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标题: 编写一个简单的TCP服务端和客户端 [打印本页]

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作者: admin    时间: 2020-5-9 01:53
标题: 编写一个简单的TCP服务端和客户端

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。
- E. b' Z  O+ w' A

     "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）
% ]- U$ m2 a1 q: s# o$ C3 j

- V0 t3 [) A1 b: G8 i  A7 F# n
$ ~( _0 W3 D$ T% `

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）

, [9 o) S$ p3 n! h6 @2 o

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）

. j0 o: L4 l4 {( l  ~- g; J

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。

) y0 r1 H5 h6 L( D. C. U, [: ~. s
% ~; Z0 ~; W" L5 \4 v3 Q, M1 Q

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

3 o% w& j& y1 b1 [    readset  用来检查可读性的一组文件描述字。

8 i5 N9 C6 m# i+ M9 H    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。
# i, S; ~2 A* B/ p, D) q: b1 p
    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）
   * ^( x3 h" N+ g! `
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. 
   % g1 _7 A' {8 n! h/ l
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。
2 h+ M/ ^. H) W8 p5 z- j  J( G% \) _
+ o. A- e* m# w8 Q6 X   
% y( G+ g! _" s, T

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
   & ~9 ~. d& V0 `5 G; T
2.    
   " A. H2 ]8 U5 @4 W, B
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   - f; F9 R; p4 b- p: T% t
4. 
   
5. FD_SET(fd,*fds)：   从集合fds中添加指定的fd
   
6. 
   ) X' j+ v3 ?. H8 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;
   
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
   9 d: v2 g6 p9 q
7. select(0,&set,NULL,NULL,NULL);   //检查套节字是否可读,
   1 Z+ X; t6 O! c8 D) R- e* n- R
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
   ' ]2 ^( R1 _9 g% S& L+ N
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. 
   1 E0 C5 j/ a8 y$ v4 v
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. 
   $ x8 E0 `0 n; r9 e4 ^* }  `
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

; C+ }5 ?/ \7 d: A) \( Z; P' @2 p$ p$ J

使用select函数的过程一般是：

. D6 s! I# H5 E! D( ?# N, _    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>
   % \! M2 l6 H+ m1 u, V
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   ' F  w6 }! \+ L" c
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
     O3 L* |; V3 H1 l5 R8 z. `  P
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   / l; O, s) X" F: c* x% ]4 |
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    6 m2 W* t3 J. c$ l* A
12. 
    0 K7 l5 k( N* ]
13. #define REMOTE_PORT 6666　　　　　　　　//服务器端口
    : p6 k) ~' U8 f) c' R) k
14. #define REMOTE_ADDR "127.0.0.1"　　　  //服务器地址
    
15. 
    
16. int main(){
    
17.   int sockfd;
    & v, e7 K( }4 }$ S0 M
18.   struct sockaddr_in addr;
    
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    9 q% M% v. H" j; o  h
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    5 D! X* P9 [+ t5 R' r# l5 L
23.   if(sockfd>=0)
    
24.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    * X  S0 O- F3 b
25. 
    
26.   //将服务器的地址和端口存储于套接字结构体中
    4 j4 S" z+ f  u5 L! U1 O4 _5 D: P
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    ' ^) m4 @- w! u# e1 K2 v
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    
31.   
    ) A& k! ^+ n0 T% b
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.    
    $ e$ Y. i) m$ P; R
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）
    ' {( _' w' l0 o8 |
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    
39.   
    
40.   while(1){
    : `0 K* ?  C% Y5 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
    % i' H" [5 A6 G  n, W: h
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    6 ~/ O" R( s  k0 H
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    
45.       perror("ERROR");
    3 M. }- ^! m( n0 C" {
46.    
    ) e8 c& I3 C* M$ e: u/ d; s0 n
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    0 B- ^; Q8 T9 y0 H
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    ; w( Z( L+ W' ]# F4 ]- F7 G
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    
50.    
    
51.     usleep(500000);
    9 Y3 i' g0 }8 f$ Y! y2 d$ _
52.   }
    
53. }

复制代码

5 |; n& `; l$ {' e& u

服务端：

1. #include <time.h>
   % c9 {2 ~/ H9 v: k6 ^
2. #include <stdio.h>
   - a% O+ Y  ~7 t9 M
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   * v: z) G$ ]! N: m
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <sys/types.h>
   
9. #include <sys/socket.h>
   $ i" ^) f! x. v7 h3 f5 p$ s
10. 
    ) h' ]! i; K3 W
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];
    ; I& S, E3 s, x: |& F6 `4 R8 f
16.   struct sockaddr_in addr;
    
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    
18.   char msgbuffer[256];
    - k9 e$ m  L7 J' F9 I! I1 x  ?- V4 r
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    , v- h, W* Z  }2 ^+ Y+ M/ ~. T
20.   fd_set fds;
    2 H" x5 r5 H; P& G- u
21.    
    3 U4 m8 L& l: J" p# o+ d
22.   //创建套接字
    - u& H1 M. q, {5 D6 W
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    ) J  n; F+ T+ W
24.   if(sockfd>=0)
    9 O# e+ W! M3 [5 x
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    
26. 
    6 u, {8 u4 {+ s
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));
    5 h4 W3 |" e0 s) L5 B% k- Z8 L
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    + ?; N0 D) P" b4 i3 d# D8 ^
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.    
    - |8 G+ P" T2 ^1 A( Q& t- ?
33.   //将套接字于端口号绑定
    5 s& `. ~- d/ N
34.   if(bind(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    8 \1 L1 O+ E  B7 T
35.     printf("bind the port: %d\n",LOCAL_PORT);
    
36. 
    ; G2 F5 W2 z2 R  P
37.   //开启端口监听
    
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    # _- a4 @5 c" E2 f
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){
    , c# O4 q, G) w( T# I/ G6 W6 r
46.     //将服务端套接字加入集合中
    
47.     FD_ZERO(&fds);
    8 R0 I4 M" a3 K, l/ t/ M0 M; ]7 ]9 _
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    & _" J. |: m3 F
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    6 X: D/ f' O' H
52.       if(is_connected[fd])
    0 @. D3 r8 M/ @: m6 _3 V
53.         FD_SET(fd,&fds);
    3 V" _, }# R8 \
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
    . C9 e  U. C8 e, d
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
    ' R& B" Y% t7 I! U  F1 \$ @
60.     for(fd=0;fd<MAX;fd++){
    8 Z' V. c* K. l( ^! r
61.       if(FD_ISSET(fd,&fds)){
    6 q. B8 R) ~+ ?$ M
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
    & S" A* U* {. b# _- `7 B3 k5 f3 a
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){
    3 {% d' _( I( i! a% z9 ]" A
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    ) ~+ e. A! q$ w2 C( U) R
71.           }else{
    ; u2 T+ L( B: V1 ]& p. H
72.              is_connected[fd]=0;
    9 \+ r# `3 V5 R/ o% W
73.              close(fd);
    
74.              printf("close connected\n");
    5 b8 l$ ]+ W) Z+ v
75.           }
    0 B; |& v' g! R+ s/ |+ m& [
76.         }
    
77.       }
    $ O/ c! q9 b7 H' K. ]: t$ q
78.     }
    
79.   }
    9 D  D/ t/ N4 r7 m* U: y1 H- K+ d
80. }

复制代码

* X) `8 @5 r/ |2 F

2 n  W3 w! I4 m- l

0 Z8 ?) ~0 K5 |+ L; L7 A  g

---

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