Linux知识点 -- 网络编程套接字

Linux知识点 – 网络编程套接字

文章目录

  • Linux知识点 -- 网络编程套接字
  • 一、预备知识
    • 1.认识端口号
    • 2.套接字
    • 3.TCP协议与UDP协议
    • 4.网络字节序
  • 二、socket编程接口
    • 1.socket常见API
    • 2.sockaddr结构
  • 三、UDP套接字编程
    • 1.直接打印客户端信息
    • 2.执行客户端发来的指令
    • 3.多用户聊天
    • 4.在windows环境下运行客户端，与云服务器下的Linux服务端通信
  • 四、TCP套接字
    • 1.打印客户端信息并发回
    • 2.多线程版服务器
  • 五、关于地址转换函数
    • 1.字符串转in_addr的函数
    • 2.in_addr转字符串的函数
  • 六、TCP协议通讯流程

一、预备知识

1.认识端口号

端口号(port)是传输层协议的内容；

  • 端口号是一个2字节16位的整数；
  • 端口号用来标识一个进程，告诉操作系统，当前的这个数据要交给哪一个进程来处理；
  • IP地址+端口号能够标识网络上的某一台主机的某一个进程；
  • 一个端口号只能被一个进程占用；
  • 源端口号就是发送数据的端口，目的端口号就是接收数据的端口；

注：一个进程可以绑定多个端口号，但是一个端口号不能被多个进程绑定；

在平常使用的APP上，客户端软件发出的请求，通过网络传输到服务端软件进行处理；
真正的网络间通信，本质其实是进程间通信；
将数据在主机间转发仅仅是手段，机器收到之后，需要将数据交付给指定的进程；

2.套接字

IP地址 + 端口号就是套接字；

3.TCP协议与UDP协议

TCP协议：

  • 传输层协议
  • 有连接（可理解为打电话，对方必须响应）
  • 可靠传输（为保证可靠性，需要更多的策略）
  • 面向字节流

UDP协议：

  • 传输层协议
  • 无连接（写信或发邮件）
  • 不可靠传输（使用成本更低；适合直播、视频网站）
  • 面向数据报

4.网络字节序

内存中的数据存储分大端和小端，因此网络通信中不同的主机也会有不同的大小端主机之间通信；
网络规定：所有网络数据，都必须是大端；

网络字节序和主机字节序的转换库函数：
在这里插入图片描述
其中：

  • h表示host，n表示network，I表示32位长整数，s表示16位短整数；
  • 例如htonI表示将32位的长整数从主机字节序转换为网络字节序，例如将IP地址转换后准备发送；
  • 如果主机是小端字节序，这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回;
  • 如果主机是大端字节序，这些函数不做转换，将参数原封不动地返回；

二、socket编程接口

1.socket常见API

在这里插入图片描述

2.sockaddr结构

socket API是一层抽象的网络编程接口，适用于各种底层网络协议，如IPv4、IPv6，以及后面要讲的UNIX Domain Socket；然而，各种网络协议的地址格式并不相同；

常见的套接字类型：

  • 域间socket
  • 原始socket
  • 网络socket

理论上是三种场景，对应三套接口；
但实际上所有的地址接口都是统一的；
所有接口传入的都是struct sockaddr这个类型的地址参数；
网络和域间套接字的前两个字节是不同的，在函数内部会进行判断；
在这里插入图片描述

  • IPv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中，IPv4地址用sockaddr_in结构体表示，包括16位地址类型，16位端口号和32位IP地址；
  • IPv4、IPv6地址类型分别定义为常数AF_ INET、AF_INET6；这样，只要取得某种sockaddr结构体的首地址，不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体，就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容；
  • socket API可以都用struct sockaddr*类型表示，在使用的时候需要强制转化成sockaddr_in；这样的好处是程序的通用性，可以接收IPv4, IPv6,以及UNIX Domain Socket各种类型的sockaddr结构体指针做为参数;

三、UDP套接字编程

1.直接打印客户端信息

udp_server.hpp

  • socket接口：创建套接字
    在这里插入图片描述
    创建套接字，建立一个通信的一端
    创建成功，返回文件描述符 ，但是UDP是非字节流的操作，不能使用之前的文件接口访问；失败返回-1，并设置errno；
    domain：域，套接字的类型；
    AF_INET是网络通信
    AF_LOCAL是本地通信
    在这里插入图片描述
    type：套接字通信种类，UDP是面向数据报，使用SOCK_DGRAM；
    SOCK_DGRAM：用户数据报
    在这里插入图片描述
    protocol：前两个参数确定，这个参数也确定了，一般写为0；

  • bind接口：绑定套接字
    在这里插入图片描述
    将用户设置的ip和port在内核中和我们当前的进程强关联；
    成功返回0，失败返回-1，设置errno；
    sockfd：套接字；
    sockaddr：通用addr结构，AF_INET网络通信使用sockaddr_in地址结构；
    要显示出来sockaddr_in类型，需包含头文件；
    在这里插入图片描述
    sockaddr_in结构体：
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    其中，sin_port为端口号，sin_addr为ip地址，还需要设置一个sin_family成员，与套接字的类型一致；

