【Linux进阶之路】Socket —— “UDP“ “TCP“

文章目录

  • 一、再识网络
    • 1. 端口号
    • 2. 网络字节序列
    • 3.TCP 与 UDP
  • 二、套接字
    • 1.sockaddr结构
    • 2.UDP
      • 1.server端
        • 1.1 构造函数
        • 1.2 Init
        • 1.3 Run
      • 2.客户端
        • 1.Linux
        • 2.Windows
    • 3.TCP
      • 1. 基本接口
      • 2. 客户端
      • 3. 服务端
        • 1.版本1
        • 2.版本2
        • 3.版本3
        • 4.版本4
  • 三、守护进程
  • 尾序

  • 温馨提示：文章较长(代码较多)，请收藏起来慢慢观看。

一、再识网络

1. 端口号

 在上文我们大致理解了，网络传输的基本流程和相关概念，知道ip地址可以标识唯一的一台主机，但是主机获取到信息的最终目的是为了呈现给上层的用户，即我们所熟知的抖音等APP，既然有很多的APP，具体给哪一个APP呢？

  • 说明：
  1. APP，具体指的是运行起来的程序，即一个一个的进程。
  2. 网络通信的本质是进程之间借助网卡(共享资源)进行通信。
  • 概念
  • 端口号：
  1. 指的是用于标记进程或者服务的逻辑地址。
  2. 范围为0 到 65535，分有大致三类：
  1. 系统端口：系统端口范围是从 0 到 1023，这些端口通常被一些众所周知的网络服务占用，比如 HTTP（端口 80）、HTTPS（端口 443）、FTP（端口 21）、SSH（端口 22）等。通常需要root权限才能够进行使用。
  2. 注册端口：注册端口范围是从 1024 到 49151，这一范围的端口通常被一些应用程序或服务占用。普通用户也可进行使用。
  3. 动态/私有端口：动态/私有端口范围是从 49152 到 65535，也被称为私有端口或暂时端口。这些端口通常被客户端应用程序使用，用于临时通信。

疑问：既然进程的pid能标识唯一的进程，那为什么不直接捡现成的用呢？

答： 进程pid VS 端口号:

  • 从概念上看：
  1. pid：操作系统管理进程使用。
  2. 端口号：网络通信以及为应用程序提供服务。
  3. 两者实现的解耦合的关系。
  • 从使用形式上看：
  1. pid: 进程创建时才拥有。
  2. 端口号：固定一段范围，0 到 65535。
  • 从用法来看：
  1. pid: 一个进程只能有一个pid。
  2. 端口号：一个进程能有多个端口号，为用户提供不同的服务。
  3. 联系：pid和端口号都是只能对应一个进程。且通过端口号可找到进程pid，从而找到进程。
  • 总结：
  1. 通过IP地址标识唯一的一台主机。
  2. 通过端口号标识唯一的一个进程。
  3. 进而我们可以实现网络之间的通信。

拓展：在实际进行通信的过程中，一般是由客户端访问服务器，由服务器再提供对应的服务。

  • 说明：
  1. 客户端要想访问服务器，首先得知道服务器的ip地址和对应服务的端口号。这些工作早已经由开发人员做好，因此无需担心。
  2. 服务器的ip地址和端口号一般是不能发生变化的，否则客户端就无法访问。因为客户端的载入的服务器的端口号和ip一般是固定的。
  3. 客户端的端口号是动态变化的。这是因为多个app的开发厂商并不互通，因此可能存在端口号冲突的现象，因此要动态绑定端口号，而且这样做更加灵活，安全，高效。
  4. 服务器要对大量用户提供服务，而且用户的IP地址是随机变化的，这也间接的导致了，服务器要在"客户端做一些手脚", 即固定服务器的ip地址和端口号。

2. 网络字节序列

 关于数据用大端还是用小端，就跟鸡蛋先吃大头还是先吃小头一样，没有实际的争论意义，因此我们看到电脑既有大端机，也有小端机。

在这里插入图片描述

  • 说明：big - endian 为大端机的数据，little - endian为小端机的数据。
  • 速记：大同小异反着记——大 “异” 小 “同”。

  • 但是网络里面传输数据，不可能即传输大端数据也传输小端，因此规定统一在网络里面传输大端数据，到对应的主机里面再进行统一的转换，大端不用变，小端再转换一下即可。

  • 相关的接口：

#include <arpa/inet.h>uint32_t htonl(uint32_t hostlong);uint16_t htons(uint16_t hostshort);uint32_t ntohl(uint32_t netlong);uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
  • 速记：h(host) to n(net) l(long)，即将long类型的数据从主机转网络。其余类似。

3.TCP 与 UDP

传输方式：

  • TCP：面向字节流。
  • UDP：面向数据报。

这是最本质的差别，下面我们就这两点进行分析：

  • 面向字节流
  1. 将数据视为连续的字节流进行传输和处理。发送方将数据拆分为字节流并逐个发送，接收方按照接收到的顺序重新组装数据。
  2. 提供了可靠的传输，保证数据按顺序、无差错地传输。它使用基于确认和重传的机制来确保数据的可靠性。
  3. 基于连接的通信方式，需要在发送方和接收方之间建立一个持久的连接。连接的建立和维护需要一定的开销，但可以确保数据的有序传输。
  4. 适用于需要可靠传输和有序性的应用，如文件传输、视频流传输等。

总结：TCP协议，面向字节流，因此可靠，有连接。适合文件和视频等信息的传输。

  • 面向数据报
  1. 将数据划分为独立的数据，即数据报，每个数据报都携带了完整的信息，可以独立地发送和接收。
  2. 不保证数据的可靠性，每个数据报都是独立传输的，可能会发生丢失、重复或乱序。
  3. 无连接的通信方式，每个数据报都是独立的，不需要事先建立连接。
  4. 对实时性要求较高的应用，如实时音频、视频通信等，因为它可以提供更低的延迟。

总结：UDP协议，面向数据报，因此不可靠，无连接。适用于对实时性要求高的应用。

  • 说明：这里的可靠和不可靠是一个中性词。不可靠意味着较低的成本，实现更加简单，可靠意味着实现需要较大的代价。因此没有谁好谁坏。

下面我们实现是更为简单的UDP套接字。

  • 在开始之前我们先来解决一个前置问题，主要是服务器的端口问题，一般默认有些端口是禁掉的，不能用于网络之间的通信，因此我们需要开放一些端口供我们之间通信使用。
  • 实现步骤：
  1. 登录所在云服务的官网。(我的是阿里云的)
  2. 点击控制台。
  3. 点击云服务器ESC/轻量级服务器/云服务器，找到对应的云服务器。(我的是轻量级云服务器)
  4. 如果是云服务器ESC/服务器就找到安全组，点击安全组ID进行编辑即可。如果是轻量级服务器就在服务器一栏找到实例id点击，再点击防火墙进行编辑即可。
  • 具体步骤——阿里云轻量级云服务器
    • 第一步：
      在这里插入图片描述
    • 第二步：
      在这里插入图片描述
    • 第三步：
      在这里插入图片描述
    • 第四步：
      在这里插入图片描述

