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

1 f3 k1 j% J$ d1 i% G/ ^* u

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。
- I! x# U2 x7 e. g0 T) P# n) f  k

     "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: Z5 q% ~# Q6 w, a; Y4 T; P
1 M; J( M2 _' i9 A! [& y

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

       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

9 @" ], h2 c" ]! j- p( [
+ a" H$ c/ g' |0 |! L

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）

3 z  Z) c$ m: o0 ]" {, }  @

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）

6 ]) n5 `+ g- n" K

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。

+ W3 I/ ?6 T0 W6 H& ?. \  k1 D/ p3 [

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>
   : X. G. q  |" Z5 `. l5 k9 y
2. 
   / h8 V  C, ^$ E$ z5 q( n: ]( ?2 d
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

. Q; g$ v  Z; z/ ^: W7 [    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

0 W8 c  i9 @  q# o    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。

1 s% A; J0 W3 i. C4 ?/ Y    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)

" T$ c5 S& E& J! `    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。
, c6 }/ d+ P! y& W9 T& b: z' l: w- D
    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：

  x) K% ?' W. g) X! m

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）
   8 ~3 R+ E& Q  _' Q1 Q
2. 
   - ^! Y' T1 U; T3 h# x" Q+ e+ [) Q
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. 
   
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  a& s; O9 ]) |9 _8 t
2 a/ c* l  r- K( b* ^+ k  E9 k1 ^9 J   
# c4 }) l4 G. J  Z3 F6 H

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.    
   ! M& u; f4 u3 S
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   
4. 
   * N6 @  K5 d9 Q3 R
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   
6. 
   8 M7 M1 X* m9 y& Y8 L
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;
   7 s( n; Y; O1 t1 I0 E, d
2. .....
   ' c9 x+ L' p0 t7 O; ?
3. fd_set set;
   
4. while(1){
   ; y- g" [/ l2 t6 @0 a3 _$ |
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   0 e* W" V9 Y8 j/ v$ 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
   9 |2 l# v' P* [/ ^+ {9 o
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,...);
    # c# G; n3 D0 h- G: X* a
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. 
   . p* y/ K4 c; x# |  b+ 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
   4 G9 ?  p$ i8 U; E
6. 
   0 _' V% s( s, X0 E6 A( `  B
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   2 T, H5 Q) U& O" v7 K
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

0 ]0 p+ r7 V  O. e% v% G0 h6 q

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。。。

客户端：

1. #include <time.h>
   ; p4 G+ D9 F; C% ~2 k$ r& G# L" `
2. #include <stdio.h>
   + W5 E. y1 [6 p3 s# R6 o
3. #include <stdlib.h>
   # c: N! m% T2 [5 H
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   $ F$ w9 V7 T/ D6 T
6. #include <arpa/inet.h>
   2 f2 g/ {# n- w; d  N
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   , D, d  e8 @$ x/ z0 E9 r
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    
12. 
    5 c7 C, n8 ]# D: {8 o" G; h
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    - G% n, S' ?8 ?9 o5 G% ]4 u
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    4 L8 U7 o( E- t# I
15. 
    
16. int main(){
    + `4 n0 T. N9 ]2 r/ s; l
17.   int sockfd;
    
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    + b# A/ J* q& U, E9 ?
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
23.   if(sockfd>=0)
    
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    6 A8 ^$ j9 N; E" ^# V. \$ m. t! I
25. 
    * N" W" \7 F+ b1 Y+ S. f3 j
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);
    ) G0 }& M: d3 I) @- P. B% K
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    4 j8 d( G/ f& p2 m2 g/ s7 E
31.   
    
32.   //向服务器发送请求
    
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
34.     printf("connect successfully\n");
    
35.    
    
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);
    
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    
39.   
    
40.   while(1){
    
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));
    
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    0 I3 a0 M# W) |& N5 ?
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    
45.       perror("ERROR");
    
46.    
    
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    $ c$ x  G! H+ g3 `  Y# U5 R% e
51.     usleep(500000);
    
52.   }
    ! W# X  Q2 [! S! [7 J: d
53. }

复制代码

+ }/ k0 P" M( \" I& |$ p; y8 t5 i
  H% Q+ F0 E- |% B  h# F7 s

服务端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   ' O  A. M" o( }/ M1 k( i
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   1 e6 ?; s4 c8 }: M# I
8. #include <sys/types.h>
   7 q* k" r- E  \  W" s3 T+ [/ o
9. #include <sys/socket.h>
   # O$ n4 k$ i' `9 v2 C7 o
10. 
    
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    : P- b6 G- C  B. y0 k4 S2 P
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    " n, x: K$ F6 S; @6 H  j, F
13. 
    
14. int main(){
    
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    
16.   struct sockaddr_in addr;
    
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    7 x% c( Q7 Y" I% ^3 \3 |
18.   char msgbuffer[256];
    
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    " W' {1 A$ F5 A/ K  _
20.   fd_set fds;
    & J9 w, I) l9 E: w2 h1 J( l0 ?
21.    
    
22.   //创建套接字
    5 r; U8 @5 b' G
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
24.   if(sockfd>=0)
    
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    5 H4 w% C+ e( d
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));
    
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    
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
    . s! D+ l$ Y: i; D" w6 |5 A
32.    
    9 E& y* n( h! T4 [
33.   //将套接字于端口号绑定
    7 E4 Z5 a+ c) C# g  \1 |( E% R
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    
36. 
    + }$ w: Z* r5 I" v  Y0 i( X4 A- L
37.   //开启端口监听
    / _" ]$ _. E: I7 S3 C
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    + s- R+ q( b8 G5 _. l
39.     printf("begin listenning...\n");
    
40. 
    2 E. j6 ?- m! f' j0 V1 p5 X
41.   //默认所有fd没有被打开
    ) ~% P1 Z0 p& [
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
    " H5 \' Q0 f! m8 j$ r  m
47.     FD_ZERO(&fds);
    / D' j" F0 k$ |+ K, {( @
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    " p6 V  N  P% n
49.      
    & |/ u; b, E4 `% Z( f* l
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    - ^, u9 I( l# }2 q! |$ D" S
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    9 o/ Y* z/ d- X. U4 x, a; t
52.       if(is_connected[fd])
    
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
    
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    0 g3 R" U7 w9 k" ]8 c3 P
57.       continue;
    
58. 
    ( z* t  D& A  m; e' y" K4 N
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++){
    
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    
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);
    & q3 ~1 \* f# P( Z0 I
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
    
66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));
    5 ~- c( U; d/ q2 C' @6 w
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
    ; d# ]' b3 Q1 a/ J  g& R( i
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    . V/ k8 @* r# K7 J5 L
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    ! A8 u& A: i: z
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    
71.           }else{
    
72.              is_connected[fd]=0;
    
73.              close(fd);
    
74.              printf("close connected\n");
    
75.           }
    % a/ i, C  F6 D% F* N* e
76.         }
      d$ k- \! c2 g4 V% `8 A
77.       }
    
78.     }
    
79.   }
    
80. }

复制代码

- c5 ?) H) \" O. X
% z6 u4 v( S2 b0 y! S& M


" }) u: T' Z7 t5 p# p! z