47 tcp网络程序-编程知识

网路聊天

API详解

下面用到的API，都在sys/socket.h中

socket ():
在这里插入图片描述

socket() 打开一个网络通讯端口，如果成功的话，就像open() 一样返回一个文件描述符
应用程序可以像读文件一样用read/write在网络上收发数据
如果调用出错返回-1
对于IPv4，family参数指定为AF_INET
对于TCP协议，type参数指定为SOCK_STREAM，表示面向流的传输协议
protocol参数是传输层协议，填0默认匹配

bind ()
在这里插入图片描述

服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的，客户端程序得知服务器程序的地址和端口号后，就可以向服务器发起连接，服务器需要调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号
bind() 成功返回0，失败返回-1
作用是将参数sockfd和myaddr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听nyaddr所描述的地址和端口号
struct sockaddr* 是一个通用指针类型，myaddr参数实际上可以接收各种协议的sockaddr结构体，而他们的长度各不相同，所以需要第三个参数addrlen指定结构体的长度

myaddr初始化：
1.整个结构体清零
2.设置地址类型为AF_INET
3.网络地址为INADDR_ANY，这个宏表示本地的任意IP地址，因为服务器可能有多个网卡，每个网卡也可能绑定多个IP地址，这样设置可以在所有的IP地址上监听，直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪个ip地址
4.端口号为SERV_PORT，可以定义为9999

listen ()
在这里插入图片描述

listen() 声明sockfd处于监听状态，并且最多允许有backlog个客户端处于连接等待状态，如果接收到更多的连接请求就忽略，这里设置不会太大（一般是5）
listen() 成功返回0，失败返回-1

accept ()

在这里插入图片描述

三次握手完成后，服务器调用accept接收连接
如果服务器调用accept时还没有客户端的连接请求，就阻塞等待直到有客户端连接上来
addr是一个传出参数，accept返回时传出客户端的地址和端口号
如果给addr传递NULL，表示不关心客户端的地址
addrlen参数是一个传入传出参数（value-result arument），传入的是调用者提供的，缓冲区addr的长度以避免缓冲区溢出问题，传出的是客户端地质结构体的实际长度（有可能没有占满调用者提供的缓冲区）

connect ()
在这里插入图片描述

客户端需要调用connect连接服务器
connct和bind的参数形式一致，区别在于bind的参数是自己的地址，而connect的参数是对方的地址
成功返回0，出错返回-1

服务端

成员变量三个，分别是listen套接字，ip和端口号，服务端的ip和端口号必须固定
在这里插入图片描述
构造函数传入ip和地址初始化成员变量

init函数初始化套接字信息，绑定到设备上，和前面的udp一样
因为tcp是面向字节流的，一般比较被动，处于一种等待连接来的状态，所以要设置等待连接，listen状态：
在这里插入图片描述

run函数开始接收消息，创建和套接字的连接，返回新的套接字描述符，用来后面通讯

为什么会有两个套接字
这个就像饭店拉客的例子，饭店门口有一个吆喝顾客进去吃饭的服务员，当接受这个建议后，进到店里，会重新分配一个服务员提供后续服务，点餐等，吆喝的服务员又会继续在门口等待下一个顾客

listen套接字是拉客的服务员，确保服务端需要通信，后续的发送和接收由accept创建的新套接字完成

在这里插入图片描述
service函数发送和接收消息，传入套接字，ip和port用来显示用户。tcp字节流读写可以直接用read和write函数

测试
开启服务端，服务端使用telnet命令，使用本机环回地址连接

telnet [ip] [端口]

接着输入^]就可以输入消息
在这里插入图片描述

全

#pragma once
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "log.hpp"string defaultip = "0.0.0.0";
uint16_t defaultport = 8000;
const int back = 2;  //连接请求队列个数,一般2-4Log log;enum
{SOCK_ERR = 1,BIND_ERR,LIStEN_ERR
};class server
{
public:server(const string ip = defaultip, const uint16_t port = defaultport){_ip = defaultip;_port = defaultport;}void init(){_listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listensock < 0){log.logmessage(fatal, "socket create error");exit(SOCK_ERR);}log.logmessage(info, "socket create success:%d", _listensock);sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;inet_aton(_ip.c_str(), &local.sin_addr);local.sin_port = htons(_port);//绑定if (bind(_listensock, (const struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0){log.logmessage(fatal, "bind error");exit(BIND_ERR);}log.logmessage(fatal, "bind success");//tcp面向连接,服务器一般被动,处于一种等待连接到来的状态// 设置listen状态if (listen(_listensock, back) < 0){log.logmessage(fatal, "listen error");exit(LIStEN_ERR);}}void service(int fd, const string ip, const uint16_t port){cout << "welcome " << ip << endl;char message[1024];while (true){    ssize_t n = read(fd, message, sizeof(message) - 1);if (n > 0){message[n] = 0;//数据处理string echo_string;echo_string = "[" + ip + ":" + to_string(port) + "]: " + message;cout << echo_string << endl;write(fd, echo_string.c_str(), echo_string.size());}}}void run(){while (true){//获取链接sockaddr_in sock;socklen_t len;int sockfd = accept(_listensock, (sockaddr *)&sock, &len);if (sockfd < 0){log.logmessage(warning, "accept fail");continue;}char buff[32];string clientip = inet_ntop(AF_INET, &sock.sin_addr, buff, len);uint16_t clientport = ntohs(sock.sin_port);service(sockfd, clientip, clientport);close(sockfd);}}~server(){close(_listensock);}private:int _listensock;string _ip;uint16_t _port;
};