  • IP地址格式转换
    “192.168.110.132” -> 点分十进制字符串风格的IP地址，每一个区域取值范围是[0-255]: 1字节 -> 4个区域；
    理论上，表示一个IP地址，其实4字节就够了；
    需要将点分十进制字符串风格的IP地址 <-> 4字节；
    Sin_addr其实是一个整数类型；
    在这里插入图片描述
    bzero接口：将指定长度的空间全部置0；
    先要将点分十进制字符串风格的IP地址 -> 4字节，再将4字节主机序列 -> 网络序列；
    有一套接口，可以一次帮我们做完这两件事情, 让服务器在工作过程中，可以从任意IP中获取数据；
    在这里插入图片描述
    其中，inet_addr接口就是将字符串IP地址转换为网络序列IP地址；

  • recvfrom：从网络中读取数据
    在这里插入图片描述
    buf：数据存储缓冲区
    len：缓冲区大小
    flags：读取方式，默认0为阻塞方式
    src_addr：输出型参数，拿到数据发送方的ip和port
    addrlen：输入输出型参数；输入: src_addr 缓冲区大小；输出: 实际读到的src_addr大小

  • 网络IP转主机IP
    在这里插入图片描述

  • sendto：向目标主机发送数据
    在这里插入图片描述
    dest_addr：目的主机地址
    addrlen：dest_addr的大小

  • 本地环回：127.0.0.1
    client和server发送数据只在本地协议栈中进行数据流动，不会把我们的数据发送到网络中，用于本地服务器的测试；

  • 服务器IP
    云服务器无法bind公网IP，对于服务器来讲，也不建议绑定确定的IP；
    INADDR_ANY宏默认为0，是让服务器在工作过程中，可以获取任意IP的数据；
    在这里插入图片描述
    只要是发送到这个服务器的端口的数据都可以获取，不再指定IP地址；
    服务端只需要指定端口号；

#ifndef _UDP_SERVER_HPP_
#define _UDP_SERVER_HPP_#include"log.hpp"
#include<iostream>
#include<unordered_map>
#include<cstdio>
#include<string>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<cstdlib>
#include<strings.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<unistd.h>
#include<queue>#define SIZE 1024class UdpServer
{
public:UdpServer(uint16_t port, std::string ip = ""): _port(port), _ip(ip), _sock(-1) // 套接字先初始化为-1{}bool initServer(){// 1.创建套接字_sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // AF_NET与PF_NET是一样的if(_sock < 0){logMessage(FATAL, "%d:%s", errno, strerror(errno));exit(2);}//2.bind：将用户设置的ip和port在内核中和我们当前的进程强关联struct sockaddr_in local; // 本地主机地址bzero(&local, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET; // 与套接字类型一致// 服务器的IP和端口号未来也是要发送给对方主机的，要先将数据发送到网络local.sin_port = htons(_port); // 考虑大小端转换// 将主机IP转换成网络IPlocal.sin_addr.s_addr = _ip.empty() ? INADDR_ANY : inet_addr(_ip.c_str());if(bind(_sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)// 绑定，须强转成同一类型struct sockaddr*{logMessage(FATAL, "%d:%s", errno, strerror(errno));exit(3);}logMessage(NORMAL, "init udp server done ... %s", strerror(errno));return true;}//直接显示客户端发的消息void start(){// 服务器是永不退出的char buffer[SIZE];for(;;){struct sockaddr_in peer; // 远端地址，输出型参数bzero(&peer, sizeof(peer));socklen_t len = sizeof(peer);   // 输入输出型参数// 输入时，大小为src_addr的大小// 输出时，值为实际读到的dst_addr大小// 读取数据ssize_t s = recvfrom(_sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);if(s > 0){buffer[s] = 0; //目前的数据当作字符串uint16_t cli_port = ntohs(peer.sin_port); //输出型参数，从网络中来的std::string cli_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr); // 网络4字节IP转为主机IPprintf("[%s:%d]# %s\n", cli_ip.c_str(), cli_port, buffer);}//写回数据sendto(_sock, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&peer, len);}}~UdpServer(){if(_sock >= 0){close(_sock); // 析构关闭套接字}}private://一个服务器，一般需要ip地址和port（16位整数）uint16_t _port;std::string _ip;int _sock; // 套接字
};#endif