二、套接字

1.sockaddr结构

  • 这是一层抽象化的结构，设计之初是为了统一网络套接字的接口使用，是一套通用的网络套接字，而对应的具体的套接字有 网络套接字 与 域间套接字。

图解：
在这里插入图片描述

  • 类似多态的思想，即从抽象到具体。在使用过程中我们可以通过传入通用的套接字类型，并且指定对应的套接字大小，从而说明其对应的具体类型，也就是我们说的多态。

  • 我们实现的是网络编程，使用的是：struct sockaddr_in。

  • 具体结构：
    在这里插入图片描述
  1. sin_family_t sin_family; 所属家族协议类型，一般设置为AF_INT/PF_INT，即ipv4类型的协议。
  2. in_port_t sin_port; 端口号。
  3. struct in_addr sin_addr; ip地址。
  • 注意：端口号和ip地址的数据都为网络序列。

2.UDP

  • Log.hpp(记录日志信息)
#pragma once
#include<map>
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<stdarg.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<time.h>
using namespace std;
#define SIZE (4096)//事件的等级
#define EMRGE 1
#define ALERK 2
#define CRIT  3
#define ERRO  4
#define WARNNING 5
#define NOTICE   6
#define INFORE   7
#define DEBUG    8
#define NONE     9//输出方向
#define DEFAULTFILE 1
#define CLASSFILE 2
#define SCREAN 0
//说明：一般我们在传参时一般都是以宏的方式进行传参的，
//如果需要打印出字符串可以用KV类型进行映射转换。
map<int,string> Mode = {{1,"EMERG"},{2,"ALERK"},{3,"CRIT"},{4,"ERRO"},{5,"WARNING"},{6,"NOTICE"},{7,"INFOR"},{8,"DEBUG"},{9,"NONE"}
};//分类文件处理的后缀。
map<int,string> file = {{1,"emerg"},{2,"alerk"},{3,"crit"},{4,"erro"},{5,"warning"},{6,"notice"},{7,"infor"},{8,"debug"},{9,"none"}
};
class Log
{
public:void operator()(int level,const char* format,...){//将输入的字符串信息进行输出。va_list arg;va_start(arg,format);char buf[SIZE];vsnprintf(buf,SIZE,format,arg);va_end(arg);//获取时间time_t date = time(NULL);struct tm* t = localtime((const time_t *)&date);char cur_time[SIZE] = {0};snprintf(cur_time,SIZE,"[%d-%d-%d %d:%d:%d]",\t->tm_year + 1900,t->tm_mon + 1,t->tm_mday,t->tm_hour,t->tm_min,t->tm_sec);//输入再进行合并string Log = "[" + Mode[level] + "]" + \cur_time + string(buf) + "\n";//处理输出方向PrintClassFile(level,where,Log);}void PrintDefaultFILE(string& file_name,const string& mes){int fd = open(file_name.c_str(),O_CREAT | O_WRONLY \| O_APPEND,0666);write(fd,mes.c_str(),mes.size());close(fd);}//将文件进行分类进行输出。void PrintClassFile(int level,int where,const string& mes){if(where == SCREAN)cout << mes;else{string file_name = "./log.txt";if(where == CLASSFILE)file_name += ("." + file[level]);PrintDefaultFILE(file_name,mes);}}void ReDirect(int wh){where = wh;}
private:int where = SCREAN;
};

说明：在【Linux进阶之路】进程间通信有所提及，具体这个小组件是用来帮助我们显示出日志的时间，等级，出错内容等信息。

1.server端

  • 基本框架：
//所用容器
#include<string>
#include<unordered_map>//与内存相关的头文件
#include<string.h>
#include<strings.h>//网络相关的头文件
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h> //包装器
#include<functional>//日志头文件
#include "Log.hpp"//枚举常量，用于失败退出进程的退出码
enum
{SOCKET_CREAT_FAIL = 1,SOCKET_BIND_FAIL,
};
class UdpServer
{
public:UdpServer(uint16_t port,string ip):_port(port),_ip(ip),_sockfd(0){}~UdpServer(){}void Init(){}void Run(){}
private:int _sockfd;string _ip;uint16_t _port;
};
1.1 构造函数
  1. 一般我们使用1024以上的端口号即可，此处我们默认使用8080端口。
  2. 云服务器，禁止直接绑定公网ip。
  • . 解决方法——因此我们绑定的时候使用0.0.0.0即任意ip地址绑定即可，即接收所有云服务器地址的发来的信息。
  • . 方法优点——服务可以在服务器上的所有IP地址和网络接口上进行监听，从而提供更广泛的访问范围。
  • 因此在构造函数里，我们给出两个缺省值即可。
//全局定义：
uint16_t default_port = 8080;
string default_string = "0.0.0.0";//类内
UdpServer(uint16_t port = default_port,string ip = default_string)
:_port(port),_ip(ip),_sockfd(0)
{}
1.2 Init
  1. 创建套接字
  • 接口
//头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
//函数声明：
int socket(int domain, int type, int protocol);
/*
参数：1：指定通信域,使用AF_INT即可，即IPV4的ip地址。2: SOCKET_DGRAM,即使用的套接字类型，指的是UDP类型的套接字。3: 指定协议，一般设为0，根据前两个参数系统会自动选择合适的协议。
返回值：1.成功返回对应的文件描述符,网络对应的是网卡文件。2.失败返回-1。*/
  1. 绑定套接字
  • 接口：
//头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
//函数声明：
int bind(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);/*
参数：1.网络的文件描述符。2.sockaddr具体对象对应的地址，为输入型参数。3.具体对象对应的大小，为输入型参数。
说明：在传参之前，sockaddr对象应初始化完成。返回值：1.成功返回 0。2.失败返回 -1，并设置合适的错误码。
*/
  • 说明：在传入sockaddr具体对象对应的地址时，需要再强转为sockaddr*类型的，因为也传进去了具体对象的大小，所以内部会再识别出具体的对象，再进行处理。

  • 这里的IP地址的形式为字符串类型的，便于用户进行识别，而在网络当中是usiged int 类型的，中间需要转换一下。

  • 实现代码：

#include<string>
#include<iostream>
using std::string;
using std::cout;
using std::endl;struct StrToIp
{unsigned int str_to_ip(const string& str){int ssz = str.size();int begin = 0;int index = 3;for (int i = 0; i <= ssz; i++){if (str[i] == '.' || i == ssz){string tmp = str.substr(begin,i);begin = i + 1;unsigned char n = stoi(tmp);if (index < 0) return 0;part[index--] = n;}}//auto p = (unsigned char*)&ip;//for (int i = 0; i < 4; i++)//{//	*(p + i) = part[i];//}//return ip;return *((unsigned int*)part);}unsigned char part[4] = { 0 };//unsigned int ip = 0;};int main()
{StrToIp s;cout << s.str_to_ip("59.110.171.160") << endl;return 0;
}
  1. 我们将字符串分为四部分，然后转换为char类型的四个变量，存储即可。
  2. 这四个部分我们存放在数组或者单独存都可以，这里我采用数组便于操作。
  3. 如果为数组，具体转换为int变量时，应注意四个部分的存储顺序。
  • 运行结果：

