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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

' J+ O1 \# ^* K5 ]- k( I
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。
+ R: c  V8 g0 E% I$ b1 a
     "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)
: {3 Y* v! {$ ]( Z1 r! x

/ [% a% L: w  T* d- Z
9 Z1 ~( m7 W5 a0 @# n
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
- {, n) y6 E9 G5 ~, R) c0 P
       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

+ T+ j" a$ x2 }% C  N; X' G! j
! E# ^# x* m; Q8 }( q
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)
* S# b9 `. ?9 ~4 f3 `! k3 g- ^! [

+ ~+ b( Q: _$ 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' H0 |" ?- \+ E1 i

0 C: f! m( c' z* M' d5 y; q* q1 h' c# Y
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。
* C: s" F! `; r: r" R$ {

# g, A1 }3 E* v1 R  P$ H& r
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>" g0 F+ |" k  D. |+ N

  2. * v. R# ]3 x! i  f' P- [* R; ^; X
  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
+ H1 m# {3 {& k$ D0 G; E- k' U
    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

, {1 r9 N- ]# }* S0 X% G5 Y    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

- L$ ]! N: F9 S, L: X    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)
+ S8 t2 W, L" E& R/ `' p' u
    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。
7 @8 x) Y/ S! i; H
- V  {9 b4 E& ~9 e, J; J6 {    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:. p9 d5 a6 a: `+ [+ O6 W, v5 t

: F" p- T- m, J, h- k
  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)
    * S! Q6 P" Y$ ]7 f
  2. . Q1 h9 T0 B+ I9 m3 A5 y% ~
  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)
    ; ^$ [& G( J4 H$ H
  4. : \3 Q6 C1 N0 G6 u" Y5 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。
/ u$ W# `5 L3 c( [9 J- U
' a% r$ p+ A" b) l1 S0 @; n0 r' [   
: u9 Z0 O  }; S
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 S( c; J) L& G# D  @: T
  2.    
    + T+ o1 W! c% _) |% g! w
  3. FD_CLR(fd,*fds):   从集合fds中删除指定的fd
    , ^( P+ U& }/ {: b: U/ v

  4. , N& L4 u9 }/ i" s( M( O* |9 _
  5. FD_SET(fd,*fds):   从集合fds中添加指定的fd7 E$ o# u* J% m3 [0 H

  6. + n7 K9 g. K3 I
  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;# q; b- O9 o% y  a
  2. .....; h- ^$ J& y& W# H
  3. fd_set set;6 L! r* f+ B6 ~' F
  4. while(1){
    $ t5 n' i, f* _# t" h
  5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
    * ]: K, Y" q/ T/ g: c
  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
    ) N( X' \$ M0 E" J* R0 v
  7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
    5 R( m" ^2 c4 P4 C
  8. if(FD_ISSET(s, &set)            //检查s是否在这个集合里面,
    " K  Z& E2 X1 C4 J
  9. {                               //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
    6 X$ p) Q! O9 s
  10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面8 j% _1 Z( D* {  E1 {. z$ u
  11. recv(s,...);
    6 h; h0 q7 c$ R) ]7 F- I
  12. }
    / g# y$ f: E: Z/ M' W
  13. //do something here
    ) q, f* d% V7 r0 d) }- N4 E2 B" x
  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。# C; T  I2 G( Q

  2. $ S1 j. I  S. L& P, J  _4 d/ C
  3.    (2)若fd=5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
    / [+ _( n2 }; D' u9 u
  4. 2 K9 Y7 I" ]. I; s/ f8 r# k
  5.    (3)若再加入fd=2,fd=1               则set变为 0001,0011: w$ O$ U8 w7 Y
  6. , p. m; G6 y) p$ ]
  7.    (4)执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待0 p+ c  q8 E- ^: T
  8. # y4 a" k5 ]6 l. l
  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

' z5 i$ u. V2 o* [. `0 o
4 x$ s* w  F; Q. _! }
使用select函数的过程一般是:
. d" E# d+ \4 ]2 |! @
    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。。。5 i* P9 p! }, p, ~
( ?5 P3 }% n5 M! c
客户端:
  1. #include <time.h>+ G2 R# I4 ~7 c( M6 m% F
  2. #include <stdio.h>
    ' c9 I5 w7 S9 D& D% @, {
  3. #include <stdlib.h>
    6 _# Z7 m( y7 B! G1 X
  4. #include <string.h>
    & j5 F, i% }# q' s8 q; t/ ?
  5. #include <unistd.h>7 X! K8 |. {6 [( L# j2 S& ]! ]
  6. #include <arpa/inet.h>
    $ D! r4 M- s6 K3 r5 Y( ]
  7. #include <netinet/in.h>
    - e/ j1 T# ]; X+ C2 L
  8. #include <fcntl.h>
    $ W' Q8 C) A$ k4 [( J9 |* G
  9. #include <sys/stat.h>: Y1 h. @, P0 }( i
  10. #include <sys/types.h>' I9 ~+ v/ o, Z3 d* J
  11. #include <sys/socket.h>4 B% G, I: x; ]: l5 r7 V