udp_client.cc

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>static void usage(std::string proc)
{std::cout << "\nUsage: " << proc << "serverIP serverPort\n" << std::endl;
}int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 3){usage(argv[0]);exit(1);}//创建套接字int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sock < 0){std::cerr << "socket error" << std::endl;exit(2);}// client要不要bind？？要，但是一般client不会显示的bind，程序员不会自己bind// client是一个客户端 -> 普通人下载安装启动使用的-> 如果程序员自己bind了->// client 一定bind了一个固定的ip和port，万一，其他的客户端提前占用了这个port呢？？// client一般不需要显示的bind指定port，而是让OS自动随机选择(什么时候做的呢？)std::string message;struct sockaddr_in server;memset(&server, 0, sizeof(server));server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(atoi(argv[2]));server.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);char buffer[1024];while(true){std::cout << "请输入你的信息# ";std::getline(std::cin, message);if(message == "quit") break;//发送消息//当client首次发送消息给服务器的时候，OS会自动给client bind服务器的IP和portsendto(sock, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));struct sockaddr_in temp;socklen_t len = sizeof(temp);//接受回信ssize_t s = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&temp, &len);if(s > 0){buffer[s] = 0;std::cout << "server echo# " << buffer << std::endl;}}   close(sock);return 0;
}
  • client不需要bind特定的套接字
    client是一个客户端 -> 普通人下载安装启动使用的-> 如果程序员自己bind了->一定bind了一个固定的ip和port，万一，其他的客户端提前占用了这个port呢；
    client一般不需要显示的bind指定port，而是让OS自动随机选择；
    当client首次发送消息给服务器的时候，OS会自动给client bind服务器的IP和port；

udp_server.cc

#include"udp_server.hpp"
#include<memory>
#include<cstdlib>static void usage(std::string proc)
{std::cout << "\nUsage: " << proc << "port\n" << std::endl;
}int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 2){usage(argv[0]);exit(1);}uint16_t port = atoi(argv[1]);std::unique_ptr<UdpServer> svr(new UdpServer(port)); // 使用智能指针管理对象svr->initServer();svr->start();return 0;
}
  • 服务器不需要指定客户的IP地址获取数据；
    让服务器再工作过程中，可以获取任意IP的数据；
    只要是发送到这个服务器的端口的数据都可以获取，不再指定IP地址；
    服务端只需要指定端口号；

Log.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdarg>
#include <ctime>
#include <string>// 日志级别
#define DEBUG 0
#define NORMAL 1
#define WARNING 2
#define ERROR 3
#define FATAL 4const char *gLevelMap[] = {"DEBUG","NORMAL","WARNING","ERROR","FATAL"
};#define LOGFILE "./threadpool.log"// 完整的日志功能，至少需要：日志等级 时间 支持用户自定义（日志内容，文件行，文件名）void logMessage(int level, const char *format, ...)
{
#ifndef DEBUG_SHOWif (level == DEBUG)return;
#endifchar stdBuffer[1024]; // 标准部分time_t timestamp = time(nullptr);snprintf(stdBuffer, sizeof(stdBuffer), "[%s] [%ld] ", gLevelMap[level], timestamp);char logBuffer[1024]; // 自定义部分va_list args;va_start(args, format);vsnprintf(logBuffer, sizeof(logBuffer), format, args);va_end(args);// FILE *fp = fopen(LOGFILE, "a");// fprintf(fp, "%s %s\n", stdBuffer, logBuffer);// fclose(fp);printf("%s %s\n", stdBuffer, logBuffer);
}

上面的代码实现了服务器直接打印客户端发送的信息，并将信息在发回客户端；

  • netstat -anup指令：查看当前网络中的UDP协议服务器状态
    在这里插入图片描述

运行结果：
在这里插入图片描述

2.执行客户端发来的指令

在这里插入图片描述
popen接口可以执行传入的字符串command；
执行command，创建pipe管道进行进程间通信，fork子进程执行（exec）command命令；
FILE可以将执行成果通过FILE指针进行读取；*

udp_server.hpp中的start成员函数

    // 执行客户端指令void start(){// 服务器是永不退出的char buffer[SIZE];for (;;){struct sockaddr_in peer; // 远端地址，输出型参数bzero(&peer, sizeof(peer));socklen_t len = sizeof(peer); // 输入输出型参数// 输入时，大小为src_addr的大小// 输出时，值为实际读到的dst_addr大小char result[256];std::string cmd_echo;// 读取数据ssize_t s = recvfrom(_sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (s > 0){buffer[s] = 0; // 目前的数据当作字符串if (strcasestr(buffer, "rm") != nullptr || strcasestr(buffer, "rmdir")){std::string err_message = "bad !";std::cout << err_message << buffer << std::endl;sendto(_sock, err_message.c_str(), err_message.size(), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);continue;}FILE* fp = popen(buffer, "r");// 执行指令if(nullptr == fp){logMessage(ERROR, "popen: %d:%s", errno, strerror(errno));continue;}while(fgets(result, sizeof(result), fp) != nullptr) //通过fp读取执行结果{cmd_echo += result;}fclose(fp);}// 写回数据sendto(_sock, cmd_echo.c_str(), cmd_echo.size(), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);}}