在这里插入图片描述

  • 说明：
  1. 我所在的机器为小端机，数据是低位放在低地址处，所以应该倒着存每一段。
  2. 如果为大端机，数据是高位放在低地址处，所以应该正着存每一段。
  3. 最后强转取数据即可。
  • 补充： 指针指向的是对象的低地址处。

在实际编程的过程中，相应的接口已经准备好，不需要手动的写，但相应的原理还是要清楚的。

  • 字符串转地址的网络序列接口：
//头文件
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);/*
参数：1.转化的ip地址的字符串。2.输出型参数，in_addr的变量。
返回值：1.成功返回非零值，通常为1.2.失败返回零值。
*/
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
/*
参数：1.转化的ip地址的字符串。
返回值：1.成功返回对应的ip值。2.失败返回INADDR_NONE，其定义为 (in_addr_t) -1。
*/
  • 主机ip地址转字符串的接口：
//头文件
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
char *inet_ntoa(struct in_addr in);/*参数：存放主机序列的ip地址
返回值：字符串形式的ip。*/
  • 实现代码：
    void Init(){//1.创建套接字，即创建文件描述符_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(_sockfd < 0){lg(CRIT,"socket fail,error message is %s,error \number is %d ",strerror(errno),errno);exit(SOCKET_CREAT_FAIL);}lg(INFORE,"socket fd is %d,socket success!",_sockfd);//2.绑定套接字/*注意：主机序列都要转成网络序列。*/// 2.1初始化域间套接字struct sockaddr_in server_mes;bzero(&server_mes,sizeof(server_mes));server_mes.sin_family = AF_INET;server_mes.sin_port = htons(_port); server_mes.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());socklen_t len = sizeof(server_mes);// server_mes.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;; //任意地址转网络序列// 2.2 绑定域间套接字int ret = bind(_sockfd,(const sockaddr*)&server_mes,len);if(ret < 0){lg(CRIT,"bind fail,error message is %s,\error number is %d ",strerror(errno),errno);exit(SOCKET_BIND_FAIL);}lg(INFORE,"ret is %d,bind success!",ret);}
1.3 Run
  1. 等待客户发信息

接口

//头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);/*
参数:1.文件描述符。2.缓存区，读取用户发来的信息。3.缓存区的大小。4.一般使用默认值0即可。5.src_addr变量的地址，用于接收用户的网络信息,输出型参数。6.addrlen用于接受用户的src_addr具体对象的长度，输入输出型参数。返回值：1.成功，返回接受的字节个数。2.连接关闭，返回0。3.错误返回-1.设置合适的错误码。
*/
  1. 给客户提供服务

接口：

//头文件:
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen)	
参数:1.文件描述符。2.缓存区，存放发给用户的信息。3.缓存区的大小。4.一般使用默认值0即可。5.src_addr变量的地址，用于存放用户的网络信息。6.addrlen用于存放用户的src_addr具体对象的长度。返回值：1.成功，返回实际发送的字节个数。3.错误返回-1.设置合适的错误码。
  • 实现代码：
 void Run(){for(;;){//存放用户消息的缓存区char buffer[1024] = {0};//用于存放用户的网络信息struct sockaddr_in client_mes; socklen_t len;//收消息ssize_t n = recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer) - 1\,0,(sockaddr*)&client_mes,&len);if(n < 0){lg(WARNNING,"recvfrom message fail,waring \message is %s",strerror(errno));continue;}buffer[n] = 0;//uint_32_t 转 stringstring cip = inet_ntoa(client_mes.sin_addr);uint16_t cport = ntohs(client_mes.sin_port);string echo_mes =  "[" + cip + ":" + to_string(cport)\+ "]@" + buffer;cout << echo_mes << endl;//发消息：n = sendto(_sockfd,echo_mes.c_str(),echo_mes.size(),\0,(sockaddr*)&client_mes,len);}}
  • 这里只是简单的使用接口，因此完成收发消息即可。
  • server.hpp
#pragma once
//所用容器
#include<string>
#include<unordered_map>//与内存相关的头文件
#include<string.h>
#include<strings.h>//网络相关的头文件
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h> //包装器
#include<functional>//日志头文件
#include "Log.hpp"
//枚举常量，用于失败退出进程的退出码
enum
{SOCKET_CREAT_FAIL = 1,SOCKET_BIND_FAIL,
};Log lg;
uint16_t default_port = 8888;
string default_string = "0.0.0.0";
class UdpServer
{
public:UdpServer(uint16_t port = default_port,string ip \= default_string):_port(port),_ip(ip),_sockfd(0){}~UdpServer(){if(_sockfd > 0) {close(_sockfd);}}void Init(){//1.创建套接字，即创建文件描述符_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(_sockfd < 0){lg(CRIT,"socket fail,error message is %s,error \number is %d ",strerror(errno),errno);exit(SOCKET_CREAT_FAIL);}lg(INFORE,"socket fd is %d,socket success!",_sockfd);//2.绑定套接字/*注意1.主机序列转成网络序列。*/struct sockaddr_in server_mes;bzero(&server_mes,sizeof(server_mes));server_mes.sin_family = AF_INET;server_mes.sin_port = htons(_port); server_mes.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());socklen_t len = sizeof(server_mes);// server_mes.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;; //任意地址转网络序列int ret = bind(_sockfd,(const sockaddr*)&server_mes,len);if(ret < 0){lg(CRIT,"bind fail,error message is %s,error number is\%d ",strerror(errno),errno);exit(SOCKET_BIND_FAIL);}lg(INFORE,"ret is %d,bind success!",ret);}void Run(){for(;;){char buffer[1024] = {0};struct sockaddr_in client_mes; //用户的网络信息socklen_t len = sizeof(client_mes);//收消息ssize_t n = recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer) - 1\,0,(sockaddr*)&client_mes,&len);if(n < 0){lg(WARNNING,"recvfrom message fail,waring message \is %s",strerror(errno));continue;}buffer[n] = 0;string cip = inet_ntoa(client_mes.sin_addr);uint16_t cport = ntohs(client_mes.sin_port);string echo_mes =  "[" + cip + ":" + to_string(cport)\+ "]@" + buffer;cout << echo_mes << endl;//发消息：n = sendto(_sockfd,echo_mes.c_str(),echo_mes.size()\,0,(sockaddr*)&client_mes,len);}}
private:int _sockfd;string _ip;uint16_t _port;
};
  • server.cc
#include<iostream>
#include<vector>
#include"udpserver.hpp"
void Usage(char* pragma_name)
{cout << endl << "Usage: " << pragma_name \<< " + port[8000-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{if(argc != 2){Usage(argv[0]);return 1;}uint16_t port = stoi(argv[1]);UdpServer* ser = new UdpServer(port);ser->Init();ser->Run();return 0;
}
  • 当服务器启动成功时，我们可以使用 netstat -naup 查看对应的服务器。
  • 说明：-n表示 net，-a 表示 all，-u 表示 udp, -p 表示 process, 即显示出所有的udp套接字的信息。
  • 图解：在这里插入图片描述

