基于Linux的SOCKET编程之TCP半双工Client-Server聊天程序

所谓半双工通信，即通信双方都可以实现接发数据，但是有一个限制：只能一方发一方收，之后交换收发对象。也就是所谓的阻塞式的通讯方式。

一、基本框架：

1、首先搞清我们进行编程所处的的位置：

TCP编程，具有可靠传输的特性，而实现可靠传输的功能并非我们将要做的事（这些事），我们要做的就是在内核实现的基础上调用系统的API接口直接使用。所以我们所处的位置就是位于应用层面与系统层面之间的。我觉得弄清这点是实现整个通信程序的重中之重。

2、弄清楚此次的目的：实现伪半双工的通信

为什么说是“伪”半双工通信，因为真正的半双工是通信双方都可以随时接发数据（只是限制不能同时发，也不能同时收，在同一时刻只能由一方发送，一方接收），而我们要实现的是“傻瓜式”的你一句我一句，因为不是全双工，而类似于半双工，我也不知道有没有更准确的说法，就暂且叫它“伪半双工吧”！

3、TCP编程框架：

下面这张图是很多博客中都使用到的一张流图，其原图都来自于UNIX网络编程卷1：套接字联网API 【史蒂文斯 (W.Richard Stevens)、芬纳 (Bill Fenner) 、 鲁道夫 (Andrew M.Rudoff)著】这本书。核心思想都是一样的，所以就直接贴上了：

二、所用到的结构体与函数：

1、几个结构体：

（1）、IPV4套接字地址结构体：

struct sockaddr_in{
    uint8_t             sin_len;
    sa_famliy_t         sin_fanliy;/*协议家族*/
    in_port_t           sin_port;/*端口号*/
    struct in_addr      sin_addr;/*IP地址，struct in_addr{in_addr_t s_addr;}*/
    char                sin_zero[8];
};

（2）、通用套接字地址结构体：

struct sockaddr{
    uint8_t       sa_len;
    sa_famliy     sa_famliy;
    char          sa_data[14];
};

2、建基本框架所使用的函数，这些函数都是系统调用（man 2 function），失败都会设置一个errno错误标志：

#include

（1）、socket：

int socket(int domain,int type, int protocol);
/*
创建一个套接字：
返回值：
    创建成功返回一个文件描述符（0,1,2已被stdin、stdout、stderr占用，所以从3开始）
    失败返回-1。
参数：
    domain为协议家族，TCP属于AF_INET（IPV4）；
    type为协议类型，TCP属于SOCK_STREAM（流式套接字）；
    最后一个参数为具体的协议（IPPOOTO_TCP为TCP协议，前两个已经能确定该参数是TCP，所以也可以填0）
*/

（2）、bind：

int bind(int sockfd,const struct sockaddr * addr,socklen_t addrlen);
/*
将创建的套接字与地址端口等绑定
返回值：成功返回0，失败返回-1.
参数：
    sockfd为socket函数返回接受的文件描述符，
    addr为新建的IPV4套接字结构体
    注意：定义若是使用struct sockaddr_in（IPV4结构体）定义，但是该参数需要将struct sockaddr_in *类型地址强转为struct sockaddr *类型（struct sockaddr是通用类型）。
    最后一个参数为该结构体所占字节数。
*/

（3）、listen：

int listen(int sockfd,int backlog);
/*
对创建的套接字进行监听，监听有无客户请求连接
返回值：有客户请求连接时，返回从已完成连接的队列中第一个连接（即完成了TCP三次握手的的所有连接组成的队列），否则处于阻塞状态（blocking）。
参数：
sockfd依然为socket函数返回的文件描述符；
blocklog为设定的监听队列的长度。可设为5、10等值但是不能大于SOMAXCONN（监听队列最大长度）
*/

说说监听队列（如下图所示）：

监听队列包括请求连接建立过程中的两个子队列：未完成连接的队列和已完成连接的队列。区分的标志就是：是否完成TCP三次握手的过程。服务器从已完成连接的队列中按照先进先出（FIFO）的原则进行接收。
（4）、connect和accept：

int connect(int sockfd,const struct sockaddr * addr,socklen_t addrlen);
/*
客户端请求连接
返回值：成功返回0，失败返回-1
参数：客户端的socket文件描述符，客户端的socket结构体地址以及结构体变量长度
*/
int accept(int sockfd,struct sockaddr * addr,socklen_t * addrlen);
/*
从监听队列中接收已完成连接的第一个连接
返回值：成功返回0，失败返回-1
参数：服务器socket未见描述符，服务器的socket结构体地址以及结构体变量长度
*/

（5）、send和recv：

ssize_t send(int sockfd,const void * buf,size_t len,int flags);
/*
发送数据
返回值：成功返回发送的字符数，失败返回-1
参数：buf为写缓冲区（send_buf），len为发送缓冲区的大小，flags为一个标志，如MSG_OOB表示有紧急带外数据等
*/
ssize_t recv(int sockfd,void *buf, size_t len, int flags);
/*
接收数据
返回值参数与send函数相似
不过send是将buf中的数据向外发送，而recv是将接收到的数据写到buf缓冲区中。
*/

（6）、close：

int close(int fd);
/*
关闭套接字，类似于fclose，fd为要关闭的套接字文件描述符
失败返回-1，成功返回0
*/

3、其它函数：

（1）、字节序转换函数：

/*由于我们一般普遍所用的机器（x86）都是小端存储模式或者说叫做小端字节序，而网络传输中采用的是大端字节序，所以要进行网络通讯，就必须将进行字节序的转换，之后才可以进行正常信息传递。*/