运行结果：
在这里插入图片描述

3.多用户聊天

服务器将返回的消息发送给所有用户，聊天室功能；
udp_server.hpp中的start函数

class UdpServer
{
public:void start(){// 服务器是永不退出的char buffer[SIZE];for (;;){struct sockaddr_in peer; // 远端地址，输出型参数bzero(&peer, sizeof(peer));socklen_t len = sizeof(peer); // 输入输出型参数// 输入时，大小为src_addr的大小// 输出时，值为实际读到的dst_addr大小char key[64];                 // 保存客户端地址信息// 读取数据ssize_t s = recvfrom(_sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (s > 0){buffer[s] = 0; // 目前的数据当作字符串uint16_t cli_port = ntohs(peer.sin_port); // 获取端口号std::string cli_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr); // 获取4字节ip地址snprintf(key, sizeof key, "%s-%u", cli_ip.c_str(), cli_port); //格式化打印到key中logMessage(NORMAL, "key: %s", key);auto it = _users.find(key);if(it == _users.end()) // 若用户不存在，则添加用户{logMessage(NORMAL, "add new user : %s", key);_users.insert({key, peer});}}for(auto &iter : _users) // 将消息推送给所有用户{std::string sendMessage = key;sendMessage += "# ";sendMessage += buffer; // 发回消息的时候加上用户信息logMessage(NORMAL, "push message to %s", iter.first.c_str());sendto(_sock, sendMessage.c_str(), sendMessage.size(), 0, (struct sockaddr *)&(iter.second), sizeof(iter.second));}}}private:// 一个服务器，一般需要ip地址和port（16位整数）uint16_t _port;std::string _ip;int _sock; // 套接字std::unordered_map<std::string, struct sockaddr_in> _users; // 存储用户信息};

客户端一边收消息，一边发消息，多线程；
thread.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <cstdio>typedef void *(*fun_t)(void *); // 定义函数指针类型，后面回调class ThreadData // 线程信息结构体
{
public:void *_args;std::string _name;
};class Thread
{
public:Thread(int num, fun_t callback, void *args): _func(callback){char nameBuffer[64];snprintf(nameBuffer, sizeof(nameBuffer), "Thread-%d", num);_name = nameBuffer;_tdata._args = args;_tdata._name = _name;}void start() // 创建线程{pthread_create(&_tid, nullptr, _func, (void *)&_tdata); // 直接将_tdata作为参数传给回调函数}void join() // 线程等待{pthread_join(_tid, nullptr);}std::string name(){return _name;}~Thread(){}private:std::string _name;fun_t _func;ThreadData _tdata;pthread_t _tid;
};

udp_client.cc

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <memory>
#include "thread.hpp"uint16_t server_port = 0;
std::string server_ip;static void usage(std::string proc)
{std::cout << "\nUsage: " << proc << "serverIP serverPort\n"<< std::endl;
}static void *udpSend(void *args)
{int sock = *(int *)((ThreadData *)args)->_args;std::string name = ((ThreadData *)args)->_name;std::string message;struct sockaddr_in server; // 服务器地址memset(&server, 0, sizeof server);server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(server_port);server.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str());while (true){std::cerr << "请输入你的信息# "; // 标准错误，fd == 2打印std::getline(std::cin, message);if (message == "quit"){break;}sendto(sock, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));}return nullptr;
}static void *udpRecv(void *args)
{int sock = *(int *)((ThreadData *)args)->_args;std::string name = ((ThreadData *)args)->_name;char buffer[1024];while(true){memset(buffer, 0, sizeof buffer);struct sockaddr_in temp;socklen_t len = sizeof temp;ssize_t s = recvfrom(sock, buffer, sizeof buffer, 0, (struct sockaddr*)&temp, &len);if(s > 0){buffer[s] = 0;std::cout << buffer << std::endl;}}
}int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){usage(argv[0]);exit(1);}// 创建套接字int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sock < 0){std::cerr << "socket error" << std::endl;exit(2);}server_ip = argv[1];server_port = atoi(argv[2]);// client要不要bind？？要，但是一般client不会显示的bind，程序员不会自己bind// client是一个客户端 -> 普通人下载安装启动使用的-> 如果程序员自己bind了->// client 一定bind了一个固定的ip和port，万一，其他的客户端提前占用了这个port呢？？// client一般不需要显示的bind指定port，而是让OS自动随机选择(什么时候做的呢？)std::unique_ptr<Thread> sender(new Thread(1, udpSend, (void *)&sock)); // 发送消息线程std::unique_ptr<Thread> recver(new Thread(2, udpRecv, (void *)&sock)); // 接收消息线程sender->start();recver->start();sender->join();recver->join();close(sock);return 0;
}

运行结果：
通过创建管道文件，让客户端发送信息和接收信息的会话分开：
在这里插入图片描述

4.在windows环境下运行客户端，与云服务器下的Linux服务端通信

windows下的套接字编程与Linux下的大致接口相同，只需要添加一些windows下独有的语句就可以：
udpClient.cpp

#pragma warning(disable:4996) //禁用报错
#include <WinSock2.h> //win套接字头文件
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib") //固定用法，引入win下的套接字库
uint16_t serverport = 8080;
std::string serverip = "120.78.126.148"; //云服务器公网ip
int main()
{// windows 独有的WSADATA WSAData;WORD sockVersion = MAKEWORD(2, 2); //选中库if (WSAStartup(sockVersion, &WSAData) != 0)return 0;SOCKET clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (INVALID_SOCKET == clientSocket){cout << "socket error!";return 0;}sockaddr_in dstAddr;dstAddr.sin_family = AF_INET;dstAddr.sin_port = htons(serverport);dstAddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(serverip.c_str());char buffer[1024];while (true){std::string message;std::cout << "请输入# ";std::getline(std::cin, message);sendto(clientSocket, message.c_str(), (int)message.size(), 0, (sockaddr*)&dstAddr, sizeof(dstAddr));struct sockaddr_in temp;int len = sizeof(temp);int s = recvfrom(clientSocket, buffer, sizeof buffer, 0, (sockaddr*)&temp, &len);if (s > 0){buffer[s] = '\0';std::cout << "server echo# " << buffer << std::endl;}}// windows 独有closesocket(clientSocket);WSACleanup();return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