2.客户端

1.Linux
  • 实际上只有四步：

  1. 创建网络套接字。

  2. 输入要发送的消息。

  3. 发消息。

  4. 收消息。

  • 注意：
  1. 在客户端，我们并不需要主动bind端口号，而是应该由系统自动分配端口号，这样即避免了不同应用程序之间端口号的冲突，也变向的提高了安全性，灵活性。
  2. 端口号在调用sento函数时，自动进行绑定。
  • client.hpp
#pragma once
//容器
#include<string>//内容接口
#include<string.h>
#include<strings.h>//网络相关的接口
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h> //线程
#include<pthread.h>
//日志
#include "Log.hpp"
using std::string;
Log lg;
enum
{SOCKET_CREAT_FAIL = 1,SOCKET_BIND_FAIL,
};
string default_ip = "59.110.171.164";
uint16_t default_port = 8888;
struct UdpClient
{
public:UdpClient(uint16_t port = default_port,string ip = default_ip):_ip(ip),_port(port){}~UdpClient(){if(_sockfd > 0) {close(_sockfd);}}void Init(){_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(_sockfd < 0){lg(CRIT,"socket create fail,error message is %s,error \is %d",strerror(errno),errno);exit(SOCKET_CREAT_FAIL);}lg(INFORE,"socket create success, socketfd is %d",_sockfd);//在发送消息的时候会自动进行绑定。}void Run(){struct sockaddr_in server_mes;bzero(&server_mes,sizeof(server_mes));server_mes.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());server_mes.sin_family = AF_INET;server_mes.sin_port = htons(_port);socklen_t len = sizeof(server_mes);while(true){string str;cout << "please enter@";getline(cin,str);ssize_t n = sendto(_sockfd,str.c_str(),str.size(),0,\(sockaddr*)&server_mes,len);if(n < 0){lg(WARNNING,"send message fail,error message is \%s,error is %d",strerror(errno),errno);continue;}char buffer[SIZE] = {0};n = recvfrom(_sockfd,buffer,SIZE - 1,0,\(sockaddr*)&server_mes,&len);buffer[n] = '\0';cout << buffer << endl;}}int _sockfd;string _ip;uint16_t _port;
};
  • client.cc
#include "udpclient.hpp"
void Usage(char* pragma_name)
{cout << endl << "Usage: " << pragma_name << " + ip " << \" + port[8080-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{if(argc != 3){Usage(argv[0]);return 1;}string ip = argv[1];uint16_t port = stoi(argv[2]);UdpClient* client = new UdpClient(port,ip);client->Init();client->Run();return 0;
}
  • 示例：
    在这里插入图片描述
2.Windows
  • WindowsClient.hpp
//定义此宏是为了屏蔽inet_addr这个错误。
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
#include<string>#include<WinSock2.h>
//此头文件应该包含于Windows.h之上，可能的原因是重复包含相同的声明，
//也就是没有写#pragma once之类的。#include<Windows.h>#include<cstdlib>
#include<cstring>#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")//包含一个库using std::string;
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;enum
{START_FAIL = 1,SOCKET_FAIL = 2,
};string default_ip = "59.110.171.164";
uint16_t default_port = 8080;struct UdpClient
{
public:UdpClient(uint16_t port = default_port, string ip = default_ip):_ip(ip), _port(port),_sockfd(0){WSADATA wsd;int ret = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsd);if (ret != 0){perror("WSAStartup");exit(START_FAIL);}}~UdpClient(){if(_sockfd > 0) {close(_sockfd);}WSACleanup();}void Init(){_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sockfd < 0){perror("socket");exit(SOCKET_FAIL);}}void Run(){struct sockaddr_in server_mes;server_mes.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(_ip.c_str());server_mes.sin_port = htons(_port);server_mes.sin_family = AF_INET;int len = sizeof(server_mes);while (true){string str;cout << "please enter@";getline(cin, str);int ret = sendto(_sockfd, str.c_str(), str.size(), \0, (const sockaddr*)&server_mes, len);if (ret < 0){cout << ret << endl;perror("sento");continue;}char buffer[1024] = { 0 };int size = recvfrom(_sockfd, buffer, \sizeof(buffer) - 1, 0, (sockaddr*)&server_mes, &len);if (size < 0){perror("recvfrom");continue;}buffer[size] = '\0';cout << buffer << endl;}}int _sockfd;string _ip;uint16_t _port;
};
  • Client.cc
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"WindowsClient.hpp"
//智能指针所在头文件
#include<memory>
int main()
{//使用unique_ptr确保只有一台服务器。std::unique_ptr<UdpClient> cp(new UdpClient());cp->Init();cp->Run();return 0;
}

在这里插入图片描述

  • Linux与Windows的代码相比之下,其实就构造和析构多了一点东西，其余基本完全相同。
  • 上述实现代码我们称之为版本1。

 基本的收发消息我们是可以完成的，而且我们通过端口号和ip标识了唯一的一台主机的唯一进程，这样我们可以基于此简单的实现一个基于网络的聊天室:

  • 客户端：
  1. 收消息和发消息应该用不同的线程进行执行，因此我们需要在客户端创建两个线程，收消息和发消息。
  2. 具体的实现操作我们可分为两步：
  1. 将收消息的线程输出到错误流中。
  2. 在运行时将错误流再重定向到指定的终端文件当中。
  • 查看终端文件：ls /dev/pts
    在这里插入图片描述
  • 客户端更改代码：
    static void* SendMessage(void* args){auto threadptr = static_cast<pair<UdpClient*,\struct sockaddr_in*>*>(args);UdpClient* cptr = threadptr->first;sockaddr* sptr = (sockaddr*)threadptr->second;//发消息while(true){string str;cout << "please enter@";getline(cin,str);ssize_t ret = sendto(cptr->_sockfd,str.c_str()\,str.size(),0,sptr,sizeof(sockaddr_in));if(ret < 0){lg(WARNNING,"send message fail,error message\is %s,error is %d",strerror(errno),errno);continue;}}   }static void* ReceiveMessage(void* args){auto threadptr = static_cast<pair<UdpClient*,\struct sockaddr_in*>*>(args);UdpClient* cptr = threadptr->first;sockaddr* sptr = (sockaddr*)threadptr->second;socklen_t len = sizeof(sockaddr_in);//收消息while(true){char buffer[SIZE] = {0};int ret  = recvfrom(cptr->_sockfd,buffer,SIZE - 1,\0,sptr,&len);cerr << buffer << endl;}}void Run(){struct sockaddr_in server_mes;bzero(&server_mes,sizeof(server_mes));server_mes.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());server_mes.sin_family = AF_INET;server_mes.sin_port = htons(_port);socklen_t len = sizeof(server_mes);pair<UdpClient*,struct sockaddr_in*> thread_ptr = \{this,&server_mes};pthread_t rtid,wtid;pthread_create(&rtid,nullptr,SendMessage,&thread_ptr);pthread_create(&wtid,nullptr,ReceiveMessage,&thread_ptr);pthread_join(rtid,nullptr);pthread_join(wtid,nullptr);}
  • 服务端：
  1. 上述代码我们已经用ip地址和端口号标识了全网的唯一 一个进程。
  2. 因此我们可以用此来认证用户和给指定用户收发消息。
  3. 具体采用unordered_map<string,sockaddr_in>的结构进行实现。
  • server.hpp增删代码：
//类外：
#include<unordered_map>#include<functional>
using fun_t = function<string(string,string,uint16_t)>;//类内：void CheckUser(const sockaddr_in& user){string cip = inet_ntoa(user.sin_addr);uint16_t port = ntohs(user.sin_port);string key = cip + to_string(port);auto it = users.find(key);if(it == users.end()){cout << "add a new user[" << cip << "]" << endl;users.insert({key,user});}}void BroadCast(const string& mes){int cnt = 0;for(auto& user : users){sockaddr_in& client_mes = user.second;socklen_t len = sizeof(sockaddr_in);ssize_t n = sendto(_sockfd,mes.c_str(),mes.size()\,0,(sockaddr*)&client_mes,len);if(n < 0){lg(WARNNING,"send message fail,waring message\is %s",strerror(errno));continue;}cnt++;}}void Run(fun_t cal_back){for(;;){char buffer[1024] = {0};struct sockaddr_in client_mes; //用户的网络信息// socklen_t len = sizeof(client_mes);socklen_t len;//收消息ssize_t n = recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer) \- 1,0,(sockaddr*)&client_mes,&len);if(n < 0){lg(WARNNING,"recvfrom message fail,waring message \is %s",strerror(errno));continue;}buffer[n] = 0;string cip = inet_ntoa(client_mes.sin_addr);uint16_t cport = ntohs(client_mes.sin_port);string echo_mes = cal_back(buffer,cip,cport);//1.检查用户是否已经上线CheckUser(client_mes);//2.广播给所有用户BroadCast(echo_mes);}
  • server.cc——更新代码
//添加此函数。
string Print(const string& mes,string ip,uint16_t port)
{string infor = "[" + ip + ":" + to_string(port) + "]@" \+ mes;return infor; 
}void Usage(char* pragma_name)
{cout << endl << "Usage: " << pragma_name \<< " + port[8000-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{if(argc != 2){Usage(argv[0]);return 1;}uint16_t port = stoi(argv[1]);UdpServer* ser = new UdpServer(port);ser->Init();//更新此处ser->Run(Print);return 0;
}
  • 效果：
    在这里插入图片描述
  • 以上我们使用终端来重定向输出，看起来是不太漂亮的，使用图形库的知识我们可以将效果做的更为逼真，更加真实。
  • 上述更新代码我们称之为版本2，基于版本1更改。
  • 在运行可执行程序时，我们将标准错误流重定向到指定的终端文件即可。

其次，既然能收发消息，我们还可以将消息当做指令进行处理，就类似与我们使用ssh登录云服务器的功能类似：

  • 相关接口：
//头文件#include <stdio.h>FILE *popen(const char *command, const char *type);
/*参数：1.要执行的命令。2.打开文件的类型，这里我们设置为"r" 模式即可。
返回值：1.失败返回空指针。2.成功返回对应的文件指针。
*/int pclose(FILE *stream);/*参数：要关闭的文件指针。返回值：1.失败返回-1。2.成功返回0.
*/char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
/*参数：1.存放的缓存区的地址2.缓存区的大小。3.读取的文件指针
返回值：1.成功返回读取到的内容的地址。2.失败返回空指针。 	
*/
  • server.cc
#include<iostream>
#include<vector>
#include"udpserver.hpp"//过滤掉一下关键词。
bool SafeCheck(const string& buf)
{vector<string> key_words = {"rm","cp","mv","yum","top","while",};for(string& word : key_words){auto it = buf.find(word);if(it != string::npos) return true;}return false;
}
//主要功能函数：
string HandlerCommand(const string& buf,string ip,uint16_t port)
{if(SafeCheck(buf)) return "Bad Man!";FILE* res = popen(buf.c_str(),"r");if(res == nullptr){lg(CRIT,"run a command fail,error message is %s,\error is %d",strerror(errno),errno);exit(-1);}string ret;//从执行的命令的结果中读取内容while(true){char buffer[1024] = {0};if(fgets(buffer,sizeof(buffer),res) == nullptr)break;ret += buffer;}int n = pclose(res);return ret;
}
void Usage(char* pragma_name)
{cout << endl << "Usage: " << pragma_name \<< " + port[8000-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{if(argc != 2){Usage(argv[0]);return 1;}uint16_t port = stoi(argv[1]);UdpServer* ser = new UdpServer(port);ser->Init();ser->Run(HandlerCommand);return 0;
}
  • server.hpp
#include<functional>
using fun_t = function<string(string,string,uint16_t)>;//类内：void Run(fun_t cal_back){for(;;){char buffer[1024] = {0};struct sockaddr_in client_mes; //用户的网络信息// socklen_t len = sizeof(client_mes);socklen_t len;//收消息ssize_t n = recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer) \- 1,0,(sockaddr*)&client_mes,&len);if(n < 0){lg(WARNNING,"recvfrom message fail,waring message \is %s",strerror(errno));continue;}buffer[n] = 0;string cip = inet_ntoa(client_mes.sin_addr);uint16_t cport = ntohs(client_mes.sin_port);string echo_mes = cal_back(buffer,cip,cport);n = sendto(_sockfd,echo_mes.c_str(),echo_mes.size()\,0,(sockaddr*)&client_mes,len);if(n < 0){lg(WARNNING,"send message fail,waring message\is %s",strerror(errno));continue;}}}
  • 上述实现代码我们称之为版本3。基于版本1进行拓展。
  • 总结：
  1. 版本1—— 简单使用套接字编程，并使用服务器和客户端完成简单的收发消息。
  2. 版本2—— 基于版本1，实现了一个简单的聊天室，使用多线程和重定向使收消息和发信息完成并发。
  3. 版本3—— 基于版本1，实现了客户端远程控制服务器，并执行对应发送的命令。

3.TCP

1. 基本接口

因为TCP是可靠的，那么必然得多做一些准备工作，具体以接口的形式呈现，下面我们先介绍TCP的服务端和客户端多做的工作。

服务端：

  1. socket时，我们需要设置第二个选项为SOCKET_STREAM，即基于字节流的形式的协议。
  2. 服务器在bind之后需要监听客户端的连接。
//头文件
#include<sys/type.h>
#include<sys/socket.h>//函数声明:
int listen(int sockfd, int backlog);
/*
参数：1.SOCKET_STREAM,即TCP类型的套接字文件描述符。2.请求队列的最大长度，设置为5即可,可以理解为待处理的客户端的最大连接数。
返回值：1.成功返回 0.2.失败返回-1，设置合适的错误码。
*/
  1. 服务器在listen之后，如果有客户端连接需要接收。
//头文件
#include<sys/type.h>
#include<sys/socket.h>
//函数声明：
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
/*
参数：1.TCP类型的套接字文件描述符。2.输出型参数，即客户端的信息。3.输入输出型参数，具体的套接字地址结构体的大小变量的地址。
返回值：1.成功返回对应客户端的套接字文件描述符。2.失败返回-1，设置合适的错误码。
*/
  • 疑问：socket 不是已经有文件描述符了，accept还要返回文件描述符呢？
  • 解释：
  1. 我们最开始创建的描述符是用来接收客户端连接的，并不用与客户端通讯。
  2. 这就好比一家餐厅，有出门接客的服务员，有餐桌上提供实际服务的服务员，开始创建的描述符就好比出门接客的服务员，而accept返回的套接字描述符就是实际提供服务的服务员。
  3. 出门引客的文件描述符在引完" 客人"，又回到店门口去引客了，因此只有一个，又因为店里可能同时有多人在吃饭，所以实际服务的文件描述符可能有多个。
  4. 在提供服务的描述符服务完之后，需要关闭描述符，即清理餐桌，等待为下一位客人提供服务。
  • 说明：因为要保证可靠，因此实际服务一次只能服务一位。

