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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
: n9 f( L/ k' U3 f
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。$ U  B9 y' t7 e# J9 c
     "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)& C( p5 D+ E% m: k

6 j4 B( F5 t. s. I
, u* Q4 C! U3 u; p& n+ j
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
+ M+ b5 X, n+ s& P9 c' P* }2 v
       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

. r# A- Q' N% e/ U; Y
4 O) Z# y& C: s. m- D9 b* \
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)

! w7 u9 B& g+ ~0 T: z2 G, j' X6 M% a- ~! r/ V
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)
) ~, ]. U9 q+ s/ k
8 j' n$ F+ v4 a0 F9 L2 e

+ }7 w/ s& O* ?3 e, 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。
( F1 Z0 x0 B8 b
6 ~  H0 e, Q% i5 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>
    $ Z9 [& P0 l! c, \4 P% f7 H7 G2 ~

  2. ! P: y. {! y2 w* j$ S6 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
3 x7 _8 S8 `% F# m. }
    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

6 `" T: c/ |) Q7 D) M    writeset 用来检查可写性的一组文件描述字。
1 Q) F* [6 X, O) q/ N- x5 _) I
    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 N0 j) z' Z. |5 ~    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。) d  i7 \" Y. T# l0 G/ r

$ C9 q' i5 H- K! ~/ p2 X' q' F4 v    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$ n1 N) K" X3 \7 o3 N
1 c0 Z6 Q! ]0 e8 T- i* ]
  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)
    4 m2 ~' q$ u2 U& Y* e: Q5 ?4 |

  2. . {" S/ V% s) l7 g
  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)8 n: X6 A  d1 q5 M
  4. 5 d2 W* X8 I2 W. k# o0 w  ?
  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。, B4 s- R: D- u
/ W) k4 `' g  l9 c
   
; G, a1 Z+ [* b8 V$ @  A8 R8 o. V
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
    - v7 g; G0 q3 Z& _/ [/ {& Z
  2.     ' [8 S! A% k* Q
  3. FD_CLR(fd,*fds):   从集合fds中删除指定的fd
    - m) l6 s6 O1 m- j
  4. ! _+ \3 @* O' }
  5. FD_SET(fd,*fds):   从集合fds中添加指定的fd
    ! R7 s4 L) M7 ?& f2 P+ Z6 T/ E1 `0 r" V

  6. 6 K2 y$ Z6 \/ c0 e8 v+ U2 q
  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;
    3 Q' q" x0 M' S) d8 T9 |
  2. .....
    5 l( o9 V3 L: [1 M( M7 M! ~
  3. fd_set set;
    & u; Q% S+ d  W( m: Q0 @
  4. while(1){. f$ I  E( ^9 Q7 p# }& T' a) W% s6 q
  5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空4 W9 f2 Z' m6 S9 r. d
  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) [: P  ]+ ]& {; ^) w
  7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
    2 m# M) H5 k* ]- p9 d4 e, S6 q
  8. if(FD_ISSET(s, &set)            //检查s是否在这个集合里面,
    " K5 r7 }5 `! U* A9 j4 @
  9. {                               //select将更新这个集合,把其中不可读的套节字去掉
    9 a3 i" k2 c! M- P6 k( @: B
  10.                                 //只保留符合条件的套节字在这个集合里面
    - _7 T' c% B) T7 r! O" g
  11. recv(s,...);
    ! i6 h8 X7 k* \% N
  12. }3 }( d1 Q2 R: z5 N  q  l
  13. //do something here
    ! L- S/ G* m8 `1 ^& R1 q
  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。
    , L8 a$ [2 d0 p6 E
  2. . g9 I% |* R; _0 A9 Z  c
  3.    (2)若fd=5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
    " B$ c$ Q. ?5 ~1 T$ w
  4. 9 p5 Q4 o/ F! b) b7 b; X& s/ F
  5.    (3)若再加入fd=2,fd=1               则set变为 0001,00116 B, {  T% R- z# K
  6. ; s+ V0 `: h! _" d" b" E
  7.    (4)执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
    + w# n/ V6 J2 n; S- R7 n* h
  8. ; ]) a# T* T& y# w
  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

+ K8 F0 r' Y2 }) [1 n% r
3 [4 h/ C  @8 @3 G# l! J
使用select函数的过程一般是:

$ V7 q7 i& Q$ R- r$ d" `    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。。。
, S% `! P+ I/ n' W