四、TCP套接字

1.打印客户端信息并发回

（1）tcp_server.hpp

  • 套接字类型
    在这里插入图片描述
    由于TCP协议是面向字节流的协议，因此套接字的类型需选择SOCK_STREAM；
    在这里插入图片描述

  • 面向连接的协议
    因为TCP协议是面向连接的，当我们正式通信的时候，需要先建立连接；
    在这里插入图片描述
    将套接字状态设置为监听状态；
    backlog：全链接队列长度；
    成功返回0，失败返回-1，并设置errno；

  • netstat -antp指令：查看网络中的TCP协议服务器
    在这里插入图片描述

  • 获取连接
    在这里插入图片描述
    accept接口：获取与客户端的连接；
    addr：输出型参数，拿到客户端的ip和端口号；
    addlen：输入输出型参数，输入服务器addr大小，输出客户端addr大小;
    返回值：成功：返回套接字，这是真正进行IO服务的套接字；失败返回-1；
    传入的sockfd参数那个套接字只是获取底层的连接，是监听套接字；

  • 读取消息
    TCP流式套接字可以直接使用read和write接口（recvfrom专用于UDP数据报读取）;

单进程循环处理
一次处理一个客户端，处理完了一个，才能处理下一个；

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include "log.hpp"// 打印服务
static void service(int sock, const std::string &cli_ip, const uint16_t &cli_port)
{// 读取消息：TCP流式套接字可以直接使用read和write接口（recvfrom专用于UDP数据报读取）char buffer[1024];while (true){ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer - 1));if (s > 0){buffer[s] = 0;std::cout << cli_ip << ":" << cli_port << "# " << buffer << std::endl;}else if (s == 0) // 对端关闭连接{logMessage(NORMAL, "%s:%d shutdown, me too!", cli_ip.c_str(), cli_port);break;}else{logMessage(ERROR, "read sock error, %d:%s", errno, strerror(errno));break;}write(sock, buffer, strlen(buffer));}
}class TcpServer
{
private:const static int gbacklog = 20;public:TcpServer(uint16_t port, std::string ip = ""): _port(port), _ip(ip){}void initServer(){// 1.创建套接字socket -- 进程和文件_listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listensock < 0){logMessage(FATAL, "create socket error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(2);}logMessage(NORMAL, "create socket success, listensock: %d", _listensock);// 2.bind -- 文件 + 网络struct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof local);local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = _ip.empty() ? INADDR_ANY : inet_addr(_ip.c_str());if (bind(_listensock, (struct sockaddr *)&local, sizeof local) < 0){logMessage(FATAL, "bind error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(3);}// 3.因为TCP是面向连接的，当我们正式通信的时候，需要先建立连接if (listen(_listensock, gbacklog) < 0){logMessage(FATAL, "listen error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(4);}logMessage(NORMAL, "init server success");}void start(){while (true){// 4.获取连接struct sockaddr_in src;                                               // 输出型参数，获取对方主机地址socklen_t len = sizeof src;                                           // 输入输出型参数，对方主机地址的长度int servicesock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&src, &len); // 得到真正进行IO服务的套接字if (servicesock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, %d:%s", errno, strerror(errno));continue; // 获取连接失败后继续获取}// 获取连接成功了，通信对象的地址在accept函数的后两个参数中uint16_t cli_port = ntohs(src.sin_port);std::string cli_ip = inet_ntoa(src.sin_addr);logMessage(NORMAL, "link succsee, servicesock: %d | %s : %d |\n",servicesock, cli_ip.c_str(), cli_port);// 开始进行通信服务// 单进程循环版 -- 一次处理一个客户端，处理完一个才能处理下一个service(servicesock, cli_ip, cli_port);close(servicesock);}}~TcpServer(){}private:uint16_t _port;std::string _ip;int _listensock; // 监听套接字
};

（2）tcp_server.cc

#include "tcp_server.hpp"
#include <memory>
static void usage(std::string proc)
{std::cout << "\nUsage: " << proc << " port\n" << std::endl;
}
// ./tcp_server port
int main(int argc, char *argv[])
{if(argc != 2){usage(argv[0]);exit(1);}uint16_t port = atoi(argv[1]);std::unique_ptr<TcpServer> svr(new TcpServer(port));svr->initServer();svr->start();return 0;
}
  • 使用远程登陆工具telnet模拟客户端
    在这里插入图片描述
    连接服务端
    在这里插入图片描述
    按照提示按下ctrl + ]进入telnet
    在这里插入图片描述