客户端：只需要在一些基础工作之上，与服务器建立连接即可。

//头文件
#include<sys/type.h>
#include<sys/socket.h>
//函数声明：
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
/*
参数：1.TCP类型的文件描述符。2.输出型参数，即客户端的信息。3.输入输出型参数，具体的套接字地址结构体的大小。
返回值：1.成功返回0，表示连接成功。2.失败返回-1，表示连接失败。
*/
  • 接口的功能基本了解之后，我们可以开始实现一个简单的服务端与客户端。
  • 实现代码文件基本框架：
    在这里插入图片描述

2. 客户端

  • client.cc
#include"tcpclient.hpp"
#include<memory>
void Usage(char* pragma_name)
{cout << endl << "Usage: " << pragma_name \<< "+ ip + port[8000-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{if(argc != 3){Usage(argv[0]);return 1;}string ip = argv[1];uint16_t port = stoi(argv[2]);std::unique_ptr<TcpClient> tc(new TcpClient(ip,port));// tc->Init();tc->Run();return 0;
}
  • tcpclient.hpp
#pragma once#include <string>
#include <cstring>
#include <strings.h>#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#include <string>
#include "../Tools/Log.hpp"using std::string;enum
{CREATE_FAIL = 1,TOIP_FAIL,BIND_FAIL,LISTEN_FAIL,CONNET_FAIL,IPTONET_FAIL,
};
using std::string;
uint16_t defaultport = 8080;
string defaultip = "59.110.171.164";
int defaultbacklog = 5;
class TcpClient
{
public:TcpClient(string ip = defaultip,uint16_t port = defaultport): _port(port), _ip(ip), _sockfd(0){}void Run(){//server端sockaddr_in server;memset(&server,0,sizeof(server));socklen_t len = sizeof(server);if(inet_aton(_ip.c_str(), &server.sin_addr) < 0){lg(CRIT,"inet_atoncreat fail,reason is %s,errno \is %d", strerror(errno), errno);exit(IPTONET_FAIL);}server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(_port);while(true){_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_sockfd < 0){lg(CRIT, "socket creat fail,reason is %s,errno \is %d", strerror(errno), errno);exit(CREATE_FAIL);}bool reconect = false;int cnt = 10;do{int ret = connect(_sockfd, (sockaddr *)&server,\sizeof(server));if (ret < 0){reconect = true;lg(WARNNING, "connect creat fail,reason \is %s,errno is %d", strerror(errno), errno);sleep(2);}else{reconect = false;}} while (reconect && cnt--);//发消息string str;cout << "please enter@";getline(cin,str);ssize_t n = sendto(_sockfd,str.c_str(),str.size()\,0, (sockaddr *)&server, sizeof(server));if(n < 0){lg(WARNNING, "sendto fail,reason is %s,\errno is %d", strerror(errno), errno);continue;}char buffer[1024] = {0};n = recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer) - 1,\0, (sockaddr *)&server, &len);if(n < 0){lg(WARNNING, "recvfrom fail,reason is %s,\errno is %d", strerror(errno), errno);continue;}cout << buffer;close(_sockfd);}}private:int _sockfd;uint16_t _port;string _ip;
};
  • 套接字文件描述符，在提供一次服务之后立马关闭，重新连接。
  • 重新连接时，可能会连接失败，因此提供了10次重连功能，重连失败跳出循环，重连成功继续享受服务器的服务。

3. 服务端

  • server.cc:
#include"tcpserver.hpp"
#include<memory>
using std::unique_ptr;
void Usage(char* pragma_name)
{cout << endl << "Usage: " << pragma_name \<< " + port[8000-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{if(argc != 2){Usage(argv[0]);return 1;}uint16_t port = stoi(argv[1]);unique_ptr<TcpServer> tp(new TcpServer(port));tp->Init();tp->Run();return 0;
}
1.版本1
  • server.hpp
#pragma once
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<vector>
#include<strings.h>
#include<cstring>#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>#include"../Tools/Log.hpp"
enum
{CREATE_FAIL = 1,TOIP_FAIL,BIND_FAIL,LISTEN_FAIL,
};
using std::string;
uint16_t defaultport = 8080;
string defaultip = "0.0.0.0";
int defaultbacklog = 5;class TcpServer
{public:TcpServer(uint16_t port = defaultport,string ip = defaultip\,int backlog = defaultbacklog):_port(port),_ip(ip),_sockfd(0),_backlog(5){lg.ReDirect(CLASSFILE);}~TcpServer(){if(_sockfd > 0){close(_sockfd);}}void Init(){_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(_sockfd < 0){lg(CRIT,"socket creat fail,reason is %s,errno\is %d.",strerror(errno),errno);exit(CREATE_FAIL);}//补充：防止服务器偶发性无法重启，即端口号无法重复的进行使用。int opt = 1;setsockopt(_sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT,\&opt,sizeof(opt));//初始化服务器信息sockaddr_in server_mes;socklen_t len = sizeof(server_mes);memset(&server_mes,0,sizeof(server_mes));server_mes.sin_port = htons(_port);server_mes.sin_family = AF_INET;if(!inet_aton(_ip.c_str(),&server_mes.sin_addr)){lg(CRIT,"address change fail,reason is %s,errno \is %d.",strerror(errno),errno);exit(TOIP_FAIL);}//绑定if(bind(_sockfd,(sockaddr*)&server_mes,len) == -1){lg(CRIT,"bind fail,reason is %s,errno \is %d.",strerror(errno),errno);exit(BIND_FAIL);}//监听if(listen(_sockfd,_backlog) < 0){lg(CRIT,"listen fail,reason is %s,errno \is %d.",strerror(errno),errno);exit(LISTEN_FAIL);}lg(INFORE,"sockfd is %d,TcpServer Init Success!",_sockfd);}void Run(){for(;;){sockaddr_in client_mes;memset(&client_mes,0,sizeof(client_mes));socklen_t len = sizeof(client_mes);int fd = accept(_sockfd,(sockaddr*)&client_mes,&len);if(fd < 0){lg(WARNNING,"accept fail,reason is %s,\errno is %d,fd is %d",strerror(errno),errno,fd);break;}lg(INFORE,"add a client, fd is %d.",fd);// version 1 —— 单进程版，即一次只能服务一个人。Service(client_mes,len,fd); }}void Service(const sockaddr_in& client,socklen_t len,int fd){//收消息while(true){char buffer[1024] = {0};ssize_t n = read(fd,buffer,sizeof(buffer) - 1);if(n < 0){lg(WARNNING,"read fail,reason is %s,\errno is %d.",strerror(errno),errno);continue;}//细节1：读不到要跳出/返回。else if(n == 0){break;}buffer[n] = '\0';string ip = inet_ntoa(client.sin_addr);uint16_t port = ntohs(client.sin_port);string echo_mes = "[" + ip + ":" + to_string(port)\+ "]@" + string(buffer);n = write(fd,echo_mes.c_str(),echo_mes.size());if(n <= 0){lg(WARNNING,"sendto fail,reason is %s,\errno is %d.",strerror(errno),errno);continue;}}}
private:int _sockfd;uint16_t _port;string _ip;int _backlog;
};

效果：

  • 这里我们介绍一个小工具——telnet，用与简单的收发消息。
  • 使用：
  1. telnet 【IP地址】 【端口号】
  2. 连接成功即可接收和发送信息。
  3. 输入 ctrl 加 ]，跳转到命令端口。
  4. 输入回车退出命令窗口，输入quit退出telnet工具。
  • 效果在这里插入图片描述

但是这个服务器有一个缺陷，就是一次只能服务一位客户，因为Service调用完之后，才能给下一个用户提供服务，那么我们可以将Run函数的Service变成如下情况，实现多进程版的并发服务。

2.版本2
  • 更改Run函数的代码：
void Run(){for(;;){sockaddr_in client_mes;memset(&client_mes,0,sizeof(client_mes));socklen_t len = sizeof(client_mes);int fd = accept(_sockfd,(sockaddr*)&client_mes,&len);if(fd < 0){lg(WARNNING,"accept fail,reason is %s,\errno is %d,fd is %d",strerror(errno),errno,fd);break;}lg(INFORE,"add a client, fd is %d.",fd);// version 2 —— 使用孙子进程进行托孤，即让操作系统接管。pid_t pid = fork();if(pid == 0){//子进程if(fork() > 0) exit(0);//孙子进程Service(client_mes,len,fd); exit(0);}}}
  • 这里如果我们使用子进程的话，下面势必还有父进程等待回收子进程。
  • 因此我们创建子进程之后，再创建一个孙子进程，并退出子进程。
  • 这样孙子进程就变为了孤儿进程，由系统进行管理，而父进程不受影响。

但是多进程势必会占用更多的资源，因此我们还可以创建线程，从而达到资源方面的优化作用。

3.版本3
  • 在服务端增加与更改代码：
//类外//声明
class TcpServer;struct  PthreadData
{PthreadData(TcpServer* const ptr,socklen_t leng,\sockaddr_in client_mes,int sockfd):tp(ptr),len(leng),client(client_mes),fd(sockfd){}TcpServer* tp;socklen_t len;sockaddr_in client;int fd;
};//类内static void * Routine(void *args){//为了省略之后的join,因此直接分离线程即可。pthread_detach(pthread_self());auto p = static_cast<PthreadData*>(args);sockaddr_in client = p->client;socklen_t len = p->len;TcpServer* tp = p->tp;int fd = p->fd;tp->Service(client,len,fd);close(fd);return nullptr;}void Run(){for(;;){sockaddr_in client_mes;memset(&client_mes,0,sizeof(client_mes));socklen_t len = sizeof(client_mes);int fd = accept(_sockfd,(sockaddr*)&client_mes,&len);if(fd < 0){lg(WARNNING,"accept fail,reason is %s,\errno is %d,fd is %d",strerror(errno),errno,fd);break;}lg(INFORE,"add a client, fd is %d.",fd);// version 3 —— 多线程版pthread_t tid;PthreadData PD(this,len,client_mes,fd);pthread_create(&tid,nullptr,Routine,&PD);}}
  • 除此之外，线程的开辟和销毁也是有一定的损耗的，在此基础上，我们还可以进一步的进行优化。
  • 可以利用池化技术，即一次申请够线程，然后一直用着，这就所谓的线程池。
4.版本4
  • 线程池：threadpool.hpp
#pragma once
#include<vector>
#include<queue>
#include "Task.hpp"
using std::vector;
using std::queue;
using std::cout;
using std::endl;typedef void(*cal)();
class ThreadPool
{
public:static ThreadPool* GetInstance(){if(tpool == nullptr){tpool = new ThreadPool();}return tpool;}void Lock(){pthread_mutex_lock(&_t_mutex);}void UnLock(){pthread_mutex_unlock(&_t_mutex);}~ThreadPool(){for(int i = 0; i < _capacity; i++){pthread_join(tids[i],nullptr);}}void start(){for(int i = 0; i < _capacity; i++){pthread_create(&tids[i],nullptr,handler,this);}}void Push(const Task& data){//push这里只有主线程在push,因此没必要加锁。_que.push(data);pthread_cond_broadcast(&_t_cond);}static void* handler(void* args){ThreadPool* ptr = static_cast<ThreadPool*>(args);ptr->_handler();}void _handler(){while(true){Lock();while(_que.empty()){pthread_cond_wait(&_t_cond,&_t_mutex);}_que.front()();_que.pop();UnLock();}}
private:static ThreadPool* tpool;ThreadPool(int num = defaultnum):_capacity(num),tids(num){pthread_mutex_init(&_t_mutex,nullptr);pthread_cond_init(&_t_cond,nullptr);}const static int defaultnum = 5; //线程的锁和条件变量pthread_cond_t _t_cond;pthread_mutex_t _t_mutex;queue<Task> _que; //任务的场所vector<pthread_t> tids;int _capacity;int cnt = 0;
};
ThreadPool* ThreadPool::tpool = nullptr;
  • 除此之外，我们还需封装对应的Task任务，供线程池调用，以及服务端进行推送对应的任务。
  • 而且我们还可以基于此写一个网络版本的简单的翻译词典：
    1. 生成一个dict.txt，放入以 : 作为分割符的中译英的单词。
    2. 写一个类，用于读取文件内容生成词典，具体可用unordered_map。
    3. 根据此类写一个Task任务。
  • Dict.cc
#include<iostream>
#include<fstream>
#include<unordered_map>
using namespace std;
struct Dict
{Dict(string dir = "/home/shun_hua\/linux_-code/test_2024/2/Dict/dict.txt"){const char* _dir = dir.c_str();string str;std::ifstream fs(_dir,ios_base::in);while(getline(fs, str)){int pos = str.find(':');string prev = str.substr(0, pos);string suf = str.substr(pos + 1);dict[prev] = suf;}}string translate(const string& word){if(dict[word] == "") return "unknow";return dict[word];}unordered_map<string, string> dict;
};
  • 单词可以用ChatGpt生产，这里就不再列出了。
  • Task.hpp
#pragma once
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<vector>
#include<unordered_map>#include<strings.h>
#include<cstring>#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>#include"Log.hpp"
#include"../Dict/dict.hpp"
struct  Task
{Task(const sockaddr_in& client,socklen_t len,int fd):_client(client),_len(len),_fd(fd){}void Service(){//收消息while(true){char buffer[1024] = {0};ssize_t n = read(_fd,buffer,sizeof(buffer) - 1);if(n < 0){lg(WARNNING,"read fail,reason is %s,errno is %d,\fd is %d.",strerror(errno),errno,_fd);continue;}//细节1：读不到要跳出/返回。else if(n == 0){break;}buffer[n] = '\0';cout << buffer << endl;Dict dic;string ip = inet_ntoa(_client.sin_addr);uint16_t port = ntohs(_client.sin_port);string echo_mes = "[" + ip + ":" + to_string(port)\+ "]@" + dic.translate(buffer) +  "\n";cout << echo_mes;n = write(_fd,echo_mes.c_str(),echo_mes.size());if(n <= 0){lg(WARNNING,"sendto fail,reason is %s,errno \is %d.",strerror(errno),errno);continue;}}}void operator()(){Service();close(_fd);};sockaddr_in _client;socklen_t _len;string user;int _fd;
};
  • Server.hpp
#pragma once
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<vector>
#include<strings.h>
#include<cstring>#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>#include"../Tools/Log.hpp"
#include"../Tools/threadpool.hpp"
#include"../Tools/Task.hpp"
#include"../Tools/daemon.hpp"enum
{CREATE_FAIL = 1,TOIP_FAIL,BIND_FAIL,LISTEN_FAIL,
};
using std::string;
uint16_t defaultport = 8080;
string defaultip = "0.0.0.0";
int defaultbacklog = 5;//声明
class TcpServer;struct  PthreadData
{PthreadData(TcpServer* const ptr,socklen_t leng\,sockaddr_in client_mes,int sockfd):tp(ptr),len(leng),client(client_mes),fd(sockfd){}TcpServer* tp;socklen_t len;sockaddr_in client;int fd;
};ThreadPool* thp = ThreadPool::GetInstance();
class TcpServer
{public:TcpServer(uint16_t port = defaultport,\string ip = defaultip,int backlog = defaultbacklog):_port(port),_ip(ip),_sockfd(0),_backlog(5){// lg.ReDirect(CLASSFILE);}~TcpServer(){if(_sockfd > 0){close(_sockfd);}}void Init(){_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);if(_sockfd < 0){lg(CRIT,"socket creat fail,reason is %s\,errno is %d.",strerror(errno),errno);exit(CREATE_FAIL);}//补充：防止服务器偶发性无法重启，即端口号无法重复的进行使用。int opt = 1;setsockopt(_sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT\,&opt,sizeof(opt));//初始化服务器信息sockaddr_in server_mes;socklen_t len = sizeof(server_mes);memset(&server_mes,0,sizeof(server_mes));server_mes.sin_port = htons(_port);server_mes.sin_family = AF_INET;if(!inet_aton(_ip.c_str(),&server_mes.sin_addr)){lg(CRIT,"address change fail,reason is %s\,errno is %d.",strerror(errno),errno);exit(TOIP_FAIL);}//绑定if(bind(_sockfd,(sockaddr*)&server_mes,len) == -1){lg(CRIT,"bind fail,reason is %s,\errno is %d.",strerror(errno),errno);exit(BIND_FAIL);}//监听if(listen(_sockfd,_backlog) < 0){lg(CRIT,"listen fail,reason is %s,\errno is %d.",strerror(errno),errno);exit(LISTEN_FAIL);}lg(INFORE,"sockfd is %d,TcpServer Init Success!",_sockfd);}void Run(){thp->start();for(;;){sockaddr_in client_mes;memset(&client_mes,0,sizeof(client_mes));socklen_t len = sizeof(client_mes);int fd = accept(_sockfd,(sockaddr*)&client_mes,&len);if(fd < 0){lg(WARNNING,"accept fail,reason is %s,errno is \%d,fd is %d",strerror(errno),errno,fd);break;}lg(INFORE,"add a client, fd is %d.",fd);pthread_create(&tid,nullptr,Routine,&PD);//version 4 —— 线程池版本thp->Push(Task(client_mes,len,fd));}}
private:int _sockfd;uint16_t _port;string _ip;int _backlog;
};

