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

& }6 n' r$ Z) \6 n4 h) c. W  [

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。
  z9 o9 D9 k% M0 A$ H5 s2 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）
( @. {4 L- g* m- Y( n

2 y* D( f4 m. J) ~: l* o0 H

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
9 V) Y# ?4 ~9 k3 Y! I' c

       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）

$ m+ t2 t( [) 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）

& u$ S/ b. V# R! 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。

  F- ~( V! I% ~; T

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。

6 N6 x3 U; R% p& 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：
0 R" M; f( Q6 v

1 @6 {0 U5 @  k, ]9 N: 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）
   
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。
8 Y- K* V$ m6 L7 E) z
% h  N- m" G$ m& v7 G, s% D0 e8 b$ L   
1 X* @' L. P' i3 L8 K

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.    
   / ]4 _( x0 Y' |4 J* j
3. FD_CLR(fd,*fds)：   从集合fds中删除指定的fd
   
4. 
   ( E1 i- A5 l) @' A+ Z+ m
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;
   * l+ t: x% w7 J6 ]) j' r8 b
4. while(1){
   
5. FD_ZERO(&set);                    //将你的套节字集合清空
   , e" U# F* A+ A- v0 v
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,
   * n2 X$ T+ a6 P4 p
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
   ) m: }1 n' u- E
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 `+ _+ A$ V' ]6 T
4. 
   7 l$ w# @- O- [; i* U5 g
5.    （3）若再加入fd＝2，fd=1               则set变为 0001,0011
   
6. 
   - H* i0 K( Y6 ~1 J
7.    （4）执行select(6,&set,0,0,0)        阻塞等待
   2 q3 B# k% n( I4 C7 k. N  w
8. 
   6 E/ y7 g" G2 u+ F' d
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

- |7 w, D6 }/ _- t/ ^; R
, J8 J% P) v1 K! i4 U, q& B% a/ Y

使用select函数的过程一般是：

; J  h* W4 [4 h. r$ P# a4 B    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>
     t, l. `( Q* F6 R+ T# [( I- P5 @+ l
2. #include <stdio.h>
   
3. #include <stdlib.h>
   
4. #include <string.h>
   ' H- Q4 ?# j, J/ _) ^2 z% g
5. #include <unistd.h>
   
6. #include <arpa/inet.h>
   ( Q5 U) |" C! f% ^7 V
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <fcntl.h>
   2 M/ N9 k& E( }3 d& @
9. #include <sys/stat.h>
   
10. #include <sys/types.h>
    
11. #include <sys/socket.h>
    : u/ i1 j7 {, {, q8 K, G' S
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. 
    ' H0 [- H5 N3 ]4 ~, L3 a0 [
16. int main(){
    % S& M5 |- f0 Z. S! E( y
17.   int sockfd;
    
18.   struct sockaddr_in addr;
    ! `" ^( Y0 F% s* v  @; |2 B
19.   char msgbuffer[256];
    
20.    
    / t5 P' ^& z" `! v
21.   //创建套接字
    
22.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    2 Z1 W8 @: A5 {) m- q: e
23.   if(sockfd>=0)
    ! h4 A$ V" }! T  `" ?) X6 J
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
    8 z4 b1 [( n+ E" f
27.   bzero(&addr,sizeof(addr));
    
28.   addr.sin_family=AF_INET;
    7 @! C3 s" _  s: W' I( S7 S
29.   addr.sin_port=htons(REMOTE_PORT);
    0 }* _" a9 a2 R$ l* y) r9 ?
30.   addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(REMOTE_ADDR);
    
31.   
    
32.   //向服务器发送请求
    . j( ~8 B2 P6 h% [# G+ k
33.   if(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr))>=0)
    7 k/ m% |1 g, t' C" s
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）
    ( q( e& o4 t/ k
37.   recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
38.     printf("%s\n",msgbuffer);
    
39.   
    
40.   while(1){
    . o9 |  m& D! o
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
    ( P( {8 t: x4 n* W- H9 r5 V
42.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    / I+ s% M9 @2 W5 s" ]
43.     read(STDIN_FILENO,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    9 D( M! E8 X# d2 ^% H3 Q- `
44.     if(send(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0)<0)
    - `% V$ n- n+ E4 r0 H
45.       perror("ERROR");
    
46.    
    
47.     bzero(msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    : J! I$ i9 U9 P+ a0 m
48.     recv(sockfd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer),0);
    
49.     printf("[receive]:%s\n",msgbuffer);
    , K* ?* U8 S) Z/ e$ D" a
50.    
    
