【Linux】socket编程(二)

目录

前言 

TCP通信流程 

TCP通信的代码实现

tcp_server.hpp编写

tcp_server.cc服务端的编写

tcp_client.cc客户端的编写

整体代码

前言 

        上一章我们主要讲解了UDP之间的通信，本章我们将来讲述如何使用TCP来进行网络间通信，主要是使用socket API进行代码的实现。

        我们一共讲了5个socket API接口，分别为socket，bind，listen，accept，connect.但我们在讲解UDP通信时，只使用了socket和bind这两个接口就完成了。而TCP通信会使用后面这三个接口，我们将分别讲解.

TCP通信流程 

        同样地，TCP通信分为服务器端和客户端，它们的流程分别如下：

服务端通信流程：

  1. 创建套接字：使用socket函数创建一个套接字，指定协议族为AF_INET（IPv4）或AF_INET6（IPv6），指定类型为SOCK_STREAM（TCP）。

  2. 绑定套接字：使用bind函数将套接字与服务器的IP地址和端口号绑定在一起。这样服务器将使用指定的IP地址和端口号进行监听。

  3. 监听连接请求：使用listen函数开始监听连接请求。指定参数backlog，表示允许在队列中等待的最大连接数。

  4. 接受连接请求：使用accept函数接受客户端的连接请求。该函数会阻塞程序，直到有客户端连接时才返回一个新的套接字，用于与客户端进行通信。(新的套接字和旧套接字区别：新套接字负责服务建立的连接，包括通信等，旧套接字则一直负责监听连接.)

  5. 通信：使用新的套接字进行通信。可以使用read和write函数进行数据的接收和发送。

  6. 关闭连接：当通信结束后，使用close函数关闭套接字，释放资源。

客户端通信流程：

  1. 创建套接字：使用socket函数创建一个套接字，指定协议族为AF_INET（IPv4）或AF_INET6（IPv6），指定类型为SOCK_STREAM（TCP）。

  2. 连接服务器：使用connect函数连接到服务器的IP地址和端口号。如果连接成功，返回0；否则返回错误码。

  3. 通信：使用已连接的套接字进行数据的发送和接收，可以使用read和write函数。

  4. 关闭连接：当通信结束后，使用close函数关闭套接字，释放资源。

TCP通信的代码实现

依然是三个文件，分别为tcp_server.hpp(用来封装tcp socket)，tcp_server.cc(服务器通信代码)，tcp_client.cc(客户端通信代码).

tcp_server.hpp编写

首先我们要编写tcp_server.hpp，首先第一个接口initServer初始化服务端. 一共分为三步：

  • 1.创建套接字

利用socket函数创建新的套接字，并判断是否成功：

        listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listensock < 0){logMessage(FATAL, "%d:%s", errno, strerror(errno));exit(2);}logMessage(NORMAL, "create sock success,  listensock: %d", listensock);
  • 2.bind绑定

        bind将套接字和特定的ip和地址绑定在一起.用法我们上一章也说了，先创建一个sockaddr_in结构体，然后填入相关的数据：sin_family(协议族 AF_INET(IPv4)或AF_INET6(IPv6)),sin_port(端口号)，sin_arr.s_addr(ip地址)，然后再bind绑定并判断是否成功，代码如下：

        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", errno, strerror(errno));exit(3);}
  • 3.listen监听

        listen监听是否有新的连接，TCP与UDP不同的是，当客户端和服务端正式通信的时候，需要先建立连接，而UDP直接发送数据。所以要listen来监听是否有新链接.

        代码如下：

        // 3.因为TCP是面向连接的，意味着当我们正式通信的时候，需要先建立连接//第二个参数我们在讲TCP协议时会详细讲解，这里先暂且设为20if (listen(listensock, gbacklog) < 0){logMessage(FATAL, "listen error", errno, strerror(errno));exit(3);}logMessage(NORMAL, "init server success");

第二个接口Start()，该接口主要负责获取连接，并进行通信.共分为两步：

  • accept获取到客户端连接

        这个我们同样的需要创建一个sockaddr_in结构体，用来存储客户端的连接信息，然后接收新的套接字，这个套接字是接下来我们通信要使用的。

            struct sockaddr_in src;socklen_t len = sizeof src;//servicesock(未来真正进行IO) vs listensock(主要任务：获取新链接)int servicesock = accept(listensock, (struct sockaddr *)&src, &len);if (servicesock < 0){logMessage(ERROR, "accept error", errno, strerror(errno));}
  • 通信流程

这里可以提供两个版本的：一个是单进程版，即每一次只能处理一个客户端.

