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

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）
7 s6 x/ l( C3 g0 r, A3 o% S

0 a& E$ L' k" o( n& ~! c+ O0 l2 ~. N
: I' Q8 B( X- D) B/ B

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

: D7 j! |& X& z1 M# U

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）

  A- R2 L( }; p/ 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）

9 s. }9 e" Z  o5 t6 U. E; X3 |

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。

$ _7 I% ]: a9 P: D/ m2 y/ G6 U' J

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% N+ a$ S$ h3 r; D& b5 l- G
2. 
   7 w' P5 H2 A6 [  m9 e
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

0 B, Q* I; ?9 g  k# I2 v3 E3 l" A1 I    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。

$ T, b) F2 p7 g% U6 `# d2 \2 G7 D    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)

& Y* ?, G6 \1 X5 v  `6 z8 h0 p* z    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。
* ^1 W8 G0 |* g7 p3 K6 ]
    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：
& j, m: i- S' `) h5 E

8 Z5 T; F+ M& [1 M6 v: y

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）
   3 {( L2 ^) z: `+ p/ D/ r
2. 
   
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 \/ s& _" `/ n' ]: C5 u5 f
4. 
   $ I+ T' \4 T% W0 \
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。

   
) K+ e! m: z: x1 V1 e

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
   
4. 
   
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   ( w% c/ V* O; n/ x
6. 
   
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. .....
   ! B5 Y% E/ n- K6 f2 [- Y
3. fd_set set;
   
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   
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
   6 U% k* c% ]: ]2 n
7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
   ; a1 r% i* o9 X- E- G, R% T  r
8. if(FD_ISSET(s, &set)            //检查s是否在这个集合里面,
   ; w0 `- D3 @- e
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
    ! a2 Y( n5 N0 F  @  C, u) U- D# d
11. recv(s,...);
    ! W. z0 X+ `1 v, @9 C8 k
12. }
    % Z& J& z& R0 K/ m
13. //do something here
    # Q! s) b) N7 ]7 [% T
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。
   & i8 g' ]9 G- x  h; p
2. 
   
3.    （2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);     后set变为 0001,0000(第5位置为1)
   " I. X; _  e. T1 f
4. 
   
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   . `0 I& {; @/ t- ^. S
6. 
   5 y: r' ?, y- D; Q2 O4 g# r# L
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   
8. 
   ( [/ f! Y+ D  n! C) a* I$ ?7 P) a
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

使用select函数的过程一般是：

& j, a# B0 [5 a& s    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。。。
- K% z! \1 Z! {3 B0 x

客户端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   1 ]: F& C1 O: d9 y, D) C; S; ~' d
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   - e6 M; |/ W! p2 C% G
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   ) A" B7 v5 v# k
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   - Z6 E1 n- w9 P' y7 a% P
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    
12. 
    / d" C  X0 J; q( \* h$ [! d
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    1 y+ y. b0 L( e0 P6 ^1 F
15. 
    
16. int main(){
    ) ]$ `& n. }; O1 ^" i
17.   int sockfd;
    
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    
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 n* H$ T/ Q, Q3 g0 X: W
25. 
    
26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    8 Z- m, l5 a3 E2 P" g; c
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    ) L. U7 ~, w- }! z  ?
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    % w, t9 ~. k; T9 z. y
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    
31.   
    ! M0 o' p3 f% j: D4 E8 K
32.   //向服务器发送请求
    
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    ; D) f  v) @: {" \
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）
    9 ^+ R  O' w2 F
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
      c$ G( N* c& f1 Q& W
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
    2 x  a0 L9 l. p# B8 w
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    1 C: l6 `5 W- m
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    3 V. W8 P) }8 P4 N% p6 Y7 W  |
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    6 E; \3 ^3 b7 v
45.       perror("ERROR");
    
46.    
    