运行结果
在这里插入图片描述
如果创建两个客户端
在这里插入图片描述
服务端只会响应第一个客户端，只有当第一个客户端退出时，第二个客户端才会被响应；

（3）多进程版服务器
tcp_server.hpp中的start成员函数
**父进程waitpid会阻塞进程，和单进程就没区别了；

  • 方案一：
    可以主动忽略SIGCHID信号让子进程自动释放僵尸状态；
    父进程关闭servicesock，因为每个进程可用的文件描述符都是有限的，这里关闭了，还有子进程的fd指向文件，因此不会有问题；
    如果不关闭，就会导致文件描述符泄露；
    void start(){signal(SIGCHLD, SIG_IGN); // 对于SIGCHLD，主动忽略SIGCHLD信号，子进程退出的时候，会自动释放自己的僵尸状态while (true){// 4.获取连接struct sockaddr_in src;                                               // 输出型参数，获取对方主机地址socklen_t len = sizeof src;                                           // 输入输出型参数，对方主机地址的长度int servicesock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&src, &len); // 得到真正进行IO服务的套接字if (servicesock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, %d:%s", errno, strerror(errno));continue; // 获取连接失败后继续获取}// 获取连接成功了，通信对象的地址在accept函数的后两个参数中uint16_t cli_port = ntohs(src.sin_port);std::string cli_ip = inet_ntoa(src.sin_addr);logMessage(NORMAL, "link succsee, servicesock: %d | %s : %d |\n",servicesock, cli_ip.c_str(), cli_port);// 开始进行通信服务//多进程版 -- 创建子进程//让子进程给新的连接提供服务，子进程是能够直接打开父进程曾经打开的文件fd的pid_t id = fork();assert(id != -1);if(id == 0){//子进程，能够继承父进程的文件fd//子进程是来提供服务的，不需要知道监听socketclose(_listensock);//关闭不需要的文件描述符service(servicesock, cli_ip, cli_port);exit(0); // 使用忽略SIGCHLD信号来自动退出僵尸状态}close(servicesock);}}

运行结果：
可以进行多客户端通信了；
在这里插入图片描述

  • 方案二（不忽略SIGCHLD信号）
    在子进程中再fork，创建孙子进程，让孙子进程执行service，子进程立马退出；
    孙子进程就变成孤儿进程，让OS领养，OS在孤儿进程退出的时候，由OS自动回收孤儿进程；
    void start(){while (true){// 4.获取连接struct sockaddr_in src;                                               // 输出型参数，获取对方主机地址socklen_t len = sizeof src;                                           // 输入输出型参数，对方主机地址的长度int servicesock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&src, &len); // 得到真正进行IO服务的套接字if (servicesock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, %d:%s", errno, strerror(errno));continue; // 获取连接失败后继续获取}// 获取连接成功了，通信对象的地址在accept函数的后两个参数中uint16_t cli_port = ntohs(src.sin_port);std::string cli_ip = inet_ntoa(src.sin_addr);logMessage(NORMAL, "link succsee, servicesock: %d | %s : %d |\n",servicesock, cli_ip.c_str(), cli_port);// 多进程版 -- 创建子进程// 让子进程给新的连接提供服务，子进程是能够直接打开父进程曾经打开的文件fd的pid_t id = fork();assert(id != -1);// 多进程版 -- 创建孙子进程if (id == 0){// 子进程，能够继承父进程的文件fd// 子进程是来提供服务的，不需要知道监听socketclose(_listensock); // 关闭不需要的文件描述符if(fork() > 0){exit(0);// 子进程调用fork，创建孙子进程，然后子进程退出}// 孙子进程在子进程退出后编程孤儿进程，OS领养，OS在孤儿进程退出后自动回收service(servicesock, cli_ip, cli_port);exit(0); // 使用忽略SIGCHLD信号来自动退出僵尸状态}waitpid(id, nullptr, 0); // 子进程及时退出，不会阻塞等待close(servicesock);}}

运行结果：
在这里插入图片描述

（4）客户端：
TCP的服务端需要bind，一定需要一个确定的port；
TCP的客户端不需要bind，一旦bind，就说明客户端绑定的是一个具体端口号，两个客户端可能是由不同公司写的，可能端口号会出现冲突；
需要让操作系统自动进行port选择；
客户端需要连接别人；

  • connect接口：连接特定的IP和port
    在这里插入图片描述
    后两个参数与sendto参数相同，目的主机的地址和地址的大小；
    成功返回0，失败返回-1；