客户端

初始化addr协议内容
在这里插入图片描述套接字

conncect函数建立连接
在这里插入图片描述

读写消息
在这里插入图片描述

全

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <pthread.h>
#include <fcntl.h>using namespace std;// string path = "/dev/pts/5";
// struct thread_data
// {
//     int _sockfd;
//     struct sockaddr_in _server;
//     string _ip;
// };// void *send_message(void * temp)
// {
//     thread_data *td = (struct thread_data*)temp;
//     string message;
//     cout << "welcome " << td->_ip << endl;
//     while (true)
//     {
//         cout << "please enter: ";
//         getline(cin, message);
//         sendto(td->_sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (const sockaddr *)&td->_server, sizeof(td->_server));
//     }// }// void* recv_message(void* temp)
// {
//     // int fd = open(path.c_str(), O_WRONLY);
//     // if (fd < 0)
//     // {
//     //     perror("open");
//     // }//     // dup2(fd, 2);//     thread_data *td = (struct thread_data *)temp;
//     char buff[1024];
//     sockaddr_in rec;
//     socklen_t len = sizeof(rec);
//     while (true)
//     {
//         ssize_t s = recvfrom(td->_sockfd, buff, sizeof(buff) - 1, 0, (sockaddr *)&rec, &len);
//         if (s > 0)
//         {
//             buff[s] = 0;
//             cerr << buff << endl;
//         }
//     }//     //close(fd);
// }int main()
{//thread_data td;//ip和port可以通过命令行参数传入uint16_t port = 8000;string ip = "ip";struct sockaddr_in server;bzero(&server, sizeof(server));server.sin_family = AF_INET;server.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());server.sin_port = htons(port);int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0){cout << "socket error" << endl;}//建立连接if (connect(sockfd, (const struct sockaddr*)&server, sizeof(server)) < 0){cout << "connect error" << endl;}cout << "connect success" << endl;// 通信string message;char buff[1024];while (true){cout << "please enter:";getline(cin, message);write(sockfd, message.c_str(), message.size());ssize_t n = read(sockfd, buff, sizeof(buff) - 1);if (n > 0){buff[n] = 0;cout << buff << endl;}}// client 需要绑定，但不显示绑定，由os自由选择//  pthread_t tid_send;//  pthread_t tid_recv;//  pthread_create(&tid_send, nullptr, send_message, &td);//  pthread_create(&tid_recv, nullptr, recv_message, &td);// pthread_join(tid_send, nullptr);// pthread_join(tid_recv, nullptr);close(sockfd);
}

多进程版

上面的程序是单进程的，主进程会跟随sevice程序直到结束，只能提供一个客户链接。需要可以多个用户同时连接的
在service函数的时候fork子进程，让子进程去执行功能，双方关闭不需要的文件，子进程关闭listen套接字，父进程关闭sockfd套接字，互不影响。但父进程会卡在回收子进程的wait函数里，可以用非阻塞的等待，保存打开过的套接字轮询。还可以在fork的子进程里再一次fork，fork成功后子进程退出，这样代替执行功能的就是孙子进程，孙子进程会被os领养，结束后自动释放，同时设置进程退出信号为忽视，就不需要等待子进程

void run(){//忽视子进程signal(SIGCHLD, SIG_IGN);while (true){//获取链接sockaddr_in sock;socklen_t len;int sockfd = accept(_listensock, (sockaddr *)&sock, &len);if (sockfd < 0){log.logmessage(warning, "accept fail");continue;}char buff[32];string clientip = inet_ntop(AF_INET, &sock.sin_addr, buff, len);uint16_t clientport = ntohs(sock.sin_port);pid_t pid = fork();if (pid == 0){// 子进程，孙子进程执行,子进程直接回收if (fork() > 0)exit(0); // 孙子进程,system领养service(sockfd, clientip, clientport);close(_listensock);exit(0);}// 父进程pid_t ret = waitpid(pid, nullptr, 0);close(sockfd);}}

可以从函数开始就for循环fork，每一个子进程都会从listen套接字中获取标识符，执行service。只不过这种竞争性的需要给accept加锁

多线程版

创建进程的成本比较大，所以可以适用多线程版本

线程调用的函数来提供service功能，需要传入文件符，ip和port，所以创建一个结构体作为参数。线程执行的routine函数在类内需是静态的，主线程等待线程退出也会阻塞，所以将线程分类，退出信号忽视。静态函数无法调用非静态函数，所以传入的参数内带一个server类变量，向前声明server类，用this指针初始化，用来调用service函数

struct thread_data
{int _fd;string _ip;uint16_t _port;server* ser;
};static void* routine(void* tmp){//线程分离pthread_detach(pthread_self());//可以service函数提到类外//添加一个类成员thread_data *td = static_cast<thread_data*>(tmp);td->ser->service(td->_fd, td->_ip, td->_port);delete td;return nullptr;}pthread_t tid;thread_data* td = new thread_data;td->_fd = sockfd;td->_ip = clientip;td->_port = clientport;td->ser = this;pthread_create(&tid, nullptr, routine, td);

线程池版

多线程版本，如果有一个客户就要建立一个线程，当高峰的时候，可能会有很多个线程同时开启，资源占用大

加入之前写好的线程池，当接收到一个会话后，派给线程池，线程池会自动分配线程执行任务
在这里插入图片描述
修改tash任务类，成员保存文件符，ip和port

读取内容处理后写回去，关闭文件。常服务不在线程池里跑，执行一次后结束会话

全
ThreadPool

#pragma once
#include <vector>
#include <queue>
#include <pthread.h>
#include <string>
#include <unistd.h>//换为封装的线程
struct ThreadInfo
{pthread_t _tid;std::string _name;
};
template <class T>
class pool
{static const int defaultnum = 5;public:std::string getname(pthread_t tid){for (auto ch : _thread){if (ch._tid == tid){return ch._name;}}return "None";}static void* HandlerTask(void* args){pool<T> *tp = static_cast<pool<T> *>(args);std::string name = tp->getname(pthread_self());while (true){pthread_mutex_lock(&(tp->_mutex));while (tp->_que.empty()){pthread_cond_wait(&(tp->_cond), &(tp->_mutex));}T t = tp->_que.front();tp->_que.pop();pthread_mutex_unlock(&tp->_mutex);t.run();//printf("%s finsih task:%s\n", name.c_str(), t.getresult().c_str());//sleep(1);}}void start(){for (int i = 0; i < _thread.size(); i++){_thread[i]._name = "thread" + std::to_string(i);pthread_create(&_thread[i]._tid, nullptr, HandlerTask, this);}}void push(const T& x){pthread_mutex_lock(&_mutex);_que.push(x);pthread_cond_signal(&_cond);pthread_mutex_unlock(&_mutex);}static pool<T>* GetInstance(){//套一层判断,只有第一次需要上锁if (_pl == nullptr){pthread_mutex_lock(&_lock);if (_pl == nullptr){//printf("first create\n");_pl = new pool<T>;}pthread_mutex_unlock(&_lock);}return _pl;}private:
//构造私有化pool(int num = defaultnum): _thread(num){pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);pthread_cond_init(&_cond, nullptr);}pool(const pool<T> &) = delete;const pool<T> &operator=(const pool<T>&) = delete;~pool(){pthread_mutex_destroy(&_mutex);pthread_cond_destroy(&_cond);}std::vector<ThreadInfo> _thread;std::queue<T> _que;pthread_mutex_t _mutex;pthread_cond_t _cond;static pthread_mutex_t _lock;static pool<T> *_pl;
};//类外初始化
template <class T>
pool<T>* pool<T>::_pl = nullptr;
template <class T>
pthread_mutex_t pool<T>::_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

task

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <string>
#include "log.hpp"
#include "init.hpp"// enum
// {
//     DIVZERO = 1,
//     UNKNOW
// };extern Log log;
Dict dict;
struct task
{
public:task(int fd, string ip, uint16_t port){_fd = fd;_ip = ip;_port = port;}void run(){//常服务在线程池跑不合理,循环cout << "welcome " << _ip << endl;char message[1024];ssize_t n = read(_fd, message, sizeof(message) - 1);if (n > 0){message[n] = 0;// 数据处理string echo_string;echo_string = "[" + _ip + ":" + to_string(_port) + "]: " + message;cout << echo_string << endl;write(_fd, echo_string.c_str(), echo_string.size());}else if (n == 0){log.logmessage(info, "quit server");}else{log.logmessage(warning, "read error");}close(_fd);}private:int _fd;string _ip;uint16_t _port;
};

server

#pragma once
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
//#include <netinet/in.h>
#include <wait.h>
#include <signal.h>
#include "ThreadPool.hpp"
#include "task.hpp"
#include "log.hpp"string defaultip = "0.0.0.0";
uint16_t defaultport = 8000;
const int back = 2;  //连接请求队列个数,一般2-4Log log;enum
{SOCK_ERR = 1,BIND_ERR,LIStEN_ERR
};class server;
struct thread_data
{int _fd;string _ip;uint16_t _port;server* ser;
};class server
{
public:server(const string ip = defaultip, const uint16_t port = defaultport){_ip = defaultip;_port = defaultport;}void init(){_listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listensock < 0){log.logmessage(fatal, "socket create error");exit(SOCK_ERR);}log.logmessage(info, "socket create success:%d", _listensock);sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;inet_aton(_ip.c_str(), &local.sin_addr);local.sin_port = htons(_port);//绑定if (bind(_listensock, (const struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0){log.logmessage(fatal, "bind error:%s",strerror(errno));exit(BIND_ERR);}log.logmessage(info, "bind success");//tcp面向连接,服务器一般被动,处于一种等待连接到来的状态// 设置listen状态if (listen(_listensock, back) < 0){log.logmessage(fatal, "listen error");exit(LIStEN_ERR);}}// void service(int fd, const string ip, const uint16_t port)// {//     cout << "welcome " << ip << endl;//     char message[1024];//     while (true)//     {    //         ssize_t n = read(fd, message, sizeof(message) - 1);//         if (n > 0)//         {//             message[n] = 0;//             //数据处理//             string echo_string;//             echo_string = "[" + ip + ":" + to_string(port) + "]: " + message;//             cout << echo_string << endl;//             write(fd, echo_string.c_str(), echo_string.size());//         }//读到0和其他情况//     }// }// static void* routine(void* tmp)// {//     //线程分离//     pthread_detach(pthread_self());//     //可以service函数提到类外//     //添加一个类成员//     thread_data *td = static_cast<thread_data*>(tmp);//     td->ser->service(td->_fd, td->_ip, td->_port);//     delete td;//     return nullptr;// }void run(){pool<task>::GetInstance()->start();// 忽视子进程//signal(SIGCHLD, SIG_IGN);while (true){//获取链接struct sockaddr_in sock;socklen_t len = sizeof(sock);int sockfd = accept(_listensock, (sockaddr *)&sock, &len);if (sockfd < 0){log.logmessage(warning, "accept fail");continue;}char buff[32];string clientip = inet_ntop(AF_INET, &sock.sin_addr, buff, len);uint16_t clientport = ntohs(sock.sin_port);log.logmessage(info, "get a new link,sockfd:%d", sockfd);// 线程池task t(sockfd, clientip, clientport);pool<task>::GetInstance()->push(t);//多线程// pthread_t tid;// thread_data* td = new thread_data;// td->_fd = sockfd;// td->_ip = clientip;// td->_port = clientport;// td->ser = this;// pthread_create(&tid, nullptr, routine, td);// 多进程// pid_t pid = fork();// if (pid == 0)// {//     // 子进程，孙子进程执行,子进程直接回收//     close(_listensock);//     if (fork() > 0)//         exit(0); // 孙子进程,system领养//     service(sockfd, clientip, clientport);//     close(sockfd);//     exit(0);// }// // 父进程// pid_t ret = waitpid(pid, nullptr, 0);// close(sockfd);}}~server(){close(_listensock);}private:int _listensock;string _ip;uint16_t _port;
};

英汉互译

准备一个词典文件，用：分割单词和汉语
在这里插入图片描述

init类加载词典和提供翻译功能
类成员用unorderedmap，string格式的单词查找存储的string类型汉语值
初始化功能打开文件，分割单词和翻译，加载到数据结构内
在这里插入图片描述

翻译功能遍历map查找翻译

在这里插入图片描述

task文件开始时初始化词典，收到数据调用翻译功能，将结果写会给客户

Dict dict;
echo_string = dict.translate(message);

init.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <fstream>
#include <unordered_map>using namespace std;
const string filename = "./dict.txt";static void split(string line, string* key, string* value)
{auto s = line.find(":");if (s != string::npos){*key = line.substr(0, s);*value = line.substr(s + 1);}
}class Dict
{
public:Dict(){cout << "开始打开" << endl;ifstream dic(filename);if (!dic.is_open()){cout << "file open error" << endl;exit(1);}string line;while (getline(dic, line)){string patr1;string part2;split(line, &patr1, &part2);_dict.insert({patr1, part2});}dic.close();}string translate(string word){for (auto ch : _dict){if (ch.first == word){return ch.second;}}return "";}~Dict(){}
private:unordered_map<string, string> _dict;
};