  12. , G% ^, `7 ~2 L: }5 R
  13. #define REMOTE_PORT 6666        //服务器端口
    7 {; _3 g0 s# r9 S" \0 x8 e
  14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"     //服务器地址$ D. J1 N: L% J/ E7 C; u
  15. 1 k  ^( H( f  L% O  ~7 a
  16. int main(){
    " A' W3 u0 f) a2 A3 n" `& F% w8 y
  17.   int sockfd;  P% e) u" F0 G
  18.   struct sockaddr_in addr;
    $ D+ q, P5 b( i# A* u1 q6 H
  19.   char msgbuffer[256];
    ! q2 ~: Z" Q: i
  20.    + P/ w+ ?  j( X2 P8 \4 E8 j
  21.   //创建套接字, G2 [" x6 r. u0 o
  22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    9 g8 }$ N; L9 q! J) \1 q! G
  23.   if(sockfd>=0)
    / C5 Z" Y; g1 e: }% u
  24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);+ \! B3 Z  F) m7 }

  25. ) [3 a" T, e. o& j5 M/ O
  26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中& y* c4 W" Y- b' ?* G* o( R
  27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    / V4 d6 B2 T  G& |1 N  X8 \; y2 q
  28.   addr.sin_family=AF_INET;5 V0 j& l, K7 @0 d
  29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);/ X8 ^+ m) v. @
  30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    & o- R4 ?% k6 Q+ X; j- b8 G7 ~
  31.   : f4 r) K# M% V0 v$ X
  32.   //向服务器发送请求
    : d3 d5 s6 _7 t9 r
  33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)* ~- v% m- I9 Q: l  A! W  n
  34.     printf("connect successfully\n");( P9 D& R/ i9 Z# j/ r, [+ }
  35.    
    ( o/ N6 a" ~( h7 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)
    ) W0 [+ `+ X& U( j
  37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);' f7 F1 k4 }9 y; H
  38.     printf("%s\n",msgbuffer);& A% w. k  j! W# k
  39.   
    7 l3 v# b* C9 m7 S/ g* b
  40.   while(1){- ~) b1 p6 x. A) s% 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: X+ K  V( \, Y. M9 C; o+ l
  42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));: `5 z) i* |# t7 o" ~
  43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));8 k7 Y1 P# v1 y
  44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)5 A/ G; `. O  R
  45.       perror("ERROR");  H6 c8 h$ `% [3 ^
  46.     2 U/ \" t1 k& `' K9 k9 p" S0 H1 r
  47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    / r3 g' b4 i3 l/ Q
  48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    $ Y# G% ?+ N! F3 F3 G1 `/ e
  49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);( h; ~7 f, H/ e7 w" Z
  50.     & \% j* Y* ~# v1 |( f' M8 q6 L
  51.     usleep(500000);. l! J8 x4 Y/ C, t/ P  T" h
  52.   }
      V( w1 ?3 Y, P: D  v* y8 l- a
  53. }
复制代码

! a% H6 O: Y. z
6 b- ~9 {1 e2 i: `) Q
服务端:
  1. #include <time.h>
    ! O' b1 @- r7 b* V" \7 x/ C# Y
  2. #include <stdio.h>9 t) S$ y' I2 G3 L/ ?2 T
  3. #include <stdlib.h>
    ' \) f4 x- U6 q! w
  4. #include <string.h>
    , V& c3 ^, _4 p" b0 ^
  5. #include <unistd.h>. L/ I7 d2 X' ?* [% V% p$ N9 D
  6. #include <arpa/inet.h>! ?1 [. p* w7 \) e. t6 J5 y
  7. #include <netinet/in.h>
    6 b6 S8 J5 d+ b& s2 K
  8. #include <sys/types.h>
    & A4 }. S- H4 s# y+ g; I
  9. #include <sys/socket.h>
    ! N) x' c; Q/ x3 Z4 M# b# l( L
  10. 6 }% t6 P' g3 ^
  11. #define LOCAL_PORT 6666      //本地服务端口
    . i9 A  ~  x5 \$ L
  12. #define MAX 5            //最大连接数量
    1 @* U8 t& R' F( z2 K
  13.   D! C$ c0 T& R0 D+ d
  14. int main(){
    7 }' M; q# |# S& z
  15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];  N5 n+ v  J) D
  16.   struct sockaddr_in addr;
    & S; L& e+ A5 b
  17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    6 C" G) Y. `- }- z
  18.   char msgbuffer[256];
    9 R+ }; K( r5 ?. v2 }# E% r
  19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";, W8 t1 T2 e3 V2 V- m4 M
  20.   fd_set fds;2 p8 ]8 a; @# K: N! L- g
  21.    
    0 n. C2 H2 s, b8 a$ t/ S
  22.   //创建套接字, h  c5 Y% B0 y/ f3 P" `
  23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);$ q& _) g+ l! y1 g& V9 {
  24.   if(sockfd>=0)
    , u' j8 S$ c. q/ z# L1 D# F
  25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);; O5 {' d+ t  H( J" ~+ X1 Q
  26. 4 E1 V2 V* u& 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* R/ r/ m) R# w1 q
  28.   bzero(&addr,sizeof(addr));5 s8 m/ g3 \& S" I& a( O
  29.   addr.sin_family=AF_INET;' V* E* c* b  R, E0 x$ n
  30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);; G% H9 g& w3 o/ w. [; v
  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' r6 P. P1 x, C: d5 k
  32.    
    # ?& D) ?6 y% y  [) \
  33.   //将套接字于端口号绑定
    $ P9 b, ~4 r/ C6 G* B
  34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    " ?3 K1 k1 ]2 C3 F) B! Y# Z& H  D5 k
  35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    8 b5 O$ u% z/ o* L' U8 s/ E

  36. % G2 I& ^$ V& T- v
  37.   //开启端口监听
    + ~) w/ n& }2 s  I! ^) R
  38.   if(listen(sockfd,3)>=0)& y9 j' y/ n, p3 ^! r
  39.     printf("begin listenning...\n");
    7 e+ [# `7 h- a
  40. ! |8 A7 p/ ?; n8 W" c1 g1 |
  41.   //默认所有fd没有被打开% S  h$ ]7 b. E
  42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)7 c+ k2 P9 z7 `- |) u" G, ~
  43.     is_connected[fd]=0;! v1 h$ r* ?6 s7 z3 A. k

  44. 6 Q3 R% ~3 V# Z; D
  45.   while(1){! o! s  A% B: }( N3 D$ w) Q9 _
  46.     //将服务端套接字加入集合中
    ; S# {; ]8 O$ |- Y! e7 \4 P
  47.     FD_ZERO(&fds);
    6 ^* |$ x1 i. K/ I" o
  48.     FD_SET(sockfd,&fds);  S& s4 d+ q; M
  49.      
    $ q( n6 S6 _( x. r
  50.     //将活跃的套接字加入集合中; X3 C; ^/ [0 ~' x$ _; E
  51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    1 Y. P% k. u/ m
  52.       if(is_connected[fd]): h0 W1 D+ o1 j+ R8 @0 D  o9 Y
  53.         FD_SET(fd,&fds);  s' ^. h6 N% h& [/ D$ p

  54. $ J; V9 f; F4 Y* b/ j4 d3 F
  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$ n6 N+ M, l& w9 h9 g
  56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))+ U; V' R1 B8 L6 n/ U5 B* z) c/ J8 g4 J
  57.       continue;& h0 K" }0 M( P0 i# A/ o

  58. ( x5 k6 z6 _( M8 w+ }
  59.     //遍历所有套接字判断是否在属于集合中的活跃套接字
    " p9 s2 G; K) U) C
  60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){7 h2 g9 O! {* `5 f, l
  61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    3 V$ H: C  H) t5 L
  62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端,那么与客户端accept建立连接
    4 P% r: c3 k) ]  m+ S: ?
  63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);
    ; g/ O* _- E& o: b
  64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语0 j. R, Q; V" @7 n. ]9 V
  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 c/ {9 ^( W! E- U1 }. e
  66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));
    3 q( c! Q5 T/ [# z$ O
  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
    * m- l& Q& Z% i/ C: V" j
  68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){ 1 d3 u" `& }4 t4 K/ b
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