  • send接口：tcp发送接口
    在这里插入图片描述
    flags默认为0

  • recv接口：tcp接收接口
    在这里插入图片描述

注：send和recv也可以使用read和write代替；

tcp_client.cc

#include "tcp_server.hpp"
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>static void usage(std::string proc)
{std::cout << "\nUsage: " << proc << "serverIP serverPort\n"<< std::endl;
}int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){usage(argv[0]);exit(1);}std::string serverip = argv[1];uint16_t serverport = atoi(argv[2]);bool alive = false; // 连接是否还存在int sock = 0;std::string line;while (true){if (!alive) // 如果连接不存在，重新建立连接{sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sock < 0){std::cerr << "socket error" << std::endl;exit(2);}// client不需要显式bind，但是一定需要port// 要让OS自动进行port选择struct sockaddr_in server;memset(&server, 0, sizeof server);server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(serverport);server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str());if (connect(sock, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) < 0){std::cerr << "connect error" << std::endl;exit(3);}std::cout << "connect success" << std::endl;alive = true;}std::cout << "请输入# ";std::getline(std::cin, line);if(line == "quit"){break;}ssize_t s = send(sock, line.c_str(), line.size(), 0); // 向服务器发送消息if(s > 0){// 发送成功char buffer[1024];ssize_t l = recv(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if(s > 0){// 接收回信成功buffer[s] = 0;std::cout << "server 回显# " << buffer << std::endl;}else if(s == 0){//接收到文件结尾alive = false;close(sock);}}else{// 发送失败，则重新开始建立连接alive = false;close(sock);}}return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

2.多线程版服务器

（1）每次连接时都创建新的线程
tcp_server.hpp

class ThreadData
{
public:int _sock;std::string _ip;uint16_t _port;
};class TcpServer
{
private:const static int gbacklog = 20;static void *threadRoutine(void *args){pthread_detach(pthread_self());ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);service(td->_sock, td->_ip, td->_port);delete td;return nullptr;}public:TcpServer(uint16_t port, std::string ip = ""): _port(port), _ip(ip){}void initServer(){// 1.创建套接字socket -- 进程和文件_listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listensock < 0){logMessage(FATAL, "create socket error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(2);}logMessage(NORMAL, "create socket success, listensock: %d", _listensock);// 2.bind -- 文件 + 网络struct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof local);local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = _ip.empty() ? INADDR_ANY : inet_addr(_ip.c_str());if (bind(_listensock, (struct sockaddr *)&local, sizeof local) < 0){logMessage(FATAL, "bind error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(3);}// 3.因为TCP是面向连接的，当我们正式通信的时候，需要先建立连接if (listen(_listensock, gbacklog) < 0){logMessage(FATAL, "listen error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(4);}logMessage(NORMAL, "init server success");}// 多线程版void start(){while (true){// 4.获取连接struct sockaddr_in src;                                               // 输出型参数，获取对方主机地址socklen_t len = sizeof src;                                           // 输入输出型参数，对方主机地址的长度int servicesock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&src, &len); // 得到真正进行IO服务的套接字if (servicesock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, %d:%s", errno, strerror(errno));continue; // 获取连接失败后继续获取}// 获取连接成功了，通信对象的地址在accept函数的后两个参数中uint16_t cli_port = ntohs(src.sin_port);std::string cli_ip = inet_ntoa(src.sin_addr);logMessage(NORMAL, "link succsee, servicesock: %d | %s : %d |\n",servicesock, cli_ip.c_str(), cli_port);// 多线程ThreadData* td = new ThreadData();td->_sock = servicesock;td->_ip = cli_ip;td->_port = cli_port;pthread_t tid;// 多线程不需要关闭文件描述符，因为多线程共享文件描述符pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, td);}}~TcpServer(){}private:uint16_t _port;std::string _ip;int _listensock; // 监听套接字
};

运行结果：
在这里插入图片描述

（2）使用线程池管理线程

引入之前写的线程池，具体代码见Linux知识点 – Linux多线程（四）
线程池代码中：
Task.hpp
更改了回调函数的类型；

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include "log.hpp"//typedef std::function<void (int, const std::string&, const uint16_t&, const std::string&)> func_t;//与上面的写法是等价的
using func_t = std::function<void (int, const std::string&, const uint16_t&, const std::string&)>;class Task
{public:Task() {}Task(int sock, const std::string ip, uint16_t port, func_t func) : _sock(sock), _ip(ip), _port(port), _func(func){}void operator()(const std::string &name){_func(_sock, _ip, _port, name);}public:int _sock;std::string _ip;uint16_t _port;func_t _func;
};