三、守护进程

  • 在之前的信号这篇文章，我们对前台和后台有了基本的认识，两者的区分在于是否接收键盘的信息，前台接收，后台不接收。
  • 相关命令：
  1. jobs 查看后台进程
  2. 可执行程序 &，将程序变为后台。
  3. fg 任务号，将程序变为前台。
  4. Ctrl Z，将程序停止。
  5. bg 任务号，将程序变为后台。
  • 效果：使sleep 200 为可执行程序，这里是为了演示具体无意义。
    在这里插入图片描述

  • 会话

    • 那么我们所谓前台和后台运行的交替，从而达成信息的交互的过程，我们称之为会话。

    • 一般我们在登录服务器成功时会有一个会话，这个会话在前台显示的是bash进程，用于与用户实现交互，后台是一些系统的进程在运行，其中bash进程随着用户的登录而出现，随着用户的退出而消失。

    • 因此当登录时，会话的id与bash进程的ID保持一致，而且我们称这个进程为会话的领导者，也就是没人变为前台，那么bash就变为前台。
      在这里插入图片描述

  • 守护进程

    • 一个进程自成一个会话，且无终端，即不与用户交流，但可以将信息导入到文件中。
    • 要想变为守护进程自身不能是会话的领导者。

  • 实现代码：

#pragma once
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<signal.h>
using std::string;
string ddir = "/dev/null";
void Daemon(string dir = "")
{//对一些信号进行忽略，确保守护进程能够不受影响的正常运行。signal(SIGPIPE,SIG_IGN);signal(SIGCHLD,SIG_IGN);//创建进程,父进程退出使子进程变为孤儿进程。if(fork() > 0) exit(0);//子进程setsid();//更改当前的工作目录if(dir != ""){chdir(dir.c_str());}//将输出输入标准错误设置到 /dev/nullint fd = open(ddir.c_str(),O_WRONLY);if(fd < 0) return;dup2(fd,1);dup2(fd,2);dup2(fd,0);
}
  • 系统调用接口：
//头文件：
#include <unistd.h>
//函数：
int daemon(int nochdir, int noclose);
/*
参数：1.如果为0,则改变当前进程的工作目录为根目录，否则不做变化。2.如果为0,则改变stdin,stdout,stderror为/dev/null,否则不做变化。说明：这里的/dev/null看做一个 “黑洞”，即输入东西没有反应。
返回值：1.成功返回0。2.失败返回-1，并且设置合适的错误码。
*/
  • 我们可以将我们写的进程守护进程化，即7 * 24小时不间断的运行。

尾序

 本篇文章主要是对于Socket套接字的实战：

  • 对于UDP实现了服务端，两个系统的客户端，实现了一个简单版本的网络聊天室和输入命令远端控制。

  • 对于TCP实现了客户端，基于资源利用率和要求实现了四个版本的服务端，并在此基础上写了一个简单版本的网络之间的单词翻译。

  • 再此基础上介绍了守护进程，可以将我们写的服务端守护进程化，即7*24小时不停的运作。

 希望本篇文章对各位C友有所帮助，下篇文章将进入自定义协议章节。

我是舜华，期待与你的下一次相遇！

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