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

4 }( e% b0 @3 |$ i  J

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）

8 K3 }' |1 P* `& y( k
* n* Z$ {: P2 o  ?) 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
1 T0 K5 Y3 b; W  m0 C: K

       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）

2 D2 U' o% ]$ \- w5 V5 x! l& ]6 [$ W

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）

7 I8 v0 E7 l5 U5 w# F: o+ }4 A

2 g1 T; J' `) M, s7 g

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。

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. 
   4 }) p' Z) H2 Z2 V+ S7 u- F( L$ s2 F- 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

    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

    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。

9 P1 o& j/ {/ M' ?# [. k& M    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：

+ U# d1 t3 |2 A  `7 U2 i  R2 x1 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' O6 T+ q. r' x
2. 
   : @/ `* A! f+ y9 h2 t1 e! L' `. I
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）
     l" m3 \1 }$ ^( l! w% U4 j
4. 
   
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。
* ?( x( @0 O/ q' O7 M
   

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
   
2.    
   
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   . M2 O- K! J7 ^9 O/ n1 Y% G$ b
4. 
   
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   
6. 
   0 A8 ]. F1 ~# j- @) ^
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. .....
   - g% V, q) M3 h, y9 X( B
3. fd_set set;
   ! k7 f: L, I9 m; u
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
     a9 w/ z- w+ b. Y* \+ u
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
   + X# F# d/ s# q" s8 I& [: L+ Z7 v
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,...);
    7 e# w( {% Q! l  Q7 N: Y
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。
   
2. 
   " g# ~6 E! I% f
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
   
6. 
   0 ]) @4 w9 c. s4 s- b/ k& C
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   
8. 
   9 O' ]7 c! ]- ~. e
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

: p' F& h3 B) G* R, F# s9 J- O

使用select函数的过程一般是：

# |- L4 I9 Y9 R  \* V7 @0 w4 a" _    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 u7 T- Z, N! x+ z

; H% [( `; v( q, K/ I  c& T

客户端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   8 l; r. w# h9 h7 `* Q* F1 i2 B( x
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   ; j! v' I7 H! u; @" V
7. #include <netinet/in.h>
   5 c6 h# M6 g3 N+ p) O7 y
8. #include <fcntl.h>
   
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    ) g' k0 Z; r. o
12. 
    
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    2 O; J& r$ i4 i, h6 w
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    
15. 
    " c. T' _7 R+ u' s+ p5 W) [9 v9 f
16. int main(){
    
17.   int sockfd;
    ' G# Z! f& r' T; e9 l" k( ~9 }! L+ x
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    
21.   //创建套接字
    1 m% I- v) G$ L5 V$ A2 u1 d
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
23.   if(sockfd>=0)
    ) A, ^. f$ ]: p; P3 F
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    8 n7 _6 \6 b8 V& T  ?- G
25. 
    - O5 y* ?4 ]5 A2 T9 u8 F$ W$ `& @
26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    . n1 P8 i, g% U& O) c9 r
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    : O8 N2 t  |! [& ~- G7 }
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    - ]2 Y" }6 y1 p/ M
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    + o4 O) T8 g% O' C9 u
31.   
    
32.   //向服务器发送请求
    ; R0 M3 a- A- e0 U
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
34.     printf("connect successfully\n");
    9 d* M8 t/ m/ s! h4 d
35.    
    ) h! q: B- v3 C3 @- u
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）
    $ A8 m/ O) r* a8 I* ?
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
      @& f" H" b! K8 n2 m/ A9 `; H# z
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    
39.   
    , i) t* @/ q5 q! H; _1 ~: @
40.   while(1){
    2 e9 _9 O9 S" T% Z
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
    
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    ; K6 f* F6 s3 s, N2 W
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    8 r7 h; |0 X& |# b! x% x- w
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    ( V1 M* c' W" _. G  V5 E0 h
45.       perror("ERROR");
    
46.    
    9 ^6 `9 I* D1 Z) E: ^! M3 j
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    5 \2 K  Y/ ?/ F* W5 J2 d6 \* j* X4 C
50.    
    