tcp_server.hpp
更改了service回调函数和类内成员函数start，每次将任务push进任务队列，等待线程池处理；

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cassert>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <memory>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/wait.h>
#include <pthread.h>
#include <ctype.h>
#include "thread-pool/log.hpp"
#include "thread-pool/threadPool.hpp"
#include "thread-pool/Task.hpp"static void service(int sock, const std::string &cli_ip,const uint16_t &cli_port, const std::string &thread_name)
{// 读取消息：TCP流式套接字可以直接使用read和write接口（recvfrom专用于UDP数据报读取）char buffer[1024];while (true){ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer - 1));if (s > 0){buffer[s] = 0;std::cout << thread_name << "|" <<  cli_ip << ":" << cli_port << "# " << buffer << std::endl;}else if (s == 0) // 对端关闭连接{logMessage(NORMAL, "%s:%d shutdown, me too!", cli_ip.c_str(), cli_port);break;}else{logMessage(ERROR, "read sock error, %d:%s", errno, strerror(errno));break;}write(sock, buffer, strlen(buffer));}close(sock); // 线程在回调函数中关闭不用的文件描述符
}class TcpServer
{
private:const static int gbacklog = 20;public:TcpServer(uint16_t port, std::string ip = "0.0.0.0"): _listensock(-1), _port(port), _ip(ip), _threadpool_ptr(ThreadPool<Task>::getThreadPool()){}void initServer(){// 1.创建套接字socket -- 进程和文件_listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listensock < 0){logMessage(FATAL, "create socket error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(2);}logMessage(NORMAL, "create socket success, listensock: %d", _listensock);// 2.bind -- 文件 + 网络struct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof local);local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = _ip.empty() ? INADDR_ANY : inet_addr(_ip.c_str());if (bind(_listensock, (struct sockaddr *)&local, sizeof local) < 0){logMessage(FATAL, "bind error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(3);}// 3.因为TCP是面向连接的，当我们正式通信的时候，需要先建立连接if (listen(_listensock, gbacklog) < 0){logMessage(FATAL, "listen error, %d:%s", errno, strerror(errno));exit(4);}logMessage(NORMAL, "init server success");}// 线程池void start(){_threadpool_ptr->run(); // 启动线程池while (true){// 4.获取连接struct sockaddr_in src;                                               // 输出型参数，获取对方主机地址socklen_t len = sizeof src;                                           // 输入输出型参数，对方主机地址的长度int servicesock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&src, &len); // 得到真正进行IO服务的套接字if (servicesock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, %d:%s", errno, strerror(errno));continue; // 获取连接失败后继续获取}// 获取连接成功了，通信对象的地址在accept函数的后两个参数中uint16_t cli_port = ntohs(src.sin_port);std::string cli_ip = inet_ntoa(src.sin_addr);logMessage(NORMAL, "link succsee, servicesock: %d | %s : %d |\n",servicesock, cli_ip.c_str(), cli_port);// 线程池版本Task t(servicesock, cli_ip, cli_port, service);_threadpool_ptr->pushTask(t);}}~TcpServer(){}private:uint16_t _port;std::string _ip;int _listensock; // 监听套接字std::unique_ptr<ThreadPool<Task>> _threadpool_ptr; // 线程池指针
};

其他代码都与之前的一致；
运行结果：
在这里插入图片描述
也可以传入其他的回调函数，完成不同的功能；

五、关于地址转换函数

1.字符串转in_addr的函数

在这里插入图片描述
inet_aton地址转换函数:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
inet_pton地址转换函数
在这里插入图片描述

2.in_addr转字符串的函数

在这里插入图片描述

  • 关于inet_ntoa
    因为inet_ntoa把结果放到自己内部的一个静态存储区，这样第二次调用时的结果会覆盖掉上一次的结果，因此inet_ntoa是线程不安全的；
    在多线程环境下，推荐使用inet_ ntop，这个函数由调用者提供一个缓冲区保存结果，可以规避线程安全问题；

六、TCP协议通讯流程

在这里插入图片描述

  • 服务器初始化
    调用socket,创建文件描述符；
    调用bind,将当前的文件描述符和ip/port绑定在一起；如果这个端口已经被其他进程占用了，就会bind失败；
    调用listen，声明当前这个文件描述符作为一个服务器的文件描述符，为后面的accept做好准备；
    调用accecpt，并阻塞，等待客户端连接过来；

  • 建立连接的过程（三次握手）
    调用socket，创建文件描述符；
    调用connect，向服务器发起连接请求；
    connect会发出SYN段并阻塞等待服务器应答(第一次)；
    服务器收到客户端的SYN，会应答一个SYN-ACK段表示"同意建立连接"(第二次)；
    客户端收到SYN-ACK后会从connect(返回，同时应答一个ACK段(第三次)；

  • 数据传输的过程
    建立连接后，TCP协议提供全双工的通信服务；所谓全双工的意思是，在同-条连接中,同一时刻，通信双方可以同时写数据；相对的概念叫做半双工，同一条连接在同一时刻，只能由一方来写数据；
    服务器从accept()返回后立刻调用read)，读socket就像读管道一样，如果没有数据到达就阻塞等待；
    这时客户端调用write0发送请求给服务器，服务器收到后从read(返回,对客户端的请求进行处理，在此期
    间客户端调用read()阻塞等待服务器的应答；
    服务器调用write()将处理结果发回给客户端，再次调用read()阻塞等待下一条请求；
    客户端收到后从read()返回，发送下一条请求如此循环下去；

  • 断开连接的过程（四次挥手）
    如果客户端没有更多的请求了，就调用close()关闭连接，客户端会向服务器发送FIN段(第一次)；
    此时服务器收到FIN后，会回应一个ACK，同时read会返回0 (第二次)；
    read返回之后，服务器就知道客户端关闭了连接，也调用close关闭连接，这个时候服务器会向客户端发送一个FIN(第三次)；
    客户端收到FIN，再返回一个ACK给服务器(第四次)；

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