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：

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）。
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。
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。
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.)
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。
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：

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）。
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。
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。
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20
        if (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ip
            logMessage(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 server
    char buffer[1024];
    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
    while(true)
    {
        //read && write
        ssize_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 server
    char buffer[1024];
    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
    while(true)
    {
        //read && write
        ssize_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.bind
        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.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connect
    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)
    {
        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;
}

【Linux】socket编程(二)

前言