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);/*主机字节序转换成网络字节序*/
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);/*网络字节序转换成主机字节序*/

（2）、地址转换函数：

/*类似的原因，由于网络传输是二进制比特流传输，所以必须将我们的常用的点分十进制的IP地址，与网络字节序的IP源码（二进制形式）进行互相转换才可以将数据传送到准确的地址*/
int inet_aton(const char * cp,struct in_addr * inp);/*将字符串cp表示的点分十进制转换成网络字节序的二进制形式后存储到inp中*/
char * inet_ntoa(struct in_addr * in);/*将网络字节序的二进制形式转换成点分十进制的字符串形式，返回该字符串的首地址*/
in_addr_t inet_addr(const char * cp);/*与inet_aton的功能相同*/

三、代码实现：

（1）、服务器（Server）：服务器由于不知道客户何时回请求建立连接，所以必须绑定端口之后进行监听（Socket、Bind、Listen）
（2）、客户端（Client）：客户端只需要向服务器发起请求连接（connect），而不需要绑定与监听的步骤；
（3）、请求连接由客户端发起（主动打开），服务器接受连接请求（被动打开），会经过TCP三次握手过程；而断开连接服务器和客户端都可以自行断开，会经过TCP四次挥手的过程。

1、服务器代码（Server）：

# include
# include
# include
# include
# include
# include
# include
# include
# include
# include

# define BUF_SIZE 1024//缓冲区大小宏定义

int main (int argc,char * argv[])/*接收IP地址和端口号*/
{
    const char * ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);/*将输入的端口号由字符串转换为整数类型*/
    /*结构体定义与初始化*/
    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address,sizeof(address));/*初始化清零,类似于memset函数*/
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET,ip,&address.sin_addr);/*inet_pton是inet_aton的升级版，随IPV6的出现而出现*/
    address.sin_port = htons(port);/*将小端字节序转换为网络字节序*/

    int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);/*创建套接字*/
    assert(sock >= 0);

    int ret = bind(sock,(struct sockaddr*)&address,sizeof(address));/*绑定IP地址、端口号等信息*/
    assert(ret != -1);
    ret = listen(sock,5);/*监听有无连接请求*/
    assert(ret != -1);

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof(client);
    int connfd = accept(sock,(struct sockaddr *)&client,&client_addrlength);/*从监听队列中取出第一个已完成的连接*/
    char buffer_recv[BUF_SIZE]={0};
    char buffer_send[BUF_SIZE]={0};
    while(1){
        if(connfd < 0){
            printf("errno is : %d\n",errno);
        }
        else{
            memset(buffer_recv,0,BUF_SIZE);
            memset(buffer_send,0,BUF_SIZE);/*每次需要为缓冲区清空*/

            ret = recv(connfd, buffer_recv, BUF_SIZE-1, 0);
            if(strcmp(buffer_recv,"quit\n") == 0){
                printf("Communications is over!\n");
                break;
            }/*recv为quit表示客户端请求断开连接，退出循环*/
            printf("client:%s", buffer_recv);

            printf("server:");
            fgets(buffer_send,BUF_SIZE,stdin);
            send(connfd,buffer_send,strlen(buffer_send),0);
            if(strcmp(buffer_send,"quit\n") == 0){
                printf("Communications is over!\n");
                break;
            }/*send为quit表示服务器请求断开连接，退出循环*/
        }
    }
    close(connfd);
    close(sock);
    return 0;
}

2、客户端代码（Client）：

# include
# include
# include
# include
# include
# include
# include
# include
# include

#define BUF_SIZE 1024

int main (int argc,char * argv[])
{
    const char * ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    struct sockaddr_in server_address;
    bzero(&server_address,sizeof(server_address));
    server_address.sin_family = AF_INET;

    inet_pton(AF_INET,ip,&server_address.sin_addr);
    server_address.sin_port = htons(port);

    int sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(sockfd >= 0);

    int connfd = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_address,sizeof(server_address));    

    char buffer_recv[BUF_SIZE] = {0};
    char buffer_send[BUF_SIZE] = {0};
    while(1){
        if(connfd < 0){
            printf("connection failed\n");
        }
        else{
            memset(buffer_send,0,BUF_SIZE);
            memset(buffer_recv,0,BUF_SIZE);

            printf("client:");
            fgets(buffer_send,BUF_SIZE,stdin);
            send(sockfd, buffer_send, strlen(buffer_send), 0);
            if(strcmp(buffer_send,"quit\n") == 0){
                printf("Communications is over!\n");
                break;
            }/*send为quit表示客户端请求断开连接，退出循环*/

            int ret = recv(sockfd,buffer_recv,BUF_SIZE-1,0);
            if(strcmp(buffer_recv,"quit\n") == 0){
                printf("Communications is over!\n");
                break;
            }/*recv为quit表示服务器请求断开连接，退出循环*/
            printf("server:%s",buffer_recv);

        }
    }   
    close(connfd);
    close(sockfd);

    return 0;
}

3、程序测试（Test）：

测试中把文件描述输出了一下，可以观察到每个进程有属于自己的一套描述符，而且都是从3开始。因为0，1，2已经被标准输入输出一标准错误占用了。

1.Client to quit at first:

2.Server to quit at first: