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编写一个简单的TCP服务端和客户端

2021-03-21 21:05:17 来源： 作者： 责任编辑：cncml

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）

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

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）

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）


 
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.  
  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。

    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：
 
  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）
  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）
  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。

   
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
  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. .....
  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
  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,...);
  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.  
  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.  
  7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
  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

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>
  2. #include <stdio.h>
  3. #include <stdlib.h>
  4. #include <string.h>
  5. #include <unistd.h>
  6. #include <arpa/inet.h>
  7. #include <netinet/in.h>
  8. #include <fcntl.h>
  9. #include <sys/stat.h>
  10. #include <sys/types.h>
  11. #include <sys/socket.h>
  12.  
  13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
  14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
  15.  
  16. int main(){
  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);
  25.  
  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);
  30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
  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));
  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.    
  51.     usleep(500000);
  52.   }
  53. }
复制代码

服务端：
  1. #include <time.h>
  2. #include <stdio.h>
  3. #include <stdlib.h>
  4. #include <string.h>
  5. #include <unistd.h>
  6. #include <arpa/inet.h>
  7. #include <netinet/in.h>
  8. #include <sys/types.h>
  9. #include <sys/socket.h>
  10.  
  11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
  12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
  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);
  18.   char msgbuffer[256];
  19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
  20.   fd_set fds;
  21.    
  22.   //创建套接字
  23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
  24.   if(sockfd>=0)
  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
  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
  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.  
  37.   //开启端口监听
  38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
  39.     printf("begin listenning...\\n");
  40.  
  41.   //默认所有fd没有被打开
  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
  47.     FD_ZERO(&fds);
  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);
  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++){
  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);
  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));
  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){
  69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
  70.             printf("[read]: %s\\n",msgbuffer);
  71.           }else{
  72.              is_connected[fd]=0;
  73.              close(fd);
  74.              printf("close connected\\n");
  75.           }
  76.         }
  77.       }
  78.     }
  79.   }
  80. }
复制代码




 
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