【网络】网络编程套接字（二）

网络编程套接字二

简单的TCP网络程序

简单的TCP网络程序

TCP服务器创建套接字的做法与UDP服务器是基本一样的，但是TCP服务器会更加繁琐一些。

1、服务端创建套接字并绑定

TCP服务器在调用socket函数创建套接字时，参数设置如下：

协议家族选择AF_INET，表示我们要进行的是网络通信。
创建套接字时所需的服务类型应该是SOCK_STREAM，因为我们编写的是TCP服务器，SOCK_STREAM提供的就是一个有序的、可靠的、全双工的、基于连接的流式服务。
协议类型默认设置为0即可。

我们将TCP服务器封装成一个类，当我们定义出一个服务器对象后需要对其初始化，当析构服务器时，可以将服务器对应的文件描述符进行关闭。

// tcp_server.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

enum
{
    
    
    USAGE_ERR = 1
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR
};

class TcpServer
{
    
    
public:
    TcpServer(uint16_t port)
        :_port(port)
    {
    
    }

    void Init()
    {
    
    
        // 1.创建监听套接字
        _listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_listen_fd < 0)
        {
    
    
            std::cerr << "socket fail: " << strerror(errno) << std::endl;
            exit(SOCKET_ERR);
        }
        
        // 2.进行绑定
        struct sockaddr_in local;
        socklen_t len = sizeof(local);
        memset(&local, 0, len);
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
        local.sin_port = htons(_port);
        if (bind(_listen_fd, (struct sockaddr*)&local, len) < 0)
        {
    
    
            std::cerr << "bind fail : " << strerror(errno) << std::endl;
            exit(BIND_ERR);
        }
        // ...
    }

    ~TcpServer()
    {
    
    
        if (_listen_fd >= 0)
        {
    
    
            close(_listen_fd);
        }
    }

private:
    int _listen_fd;         // 监听套接字
    uint16_t _port;         // 端口号
};

2、服务端监听

前面的步骤TCP与UDP的创建几乎是一模一样的，但是到了这一步就不一样了，因为TCP服务器是面向连接的，客户端在正式向TCP服务器发送数据之前，需要先与TCP服务器建立连接，然后才能与服务器进行通信。

因此TCP服务器需要时刻注意是否有客户端发来连接请求，此时就需要将TCP服务器创建的套接字设置为监听状态，这需要我们使用一个叫做listen的函数。

int listen(int sockfd, int backlog);

参数说明：

sockfd：需要设置为监听状态的套接字对应的文件描述符。
backlog：全连接队列的最大长度。如果有多个客户端同时发来连接请求，此时未被服务器处理的连接就会放入连接队列，该参数代表的就是这个全连接队列的最大长度，一般不要设置太大，设置为5~10即可。

返回值说明：

监听成功返回0，监听失败返回-1，同时错误码会被设置。

TCP服务器在创建完套接字和绑定后，下一步就是要将套接字设置为监听状态，监听是否有新的连接到来。如果监听失败意味着TCP服务器无法接收客户端发来的连接请求，因此监听失败我们直接终止程序。

class TcpServer
{
    
    
public:
 	// ...
    void Init()
    {
    
    
        // 1.创建监听套接字
        _listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_listen_fd < 0)
        {
    
    
            std::cerr << "socket fail: " << strerror(errno) << std::endl;
            exit(SOCKET_ERR);
        }
        
        // 2.进行绑定
        struct sockaddr_in local;
        socklen_t len = sizeof(local);
        memset(&local, 0, len);
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
        local.sin_port = htons(_port);
        
        if (bind(_listen_fd, (struct sockaddr*)&local, len) < 0)
        {
    
    
            std::cerr << "bind fail : " << strerror(errno) << std::endl;
            exit(BIND_ERR);
        }
        
        // 3.开始监听
        if (listen(_listen_fd, 5) < 0)
        {
    
    
            std::cerr << "listen fail : " << strerror(errno) << std::endl;
            exit(LISTEN_ERR);
        }
    }
    
	// ...
};

注意：

初始化TCP服务器时创建的套接字并不是用于网络数据传输的套接字，而应该叫做监听套接字。
在初始化TCP服务器时，只有创建套接字成功、绑定成功、监听成功，此时TCP服务器的初始化才算完成。

2、服务端获取连接

TCP服务器初始化并设置为监听状态后就可以正常运行了，但是现在TCP服务器在与客户端还不能够进行网络通信，因为服务器还需要先获取到客户端的连接，我们可以使用accept函数来获取连接。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数说明：

sockfd：特定的监听套接字，表示从该监听套接字中获取连接。
addr：对端网络相关的属性信息，包括协议家族、IP地址、端口号等。
addrlen：调用时传入期望读取的addr结构体的长度，返回时代表实际读取到的addr结构体的长度，这是一个输入输出型参数。