1 X5 j+ U+ [& m
客户端:
  1. #include <time.h>
    5 ?. ^8 I) c' Z' p0 _& f
  2. #include <stdio.h>
    0 N3 z, d/ \8 J% `9 d! f, k. |" `
  3. #include <stdlib.h>* e0 f$ E1 q7 L4 j9 c2 {# ]
  4. #include <string.h>
    8 S7 y+ ^/ {" j8 B/ }, x8 g  j
  5. #include <unistd.h>
    . Y, I& l8 |% z. h. A
  6. #include <arpa/inet.h>$ D. d9 X7 |6 v* ^3 R3 c
  7. #include <netinet/in.h># U, h1 c0 {& Q
  8. #include <fcntl.h>2 ^( ]6 `6 d1 \* M
  9. #include <sys/stat.h>+ |6 j) i) U% s0 l0 n' R" C- F$ S
  10. #include <sys/types.h>( ]# s/ s. H- H: H6 Y4 L1 D
  11. #include <sys/socket.h>! s6 B. J$ |: `
  12. + @8 d( y$ v# u+ M, l! F7 Q
  13. #define REMOTE_PORT 6666        //服务器端口) r$ z- u) q- L4 X" [
  14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"     //服务器地址8 L2 S5 r3 b8 I& [" |1 ]3 M; x
  15. . g/ h" |: z6 G& Z6 ]
  16. int main(){
    $ \- V* X! M8 Y5 h. }1 u8 c
  17.   int sockfd;. l- _9 x& w4 H# C6 L1 [# F  G
  18.   struct sockaddr_in addr;
      \3 ~$ Q5 h$ g" \3 }4 c. R
  19.   char msgbuffer[256];( ]  t3 S  k% }0 |2 Y" |; Y
  20.    
    : e: S" z& a( A' N, G. s
  21.   //创建套接字
    / V/ o$ O5 W* K  y! i, P
  22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    " c$ Z: i; O& i) b8 u
  23.   if(sockfd>=0)0 Z! R+ i1 `/ g& u8 E
  24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    1 s6 z1 ]" O% E# c2 Y' g3 f) }
  25.   g( O, ?& q$ j4 Q- K
  26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    8 o! v; b) N* `$ H  v2 b( L8 m" p
  27.   bzero(&addr,sizeof(addr));2 x7 B: S* k% e! k( m
  28.   addr.sin_family=AF_INET;
    6 J; m. T! d5 ~' C+ B" b: h, J2 v
  29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);# r$ Q5 C& g6 U2 u
  30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    8 S8 K7 N: H, X. x6 H
  31.   $ p: h0 t' l/ g; ^( s+ q! X
  32.   //向服务器发送请求8 ~7 A! o& o) [0 r1 A
  33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)* P0 y: w4 X! x
  34.     printf("connect successfully\n");
    , y4 |1 X3 {% B+ s) L' b2 O% O
  35.    
    / ?& t  Z6 f+ B* s0 j4 ?+ \
  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)
    % c8 g) T/ m( b( H
  37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);9 r7 Z9 n7 |! E* I
  38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    ) C! d4 j5 z' u( g2 q
  39.   
    9 |! j/ V; y9 K. n
  40.   while(1){
    1 f. B1 T. @, s& L2 Q
  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
    $ ?9 \  o4 A0 r& e6 @( o. j7 r9 r
  42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    7 d) t8 _5 _4 z: }  \4 c5 m
  43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));( M7 Q! l. C, q8 j' u9 W! w
  44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)0 |8 }7 y8 v% r; r# c4 ?
  45.       perror("ERROR");
    ! F& A1 g4 J; v! W6 m
  46.    
    6 ~: E3 J8 W. d- S/ }: p7 m; t
  47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    ) e9 l% Z& t1 o# F( I
  48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    0 Y+ s! V- S4 J! r( S& X
  49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    , B$ k! x4 i2 e0 [
  50.    
    5 D$ O/ `1 d# j* z' s
  51.     usleep(500000);1 W- `% x3 O6 j7 h/ `! ?; h
  52.   }
    , O3 G# H; b4 Q% F2 l
  53. }
复制代码
# j# v) }( L: J( N4 X6 {/ a' G