51.     usleep(500000);
    # o7 g) s: O8 h5 V* B- w
52.   }
    
53. }

复制代码

- m/ i7 d' d9 l, M: u* [) s* r

服务端：

1. #include <time.h>
   * \" s# }# O/ \9 f& \' e
2. #include <stdio.h>
   - u, ~& [7 c  Z/ n, S$ H
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   9 d- B; |% O# p/ d& k
6. #include <arpa/inet.h>
   2 m" F" R, A/ K5 u; T2 S1 ^
7. #include <netinet/in.h>
   7 e2 R( C% ^4 f2 {  r6 V9 V
8. #include <sys/types.h>
   
9. #include <sys/socket.h>
   : w0 A9 }# O# {6 q
10. 
    ' Q. V% m# H5 l. J: s9 w
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    $ q# O  ]4 D- o1 D7 n. i; L
13. 
    
14. int main(){
    + D9 n- |( k, ?7 a; {
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    
16.   struct sockaddr_in addr;
    " V0 Q9 M6 W& x% f  }7 @! S
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    
18.   char msgbuffer[256];
    ; a2 s* a; y' J# f! Q" d
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
      ]4 K3 G3 M9 h6 P8 z
20.   fd_set fds;
    & I- J* X3 R' g" M) U
21.    
    7 L' k5 S3 K5 m& c  y% N, d3 L6 ]
22.   //创建套接字
    ! p4 C4 O: @, z, Q6 P4 `
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
24.   if(sockfd>=0)
    
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
26. 
    + n: ]) ~0 A/ q% `3 ~  q; |
27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中
    * I0 i* n5 K$ v- j6 |8 |4 S0 L* c
28.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    - S! |9 |+ l4 a/ f& }. n5 |
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    ( r8 f0 r! ^6 o/ M/ n
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
    
32.    
    4 g- Z9 z6 J1 m$ @9 D
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);
    % c. F) s$ K6 y% Y# q
36. 
    % U( r5 S, Q  Z1 k4 t4 M' ?
37.   //开启端口监听
    1 d8 D% w6 _7 p  C  @' F
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    ( P* y& A+ T+ B; ?
39.     printf("begin listenning...\n");
    . z, @, I* y+ Q, e3 w8 q! P% V
40. 
    8 ?) P1 a" m: T; {6 _6 y& h
41.   //默认所有fd没有被打开
    
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    - A+ J. Y9 H+ B& H- }" I+ r
44. 
    
45.   while(1){
    
46.     //将服务端套接字加入集合中
    9 T7 c( M1 V5 F% m, l$ c; W
47.     FD_ZERO(&fds);
    
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    ' F0 e% S4 F$ B& A9 }
49.      
    5 w. ~$ l& g3 |+ q1 z% u
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    2 f3 t9 j" {4 R8 E/ E% _( J
52.       if(is_connected[fd])
    9 p" ?3 V' @: u( q  ]
53.         FD_SET(fd,&fds);
    ' R" Y! p7 Z+ J
54. 
    - I2 a) ], E$ O5 C6 s+ z4 Y9 }3 q
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
    
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    
57.       continue;
    $ k7 t; d3 g: k0 r: L6 h
58. 
    : W$ W0 V1 z9 N9 a7 S& w, 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
    7 \9 @: L0 v5 G
60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){
    
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    ; {2 t( K& N2 Y5 b
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 H; ^* }/ L: E, Q
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
    " b; ^/ Y, s* z+ J2 |, z; F
66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));
    : Z5 P4 Y( a$ F. n7 a$ S
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){
    & V. I" {% m4 m/ |5 Q0 Y
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    6 J% J  ?7 F* A, Z  V# |
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    
71.           }else{
    8 f# P' c; f" v; k5 D3 O7 ^
72.              is_connected[fd]=0;
    / c3 t* H5 B* _% L
73.              close(fd);
    ' `7 B2 U. {& E
74.              printf("close connected\n");
    
75.           }
    2 n4 D' F3 L% b4 t  q% N6 {* Q1 Q
76.         }
    9 g  }4 S2 I5 r: b5 f
77.       }
    # N$ U- N# s0 N# C' l
78.     }
    ' @2 I) M4 z: c- u7 ]
79.   }
    7 d# y* \# H( a3 f2 @. o% m
80. }

复制代码

! x. [& x& p( a

: K; e4 L; C0 W$ B
8 X  K. J& }5 `: k/ L* u5 e
% O8 S4 c3 V. y' R" P9 c# p0 k