 T9 o" \$ p/ S
  45.       perror("ERROR");4 I$ s4 x; K9 z6 x: u0 n7 {
  46.     6 I- o+ a( l9 b0 z6 D% ^4 Z
  47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));) `5 m& M9 m5 b8 f  n1 z& E' s
  48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    ; j5 _: p& Y/ b; f/ i
  49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);  x5 ^$ M% i7 A& z: e+ R
  50.     9 W, a9 L) n6 b7 X
  51.     usleep(500000);9 @! Z; t, Y& J+ H4 Y
  52.   }. b, B+ L) t- s' \- V
  53. }
复制代码
1 g3 b5 I3 ]" @

1 s$ R2 l, w5 c# [& A$ q4 J; |
服务端:
  1. #include <time.h>) R3 Z1 _$ i5 Y5 ~, [- {' V' K
  2. #include <stdio.h>
    / e4 D: V. t& [$ O- ?" {' q$ n, `: e. ~
  3. #include <stdlib.h>' }+ F& w. }4 E! Y) k! K
  4. #include <string.h>
    3 r1 {- U7 u; o$ I# k
  5. #include <unistd.h>
    7 j7 z* K4 t/ q2 H) r; M/ `
  6. #include <arpa/inet.h>8 i1 k2 ]/ P8 L; H; A4 a" a
  7. #include <netinet/in.h>' i4 b- f! e$ y2 i. Q2 G1 L2 Q
  8. #include <sys/types.h>
    . G6 K* c0 [- ]1 ^2 Z& i0 U
  9. #include <sys/socket.h>( k5 ^5 e% |& C1 z+ U5 S: [3 Y3 u) D- L

  10. , |. H& C4 f; j& w
  11. #define LOCAL_PORT 6666      //本地服务端口
    , y% A3 W# D) u1 i* L1 l
  12. #define MAX 5            //最大连接数量
    % o; x& z3 O% G( b: O

  13. 1 G( x! p$ `5 y8 S) @
  14. int main(){
    - A- I* z. \! _$ ~8 h8 R
  15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];& J7 F# Z' R3 |, o+ H7 ^
  16.   struct sockaddr_in addr;  X5 V0 W& ~3 ], i8 k- m" ~( V. Q; j% L
  17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);* h9 \: L1 F1 w) L0 T# G
  18.   char msgbuffer[256];
    2 ?( }9 B1 d+ t0 C! b! B
  19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    - I6 \4 r& j! J1 _7 T
  20.   fd_set fds;# v2 b& @6 ?! H1 |0 ?9 X+ j" g
  21.    ! w" N# c0 n2 X5 \
  22.   //创建套接字
    ) L- Y) d( `) L$ C% a
  23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    6 B1 b% x8 S# y
  24.   if(sockfd>=0)1 F: u0 L: D5 q* I5 w
  25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);+ @; C! z  _/ m0 |$ k+ J

  26. - q8 D1 ]6 [( O, M! |
  27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中
    * N% C) f8 k( R$ S! i
  28.   bzero(&addr,sizeof(addr));3 _, S1 {! l; y4 z0 H9 j3 n/ P
  29.   addr.sin_family=AF_INET;7 [! D& h0 D* ~/ I. b9 w3 a
  30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);6 \, d3 F! }$ N; t, J: p
  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
    7 k1 ^  f, `2 n3 ~( \
  32.    
      [& ^6 ~" V& ^! d: K/ k
  33.   //将套接字于端口号绑定
    , ^7 Z' Z6 W3 F; i2 Q
  34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)) |0 o8 Z( O) g1 v4 b7 g* o. c+ Z
  35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    . p2 z: ?* i! S$ f# F* J* g' q
  36. # c1 e! T0 `0 r7 {! y
  37.   //开启端口监听
    ( H( ]* M7 Q  {+ M$ |( l- E
  38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    ; R, ^+ |2 O( m  }) [, X$ t" a
  39.     printf("begin listenning...\n");9 Y4 I9 F6 _1 ]0 M7 }

  40. & }- Y. O4 r# K+ N
  41.   //默认所有fd没有被打开
    6 m5 {. w4 N  E8 _, X$ M" ?
  42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)3 N% w0 n1 q) S* @
  43.     is_connected[fd]=0;
    1 L, F6 L$ P' o; q, }
  44. 7 `2 H  J5 d* I
  45.   while(1){
    0 M( ?2 I7 X1 b9 J
  46.     //将服务端套接字加入集合中0 V  P" \3 _0 \0 ?
  47.     FD_ZERO(&fds);
    ' g$ U! W3 v9 q6 n( A/ ?9 X, G4 d
  48.     FD_SET(sockfd,&fds);" i6 k: _2 G4 l* ^
  49.      
    + l" Y; g0 }' J% b. B" _1 e* H% C
  50.     //将活跃的套接字加入集合中
    6 S0 j3 H% y- N5 Y* M" g) _
  51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)+ w( q& N  Q3 ?4 U
  52.       if(is_connected[fd])- J- b& h& D5 c8 \& ~% G: T3 S
  53.         FD_SET(fd,&fds);, u! X. @3 a2 [, s" l# g
  54. + }: a/ F1 m9 P$ E
  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07 ?; t# \. Y" p% i
  56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))6 Q6 N. O0 B8 L7 A/ Y
  57.       continue;
    # H2 m% d- u( M0 u! A! s4 G5 Z3 ]

  58. & u, J* ~, [/ m' v  P2 y
  59.     //遍历所有套接字判断是否在属于集合中的活跃套接字: H3 o- D- R2 ]2 j5 r. t9 n
  60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){& a# C% L4 r5 u! g" V0 f9 u; z# W( P
  61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    ' K" A. b% A5 [
  62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端,那么与客户端accept建立连接- c& j0 F. ^8 g" V+ K
  63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    % l7 X7 ?$ H; ]% E6 ]
  64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    2 V7 C8 _7 s/ ^% g. b! @* V' M2 f( L2 W
  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
    + V# R' t" j+ \1 m& B
  66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));6 L' o% l- B& w% _& w: e( l
  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7 m  ]2 X7 ]7 \5 T- n
  68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){ & t8 b4 f  B9 ~+ s' x# _- S% M$ P
  69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));: Y- g: m  K0 s. u  K
  70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    + f$ F% j2 }  Q5 r$ j6 f1 H
  71.           }else{
    % W' G& P1 \' V+ f: p+ x
  72.              is_connected[fd]=0;
    : g( K- N! M0 I" E0 j7 A8 n
  73.              close(fd);
    + B2 E& o& }5 N4 O1 X
  74.              printf("close connected\n");( }7 S+ ?8 z! k
  75.           }
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