51.     usleep(500000);
    
52.   }
    % u+ C( i, b$ W4 _$ v
53. }

复制代码

; G9 M4 x7 }, s" P' n

服务端：

1. #include <time.h>
   
2. #include <stdio.h>
   * B0 ^$ \/ \- L/ K5 }
3. #include <stdlib.h>
   ( J  x& P- i8 I7 V, g
4. #include <string.h>
   ! r) X$ U. k% w0 F, X- J
5. #include <unistd.h>
   5 O6 R) D6 @' }  p5 w" v3 h
6. #include <arpa/inet.h>
   
7. #include <netinet/in.h>
   
8. #include <sys/types.h>
   $ |4 v4 b, [5 ~1 o6 [
9. #include <sys/socket.h>
   " E$ v+ ^2 _: D3 b. Q
10. 
    2 T+ _+ Y' Q0 Q. O
11. #define LOCAL_PORT 6666　　　　　　//本地服务端口
    
12. #define MAX 5　　　　　　　　　　　　//最大连接数量
    ( t& D* [5 f( @( q* k
13. 
    
14. int main(){
    
15.   int sockfd,connfd,fd,is_connected[MAX];
    + {' F& Q3 [1 \% A& S7 x
16.   struct sockaddr_in addr;
    ) u3 u# u9 D% `3 f. [: s' @
17.   int addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);
    
18.   char msgbuffer[256];
    
19.   char msgsend[] = "Welcome To Demon Server";
    
20.   fd_set fds;
    # P2 {+ s$ |6 l3 M
21.    
    
22.   //创建套接字
    " s3 s2 R) J0 Q6 c8 {
23.   sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    
24.   if(sockfd>=0)
    
25.     printf("open socket: %d\n",sockfd);
    ) t( A& T) K4 M2 `! P2 @
26. 
    2 W. u; ?# U4 F, j7 B$ X& u9 ~
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));
    * s6 q3 z+ H3 [; u
29.   addr.sin_family=AF_INET;
    
30.   addr.sin_port=htons(LOCAL_PORT);
    4 l/ }' z! @; x4 h
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
    , f2 s/ I- M$ `6 b2 M
32.    
    : I" x; J2 r# K- s
33.   //将套接字于端口号绑定
    6 t3 U1 b/ a- E* ^6 d* s
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
    ' U9 f7 H. g6 f9 |+ v& q
38.   if(listen(sockfd,3)>=0)
    
39.     printf("begin listenning...\n");
    
40. 
    
41.   //默认所有fd没有被打开
    * z' y: X5 |2 h, w
42.   for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
43.     is_connected[fd]=0;
    ( G; |- F( h! a' a! @
44. 
    2 e+ M: t. M" R7 \# y/ _
45.   while(1){
    
46.     //将服务端套接字加入集合中
      k4 V) o7 t& U) K- Z% C
47.     FD_ZERO(&fds);
    
48.     FD_SET(sockfd,&fds);
    
49.      
    0 ?/ o% P: c9 Q. @
50.     //将活跃的套接字加入集合中
    " V8 z5 J- x! M. G5 K  y
51.     for(fd=0;fd<MAX;fd++)
    
52.       if(is_connected[fd])
    
53.         FD_SET(fd,&fds);
    
54. 
    3 u& O# h. L  W# t; Z  V! {
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
    2 `5 L0 v2 D" Q' f5 R2 _5 {
56.     if(!select(MAX,&fds,NULL,NULL,NULL))
    
57.       continue;
    $ \1 U6 L0 Z& `6 w
58. 
    ; {  h4 ?& I) e* ?% u! v
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)){
    $ x0 g7 a  d$ }, m6 X/ G+ I$ U
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);
    . L, B  ]+ g9 z& U) e
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
    4 Q- t' m. d9 \' _
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){
    4 V( D+ Q, {, W% s5 M% O
69.             write(fd,msgbuffer,sizeof(msgbuffer));
    
70.             printf("[read]: %s\n",msgbuffer);
    
71.           }else{
    + |' L: _% b9 i! x5 ~
72.              is_connected[fd]=0;
    , H+ v& g) K8 l% V( F( N( T
73.              close(fd);
    
74.              printf("close connected\n");
    ) h4 [: y8 l8 z% I5 F9 J+ b9 b
75.           }
    
76.         }
    / X% D2 t" g8 G1 r& ~) m" @1 E
77.       }
    9 @! ]" S& C. P- o0 X) R( f; ]
78.     }
    
79.   }
    
80. }

复制代码

6 P2 c2 z9 p; I/ G

7 b! k( k; k% X! d: |

2 Q# |, y6 S, g; l