3 y0 ?/ ~& b, X* E' i
服务端:
  1. #include <time.h>6 V$ y( x& n7 h
  2. #include <stdio.h>& g" @7 r' r0 R) x$ A3 g
  3. #include <stdlib.h>$ M% O* r) \, G
  4. #include <string.h>- Z9 g  t$ u; @2 ]( W7 V, `0 G
  5. #include <unistd.h>+ C, |# ?; M4 k2 V! s0 h1 e+ i3 d" b& k
  6. #include <arpa/inet.h>7 n: K9 l, B, V+ [. D
  7. #include <netinet/in.h>  [1 {) p9 D8 i' R1 N0 {
  8. #include <sys/types.h>
    ' t4 Z4 t, e8 i. H
  9. #include <sys/socket.h>4 f: |; J3 f' S& v
  10. : A! `  Z8 }9 m( u1 Q# \- ?
  11. #define LOCAL_PORT 6666      //本地服务端口
    2 B: ^0 z: V+ R! x7 U) r% b4 F( l( R
  12. #define MAX 5            //最大连接数量; \" f5 g- ^2 M8 P/ ~
  13. " f. L- S' n( q' A
  14. int main(){
    ( K, @! B  L" i
  15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];4 B: |; s1 U+ Y/ }$ F$ K) ~
  16.   struct sockaddr_in addr;
    6 Q" A( N, }7 s' D. Z% u
  17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    3 [( E5 W& S1 A' P
  18.   char msgbuffer[256];' B- K, l; E# i- r
  19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    * @0 q* V( X. u- S
  20.   fd_set fds;
    8 h3 ]! r) f# g
  21.    ) b$ d* u8 X& o/ J
  22.   //创建套接字, c2 ?4 i+ b7 q# [; U4 u' G* |
  23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    ; Y$ D1 ~4 P, o& `6 @, _2 q) c
  24.   if(sockfd>=0)  n% ]$ s( M- d$ Q3 c
  25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    ) U/ @% k0 A: w& h& @# E
  26. , n2 [! Z; o6 {
  27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中
    ' d/ `  ~/ L6 w+ A$ Y6 t
  28.   bzero(&addr,sizeof(addr));) h# l4 b4 a& D1 \( A: B
  29.   addr.sin_family=AF_INET;; A6 P5 Z  O) X( Z! _+ R
  30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);( v* A+ U4 }4 W- x: P( ]& j
  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
    - o3 R9 m  w$ D: R# {
  32.    
    / a, e4 r7 U2 [# `  |
  33.   //将套接字于端口号绑定
    0 d8 r. V; z- w! ]% Y
  34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    + [7 A$ g  T$ v+ L4 R1 J! B
  35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);0 W# B: j' [6 h0 o
  36. 7 L. {; [0 o& U: \1 L9 i0 T
  37.   //开启端口监听
    4 S3 {5 n" v0 o1 U! W
  38.   if(listen(sockfd,3)>=0)8 C' k7 T1 F. n. T- B& K* H
  39.     printf("begin listenning...\n");4 q( j1 p7 y# {& d0 d3 ^

  40. . O5 U( h1 ]' m3 d
  41.   //默认所有fd没有被打开
    # ?- }7 ^/ D! Y0 A+ w. E4 R* _% s8 c
  42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)7 k4 {; w4 o. }( e1 n" \
  43.     is_connected[fd]=0;
    * B/ A6 b6 i- H" g
  44. % j$ b9 _- Q1 f8 @' H
  45.   while(1){# y$ V/ H& @# e
  46.     //将服务端套接字加入集合中
    # l- [3 q9 p4 Q& R' Q9 Q% j
  47.     FD_ZERO(&fds);
    6 y. j: s2 s( e  |6 `/ y9 k' A5 L
  48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    6 \, ]7 R' t* `: D
  49.      
    ; Z, n, p+ \1 z
  50.     //将活跃的套接字加入集合中
      T) |3 @: R. c4 C
  51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)( w, l, R9 v$ ?/ n; y$ k
  52.       if(is_connected[fd])) K& q4 Z0 J& q* b. ~
  53.         FD_SET(fd,&fds);; g; j1 H3 e2 I5 I1 w8 A4 s

  54. 8 l7 S% i0 ]3 f: ], ?4 E$ \- ?9 h
  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00 u3 v* Q$ D. p. I+ M
  56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL)): D! e  h9 Y; x: B
  57.       continue;6 s( G: j, d& w5 i/ ^8 i
  58. . I+ Y) b! z6 b0 _& v6 d* h- H3 M
  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 M# D, i* }; E0 F! j
  60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){
    " w4 Y1 Q3 s/ h& A  d; i
  61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    8 I* ?# `. ]4 ?4 k) U7 S& g
  62.         if(fd==sockfd){                             //如果套接字是服务端,那么与客户端accept建立连接  |& N: n' V# H& s' @8 q
  63.           connfd = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,&addr_len);, ~# u9 Z( u4 f1 r1 |6 N! q
  64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语' Z. M) W! d2 A6 v; Z2 `
  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
    ) _+ h9 U5 ?" ^$ k
  66.           printf("connected from %s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr));7 |2 E/ f, ~) r' R5 n3 G; 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
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  68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){ 3 R* x/ \/ ]3 }6 V7 x! Z
  69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));# |9 ^  m7 F/ E! m. K, ]
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