另一个是 多进程版，通过创建子进程来实现对多个客户端处理.

  • 单进程版

        紧接着上面说的，我们获取到客户端的连接信息后，我们需要对其进行解析，得到其ip地址和端口号：

            uint16_t client_port = ntohs(src.sin_port);//获得端口号string client_ip = inet_ntoa(src.sin_addr);//获得iplogMessage(NORMAL, "Link success, %d | %s : %d\n", servicesock,     client_ip.c_str(), client_port);

        然后直接执行对应的通信函数即可：

 service(servicesock,client_ip,client_port);
  • 多进程版： 

        利用fork函数实现，代码如下：后面的服务端通信和客户端通信都不用改动

            pid_t id = fork();assert(id != -1);if(id == 0){//子进程close(listensock);service(servicesock,client_ip,client_port);exit(0);//僵尸状态}close(servicesock);

        通信函数service的实现：我们从sock中读取消息，客户端没有发消息时，服务端会阻塞在这里等待用户的输入。

static void service(int sock,const string& clientip,const uint16_t& clientport)
{//echo serverchar buffer[1024];memset(buffer, 0, sizeof(buffer));while(true){//read && writessize_t s = read(sock,buffer,sizeof buffer-1);if(s > 0){buffer[s] = 0;//将发过来的数据当做字符串cout << clientip << " : " << clientport << "# "<< buffer << endl;}else if(s== 0)//对端链接关闭{logMessage(NORMAL,"%s : %d shutdown, me too!",clientip.c_str(),clientport);break;}else{logMessage(ERROR, "read socket error, %d:%s", errno, strerror(errno));break;}write(sock,buffer,strlen(buffer));}close(sock);
}

tcp_server.cc服务端的编写

这个就很简单了，只需要调用initServer初始化和Start开始就行了.

#include "tcp_server.hpp"
#include <memory>static void usage(string proc)
{cout << "Usage: " << proc << "ServerPort\n" << endl;
}//./tcp_server port
int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 2){usage(argv[0]);exit(1);}uint16_t port = atoi(argv[1]);unique_ptr<TcpServer> svr(new TcpServer(port));svr->initServer();svr->Start();return 0;
}

tcp_client.cc客户端的编写

  • 创建套接字：
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  • 调用connect与服务端链接：利用命令行参数，将用户输入的ip地址和port端口号获取到，然后传入sockaddr_in结构体，最后进行connect
    uint16_t serverPort = atoi(argv[2]);string serverIp = argv[1];    struct sockaddr_in server;bzero(&server, 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)
  • 进行通信(send和recv)

   TCP的发送和接收消息不同于UDP的sendto和recvfrom，而是send和recv。我们分别看一下函数的用法：

send：

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
  • sockfd：发送数据的套接字描述符。即想谁发送
  • buf：指向要发送数据的缓冲区的指针。
  • len：要发送的数据的长度（以字节为单位）。
  • flags：附加选项，通常设为0。
  • 作用：send()函数用于将数据从发送端发送到接收端。它返回已发送的字节数，或者在出现错误时返回-1。可以通过设置flags参数来指定传输数据的特定选项，例如设置为MSG_DONTWAIT非阻塞发送等。

recv：

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
  • sockfd：要接收数据的套接字描述符。即谁接收
  • buf：接收数据的缓冲区的指针。
  • len：接收数据的最大长度（以字节为单位）。
  • flags：附加选项，通常设为0。
  • 作用：recv()函数用于从套接字接收数据，并将其存储在指定的缓冲区中。它返回接收到的字节数，或者在出现错误时返回-1。可以通过设置flags参数来指定接收数据的特定选项，例如设置为MSG_DONTWAIT非阻塞接收等。

所以通信代码如下：

    while (true){string line;cout << "Please Enter Message# ";getline(cin, line);send(sock, line.c_str(), line.size(), 0);char buffer[1024];ssize_t s = recv(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (s > 0){buffer[s] = 0;cout << "server echo# " << buffer << endl;}else if (s == 0){break;}else{break;}}

至此我们的TCP通信就完成了.

当我们使用多进程通信时，可以有多个客户端同时向服务端发送消息：

 至此,TCP的网络通信流程也完成了，这是完整的代码，可以直接 拷贝运行，可去掉logMessage相关的调试信息.