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    ! W& f+ D- e: H5 L3 ^/ \
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    
51.     usleep(500000);
    5 t" m' t1 ^3 h
52.   }
    % B: X  J( }8 G$ G( ^. e: y2 l
53. }

复制代码

服务端：

1. #include <time.h>
   2 b) f* O  O7 Q& _  B6 y
2. #include <stdio.h>
   : x% _: {8 f& _5 d% b
3. #include <stdlib.h>
     T( H* w$ z4 ^
4. #include <string.h>
   
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   # }7 f& T. E  {$ k4 i
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <sys/types.h>
   1 I2 R$ W' M5 u/ j
9. #include <sys/socket.h>
   
10. 
    
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    - k' h& A7 b1 ?" |  Z* t2 M7 @) B  D" M
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
      l6 x7 c4 Q/ m4 \" `
13. 
    
14. int main(){
    ) ^, |! T/ K" {# b
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    ( ~8 \) r3 F+ t/ L; ?# p4 q9 V& w
16.   struct sockaddr_in addr;
    9 R! D1 G/ Q5 t% R( g
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    3 |2 I/ O( P/ J6 l$ X
18.   char msgbuffer[256];
    9 Q( M" Z5 T$ l. x8 m- p( w; ~
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    ' l  M7 k9 n. T$ w4 i
21.    
    ; w' o# a8 E1 C; h7 p7 M
22.   //创建套接字
    % j# _, H# \! G0 E! x4 Q6 }
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
24.   if(sockfd>=0)
    % Q8 G, R, {; e5 C- s$ Z0 ]6 T
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
26. 
    
27.   //将本地端口和监听地址信息保存到套接字结构体中
    # ?# ^* r  T  \  M
28.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    + o2 F5 {* o3 Z8 O; Y+ j1 X
30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);
    + y1 d9 M* |& d2 s* Z
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
    & b7 ^. g, a4 j
32.    
    
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);
    
36. 
    4 j- N/ _# b% o5 j, ^+ j, @6 H
37.   //开启端口监听
    ( m! A3 k: |  b" J- Y. X
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    # H, Q" v; O+ V+ m
39.     printf("begin listenning...\n");
    % r3 B9 k+ L8 z/ a
40. 
    * u) A7 g" t! a6 H0 {2 ?
41.   //默认所有fd没有被打开
    
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    6 j- [9 K3 _2 H# y; W7 W' C2 e% |
44. 
    , j. A+ B- l) b/ B5 F9 V
45.   while(1){
    / l/ v. u" G6 g% A* j9 p* v
46.     //将服务端套接字加入集合中
    
47.     FD_ZERO(&fds);
    8 l$ M: `! Q( @& E3 U
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
52.       if(is_connected[fd])
    
53.         FD_SET(fd,&fds);
    # ~1 w) j) E8 V5 e
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))
    
57.       continue;
    
58. 
    
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++){
    / z3 f. W1 g/ b' M
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);
    7 i, `0 n$ [+ w) d7 d* [/ R
64.           write(connfd,msgsend,sizeof(msgsend));    //向其输出欢迎语
    2 N" c! u! J' {9 V) N4 `5 Y7 N
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));
    
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
    , Q. \1 e& a, `$ G/ u+ X; E! C1 n$ ~% [
68.           if(read(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer))>0){
    3 q2 v6 B5 ~0 v" W
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    ( f* L7 p- C2 Q* M
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    + M* }/ F+ ^1 t! j
71.           }else{
    
72.              is_connected[fd]=0;
    
73.              close(fd);
    : ?+ [$ O, Y/ C: r
74.              printf("close connected\n");
    
75.           }
    
76.         }
    
77.       }
    
78.     }
    
79.   }
    ) K" S1 Z: n! q7 U$ ]9 y( u
80. }

复制代码

# h6 s5 A8 {6 T( O7 N
: R' G6 {/ z, Q/ G
" G2 A- Z! W4 I* ?8 V
$ V1 Z+ N  X5 s* J9 Y

) y/ Q, d1 j  z. |) ~/ h