返回值说明：

获取连接成功将返回一个套接字的文件描述符，获取连接失败返回-1，同时错误码会被设置。

accept函数获取连接是从监听套接字当中获取的，如果accept函数获取连接成功，此时会返回一个套接字对应的文件描述符。

监听套接字与accept函数返回的套接字的作用：

监听套接字：用于获取客户端发来的连接请求。accept函数会不断从监听套接字当中获取新连接。
accept函数返回的套接字：用于为本次accept获取到的连接提供网络数据传输的。监听套接字的任务只是不断获取新连接，而真正为这些连接提供数据传输的套接字是accept函数返回的套接字，而不是监听套接字。

accept函数获取连接时可能会失败，但由于TCP服务器不会因为获取某个连接失败而退出，因此服务端获取连接失败后应该继续重新获取连接。

// tcp_server.hpp
class TcpServer
{
    
    
public:
    TcpServer(uint16_t port,int quit = true)
        :_port(port), _quit(quit)
    {
    
    }

    void Init()
    {
    
    
		// ...
    }

	void Start()
    {
    
    
        _quit = false;
        struct sockaddr_in client;
        socklen_t len = sizeof(client);

        while (!_quit)
        {
    
    
            memset(&client, 0, len);
            // 1. 获取连接
            int sockfd = 0;
            sockfd = accept(_listen_fd, (struct sockaddr*)&client, &len);
            if (sockfd < 0)
            {
    
    
                std::cerr << "连接失败，正在尝试重连..." << std::endl;
                sleep(1);
                continue;
            }
            else
            {
    
    
                // 2.进行业务处理
                std::string ip = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t port = ntohs(client.sin_port);
                std::string name = ip + " - " + std::to_string(port);
                std::cout << "获取连接成功! " << sockfd << " 来自监听套接字：" << _listen_fd
                    << " | " << name << std::endl;
                Service(sockfd);
            }
        }
    }

	
	// 业务处理
    void Service(int sockfd)
    {
    
    
		// ...
    }

    ~TcpServer()
    {
    
    
       // ...
    }

private:
    int _listen_fd;         // 监听套接字
    uint16_t _port;         // 端口号
    bool _quit;             // 表示连接是否退出
};

3、服务端处理请求

现在TCP服务器已经能够获取连接请求了，下面当然就是要对获取到的请求进行处理了，具体怎么处理由你决定，我们这里就假设我们的处理是要进行回声处理，服务端将将客户端发来的数据重新发回给客户端。

由于TCP服务器是面向字节流的，所以我们读取数据的函数可以使用流式接口read，该函数的函数原型如下：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数说明：

fd：特定的文件描述符，表示从该文件描述符中读取数据。
buf：数据的存储位置，表示将读取到的数据存储到该位置。
count：数据的个数，表示从该文件描述符中读取数据的字节数。

返回值说明：

如果返回值大于0，则表示本次实际读取到的字节个数。
如果返回值等于0，则表示对端已经把连接关闭了。
如果返回值小于0，则表示读取时遇到了错误。

同理TCP服务器写入数据的函数可以使用流式接口write，该函数的函数原型如下：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数说明：

fd：特定的文件描述符，表示将数据写入该文件描述符对应的套接字。
buf：需要写入的数据。
count：需要写入数据的字节个数。

返回值说明：

写入成功返回实际写入的字节数，写入失败返回-1，同时错误码会被设置。

服务端读取数据是从accept创建的套接字中读取的，而写入数据的时候也是写入accept创建的套接字的。也就是说这里为客户端提供服务的套接字，既可以读取数据也可以写入数据，这就是TCP全双工的通信的体现。

在从服务套接字中读取客户端发来的数据时，如果调用read函数后得到的返回值为0，或者读取出错了，此时就应该直接将服务套接字对应的文件描述符关闭。因为文件描述符本质就是数组的下标，因此文件描述符的资源是有限的，如果我们一直占用，那么可用的文件描述符就会越来越少，因此服务完比以后后要及时关闭对应的文件描述符，否则会导致文件描述符泄漏。

// tcp_server.hpp

class TcpServer
{
    
    
	// 回调函数的类型，外部传入一个回调函数，让服务器执行此函数完成任务！
    using func_t = std::function<std::string(std::string)>;
public:
    TcpServer(uint16_t port, func_t func, int quit = true)
        :_port(port), _func(func), _quit(quit)
    {
    
    }

    void Init()
    {
    
    
 		// ...
    }

    void Start()
    {
    
    
        // ...       
    }

    void Service(int sockfd)
    {
    
    
        char buf[1024];
        while (true)
        {
    
    
            int num = read(sockfd, buf, sizeof(buf) - 1);
            if (num > 0)
            {
    
    
                buf[num] = '\0';
                // 调用回调函数进行业务处理
                std::string message =  _func(buf);
                std::cout << "receive message : " << buf << std::endl;
                write(sockfd, message.c_str(), message.size());
            }
            else if (num == 0)
            {
    
    
                close(sockfd);
                std::cout << "对方关闭了写端， 我也关闭了。" << std::endl;
                break;
            }
            else
            {
    
    
                close(sockfd);
                std::cerr << "read fail: " << strerror(errno) << std::endl;
                break;
            }
        }
    }

    ~TcpServer()
    {
    
    
       // ...
    }

private:
    int _listen_fd;         // 监听套接字
    uint16_t _port;         // 端口号
    bool _quit;             // 表示连接是否退出
    func_t _func;           // 业务的处理函数
};

服务端的主函数代码：

// tcp_server.cpp

#include <iostream>
#include <memory>
#include "tcp_server.hpp"

// 使用手册
static void Usage(std::string proc)
{
    
    
    std::cout << "usage\n\t" << proc << " 端口" << std::endl;
}

// 回声处理
std::string echo(std::string message)
{
    
    
    return message;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    if (argc != 2)
    {
    
    
        Usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    
    uint16_t server_port = atoi(argv[1]);
    std::unique_ptr<TcpServer> up(new TcpServer(server_port, echo));
    up->Init();
    up->Start();
    return 0;
}

4、客户端进行连接

对于TCP客户端的编写与UDP客户端类似，不同的是我们TCP的客户端想要进行网络通信首先要进行connect连接服务器。

// tcp_client

enum
{
    
    
    USAGE_ERR = 1,
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR,
    LISTEN_ERR,
    ACCEPT_ERR,
    CONNECT_ERR
};

// 使用手册
static void Usage(std::string proc)
{
    
    
    std::cout << "usage\n\t" << proc << " IP 端口" << std::endl;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    if (argc != 3)
    {
    
    
        Usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    uint16_t port = atoi(argv[2]);
    
    // 1.填充结构体
    struct sockaddr_in server;
    socklen_t len = sizeof(server);
    memset(&server, 0, len);
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(port);
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &server.sin_addr.s_addr);

    // 2.创建套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
    
    
        std::cerr << "socket fail: " << strerror(errno) << std::endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }
    
    // 3. 进行连接
	// ...
    
    // 4.开始通信
	// ...

    return 0;
}

发起连接请求的函数叫做connect，该函数的函数原型如下：

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数说明：

sockfd：特定的套接字，表示通过该套接字发起连接请求。
addr：对端网络相关的属性信息，包括协议家族、IP地址、端口号等。
addrlen：传入的addr结构体的长度。

返回值说明：

连接或绑定成功返回0，连接失败返回-1，同时错误码会被设置。

客户端是不需要我们自己进行绑定操作，当客户端向服务端发起连接请求时，系统会给客户端随机指定一个端口号进行绑定，此外当我们连接失败时，不需要直接退出，我们可以尝试重新连接，如果实在是连接不上我们才退出。

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    if (argc != 3)
    {
    
    
        Usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    uint16_t port = atoi(argv[2]);
    
    // 1.填充结构体
   	// ...

    // 2.创建套接字
   	// ...
    
    // 3. 进行连接
    int count = 5;
    while (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server, len) != 0)
    {
    
    
        std::cout << "连接失败，正在尝试重连...，剩余重连次数 :" << count-- << std::endl;
        if (count < 0)
        {
    
    
            std::cerr << "connect fail: " << strerror(errno) << std::endl;
            exit(CONNECT_ERR);
        }
        // 避免此时网络拥堵，短时间内连接过快消耗了所有的连接次数。
        sleep(1);
    }
    
    // 4.开始通信


    return 0;
}

5、客户端发起通信

由于我们实现的是一个简单的回声服务器，因此当客户端连接到服务端后，客户端就可以向服务端发送数据了，这里我们可以让客户端将用户输入的数据发送给服务端，发送时调用write函数向套接字当中写入数据即可。

当客户端将数据发送给服务端后，由于服务端读取到数据后还会进行回显，因此客户端在发送数据后还需要调用read函数读取服务端的响应数据，然后将该响应数据进行打印，以确定双方通信无误。

int main(int argc, char* argv[])
{
    
    
    // ...
    
    // 4.开始通信
    std::string message;
    char buf[1024];
    while (true)
    {
    
    
        std::cout << "please enter >> ";
        std::getline(std::cin, message);
        
        // 写
        ssize_t num = write(sockfd, message.c_str(), message.size());
        if (num < 0)
        {
    
    
            std::cerr << "write fail: " << strerror(errno) << std::endl;
        }
        
        // 读
        num = read(sockfd, buf, sizeof(buf));
        if (num > 0)
        {
    
    
            buf[num] = '\0';
            std::cout << "server echo >> " << buf << std::endl;
        }
        else if(num == 0)
        {
    
    
            std::cout << " server quit !" << std::endl;
            break;
        }
        else
        {
    
    
            std::cerr << "read fail: " << strerror(errno) << std::endl;
            break;
        }
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

6、通信测试

我们先让服务端先运行，./tcp_server 端口号，然后让客户端再运行./tcp_client IP地址端口号之后我们就可以进行网络通信了。

在这里插入图片描述

注意：我们现在所写的TCP服务器只能够服务一个客户端，因为当服务端的主执行流去执行Service了，就没有办法accept新的连接了，所以我们还要使用多进程或多线程来完善我们的服务端，这里我们就不咋完善了，有兴趣的话你可以将服务器改成多线程版本，给更多的客户端提供服务。