整体代码

注意运行服务器时，使用./tcp_server 端口号

运行客户端连接服务器时，使用./tcp_clinet 服务器ip 服务器端口号

tcp_server.hpp文件

#pragma once
#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <memory>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <cstring>
#include <ctype.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>using namespace std;static void service(int sock,const string& clientip,const uint16_t& clientport)
{//echo serverchar buffer[1024];memset(buffer, 0, sizeof(buffer));while(true){//read && writessize_t s = read(sock,buffer,sizeof buffer-1);if(s > 0){buffer[s] = 0;//将发过来的数据当做字符串cout << clientip << " : " << clientport << "# "<< buffer << endl;}else if(s== 0)//对端链接关闭{logMessage(NORMAL,"%s : %d shutdown, me too!",clientip.c_str(),clientport);break;}else{logMessage(ERROR, "read socket error, %d:%s", errno, strerror(errno));break;}write(sock,buffer,strlen(buffer));}
}class TcpServer
{
public:const static int gbacklog = 20;TcpServer(uint16_t port, string ip = ""): _port(port), _ip(ip), listensock(-1){}void initServer(){// 1.创建套接字listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (listensock < 0){logMessage(FATAL, "%d:%s", errno, strerror(errno));exit(2);}logMessage(NORMAL, "create sock success,  listensock: %d", listensock);// 2.bindstruct 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", errno, strerror(errno));exit(3);}// 3.因为TCP是面向连接的，意味着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", errno, strerror(errno));exit(3);}logMessage(NORMAL, "init server success");}void Start(){//version2 :signal(SIGCHLD,SIG_IGN); //对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进程while (true){// sleep(1);// 获取连接struct sockaddr_in src;socklen_t len = sizeof src;// sock(未来真正进行IO) and _sock(主要任务：获取新链接)int servicesock = accept(listensock, (struct sockaddr *)&src, &len);if (servicesock < 0){logMessage(ERROR, "accept error", errno, strerror(errno));}// 获取连接成功uint16_t client_port = ntohs(src.sin_port);string client_ip = inet_ntoa(src.sin_addr);logMessage(NORMAL, "Link success, %d | %s : %d\n", servicesock, client_ip.c_str(), client_port);// 开始进行通信服务// version 1 -- 单进程循环 -- 只能一次处理一个客户端，处理完一个，才能处理下一个// 显然是不能被直接使用的？为什么？单进程.service(servicesock,client_ip,client_port);// version 2 -- 多进程版本 -- 创建子进程，// 让子进程给新的连接提供服务，子进程能不能打开父进程曾经打开的文件fd呢？ 答案是当然可以！pid_t id = fork();assert(id != -1);if(id == 0){//子进程close(listensock);service(servicesock,client_ip,client_port);exit(0);//僵尸状态}//父进程close(servicesock);}}~TcpServer(){}private:uint16_t _port;string _ip;int listensock;unique_ptr<ThreadPool<Task>> _threadpool_ptr;
};

tcp_server.cc文件

#include "tcp_server.hpp"
#include <memory>static void usage(string proc)
{cout << "Usage: " << proc << "ServerPort\n" << endl;
}//./tcp_server port
int main(int argc, char* argv[])
{if(argc != 2){usage(argv[0]);exit(1);}uint16_t port = atoi(argv[1]);unique_ptr<TcpServer> svr(new TcpServer(port));svr->initServer();svr->Start();return 0;
}

cline.cc文件

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
using namespace std;
static void usage(string proc)
{cout << "Usage: " << proc << "ServerIP ServerPort" << endl;
}
// ./tcp_clinet IP Prot
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){usage(argv[0]);exit(-1);}uint16_t serverPort = atoi(argv[2]);string serverIp = argv[1];int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sock < 0){cerr << "sokcet error" << endl;exit(2);}// client 不需要显式的bind，OS会自动选择// 更不需要监听，但是需要连接的能力connectstruct sockaddr_in server;bzero(&server, 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){cerr << "connect error" << endl;exit(3);}cout << "connect success!" << endl;while (true){string line;cout << "Please Enter Message# ";getline(cin, line);send(sock, line.c_str(), line.size(), 0);char buffer[1024];ssize_t s = recv(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (s > 0){buffer[s] = 0;cout << "server echo# " << buffer << endl;}else if (s == 0){break;}else{break;}}close(sock);return 0;
}

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