【Linux网络编程】基本 TCP 套接字编程
【Linux网络编程】基本 TCP 套接字编程
【1】基本 TCP 客户/服务器程序套接字执行流程
客户端的角度总结TCP客户/服务器
服务器的角度总结TCP客户/服务器
【2】SOCKET 程序设计常见常数说明
FAMILY常量
| FAMILY | 说明 |
| AF_INET | IPv4协议 |
| AF_INET6 | IPv6协议 |
| AF_LOCAL | UNIX域协议 |
| AF_ROUTE | 路由套接字 |
| AF_KEY | 密钥套接字 |
TYPE常量
| TYPE | 说明 |
| SOCK_STREAM | 字节流套接字 |
| SOCK_DGRAM | 数据包套接字 |
| SOCK_SEQPACKET | 有序分组套接字 |
| SOCK_RAW | 原始套接字 |
PROTOCOL常量
| PROTOCOL | 说明 |
| IPPROTO_TCP | TCP传输协议 |
| IPPROTO_UDP | UDP传输协议 |
| IPPROTO_SCTP | SCTP传输协议 |
常量FAMILY与常量TYPE组合的意义
| AF_INET | AF_INET6 | AF_LOCAL | AF_ROUTE | AF_KEY | |
| SOCK_STREAM | TCP|SCTP | TCP|SCTP | 是 | ||
| SOCK_DGRAM | UDP | UDP | 是 | ||
| SOCK_SEQPACKET | SCTP | SCTP | 是 | ||
| SOCK_RAW | IPv4 | IPv6 | 是 | 是 |
【3】典型的TCP客户/服务器程序示例
客户端典型程序
#include "unp.h"
int
main(int argc, char **argv)
{
/**
* socket 套接字描述符
*/
int sockfd;
/**
* socket 套接字地址结构
*/
struct sockaddr_in servaddr;
//检查入参
if (argc != 2)
err_quit("usage: tcpcli ");
/**
* 新建套接字
* AF_INET : IPv4协议
* SOCK_STREAM : 字节流套接字
* 0 : 套接字所用的协议，此处并未指定
*/
sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
/**
* 初始化套接字地址，此处指定端口默认为7
*/
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
/**
* 转换套接字地址
*/
Inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);
/**
* 连接套接字，连接服务器
*/
Connect(sockfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr));
/**
* TCP 会射客户程序
*/
str_cli(stdin, sockfd); /* do it all */
exit(0);
}
服务器端典型函数
#include "unp.h"
int
main(int argc, char **argv)
{
/**
* Socket 套接字描述符
*/
int listenfd, connfd;
/**
* 子线程 ID
*/
pid_t childpid;
/**
* 对应于子进程的 Socket 描述符
*/
socklen_t clilen;
/**
* Socket 套接字地址
* 分别为客户端地址与服务器端地址
*/
struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;
void sig_chld(int);
//新建服务器端套接字
listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
//初始化套接字地址
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
//将服务器地址与服务器端套接字绑定
Bind(listenfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr));
//监听套接字，该函数的 backlog 是由环境变量 LISTENQ 动态设置的
Listen(listenfd, LISTENQ);
/**
* 设置信号处理函数，此处处理信号 SIGCHLD
* SIGCHLD : 产生条件，一个进程终止或者停止时，该信号发送给父进程
* 可以通过捕获该信号，在相应的信号处理函数中完成对子进程的清理工作
*
* 此处设置该信号处理函数作用 : 用于清理僵死子进程
*/
Signal(SIGCHLD, sig_chld);
for ( ; ; ) {
clilen = sizeof(cliaddr);
//接收客户端连接
if ( (connfd = accept(listenfd, (SA *) &cliaddr, &clilen)) < 0) {
/**
* 处理 EINTR 错误，此处忽略 EINTR 错误
* 此处为了处理慢系统调用情况
* 慢系统调用规则: 当阻塞于某个慢系统调用的进程捕获某个信号且
* 相应的信号处理函数返回时，该系统可能返回 EINTR 错误
*/
if (errno == EINTR)
continue; /* back to for() */
else
err_sys("accept error");
}
/**
* 创建子进程
*/
if ( (childpid = Fork()) == 0) { /* child process */
/**
* 子进程关闭监听套接字
*/
Close(listenfd); /* close listening socket */
str_echo(connfd); /* process the request */
exit(0);
}
/**
* 父进程关闭连接套接字
*/
Close(connfd); /* parent closes connected socket */
}
}
各子函数
Signal 子函数 :
/**
* 原型: void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int)
* 函数分析:
* 函数名: signal
* 函数参数: int signo, void (*func)(int)
* 返回值类型: void (*)(int)，相当于返回了一个函数
*
* 功能: 为signo指定的信号分配信号处理函数
**/
/**
* typedef 说明:
* typedef void Sigfunc(int);
* 此处制定了别名，即 void (int), 入参为int返回值为void的函数的别名为Sigfunc;
**/
Sigfunc *
Signal(int signo, Sigfunc *func) /* for our signal() function */
{
Sigfunc *sigfunc;
if ( (sigfunc = signal(signo, func)) == SIG_ERR)
err_sys("signal error");
return(sigfunc);
}
err_sys 子函数 :
/**
* 输出错误日志信息
* 可变参数输入
**/
void
err_sys(const char *fmt, ...)
{
va_list ap;
va_start(ap, fmt);
err_doit(1, LOG_ERR, fmt, ap);
va_end(ap);
exit(1);
}
str_echo 子函数 :
/**
* 服务器端回射处理程序
*/
void
str_echo(int sockfd)
{
ssize_t n;
//数据缓冲区
char buf[MAXLINE];
again:
//从网络中读取数据
while ( (n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)
//将接收到的数据回写给客户端
Writen(sockfd, buf, n);
/**
* 检查信号类型，当检测到 EINTR 类型信号时，将重新调用 read 函数等待客户端数据
*
* 此处处理慢系统调用
* 适用于慢系统调用的基本规则是 : 当阻塞于某个慢系统调用的一个进程捕获某个信号
* 且相应的信号处理函数返回时，该系统调用可能返回一个 EINTR 错误
*/
if (n < 0 && errno == EINTR)
goto again;
else if (n < 0)
//若读取过程中发生错误，则记录日志并退出
err_sys("str_echo: read error");
}
err_quit 子函数:
void
err_quit(const char *fmt, ...)
{
va_list ap;
// 用于获取可变参数列表
va_start(ap, fmt);
err_doit(0, LOG_ERR, fmt, ap);
// 用于清空可变参数列表
va_end(ap);
// 程序退出
exit(1);
}
Socket 子函数:
/**
* Socket 创建函数
* 此处进行了包裹，当创建 Socket 失败则打印日志记录；
*/
/* include Socket */
int
Socket(int family, int type, int protocol)
{
int n;
/**
* 原型 : SOCKET PASCAL FAR socket( int af, int type, int protocol);
*
* 参数 :
* af : 一个地址描述。目前仅支持AF_INET格式，也就是说ARPA Internet地址格式;
* type : 新套接口的类型描述;
* protocol : 套接字所用的协议。如调用者不想指定，可用0指定，表示缺省;
*
*/
if ( (n = socket(family, type, protocol)) < 0)
err_sys("socket error");
return(n);
}
/* end Socket */
Inet_pton 子函数 :
/**
* 套接字地址转换函数
* strptr : 地址的字符串表达
* addrptr : 地址的二进制转换结果
*
* 返回值 : 成功返回1; 若输入不是有效的表达式则返回0; 若出错则返回-1;
*/
void
Inet_pton(int family, const char *strptr, void *addrptr)
{
int n;
if ( (n = inet_pton(family, strptr, addrptr)) < 0)
//出错则记录错误日志并退出
err_sys("inet_pton error for %s", strptr); /* errno set */
else if (n == 0)
//出错则记录错误日志并退出
err_quit("inet_pton error for %s", strptr); /* errno not set */
/* nothing to return */
}
str_cli 子函数 :
/**
* TCP 回射客户端程序
*/
void
str_cli(FILE *fp, int sockfd)
{
//发送与接收缓冲区
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];
//从文件中读取数据到发送缓冲区
while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {
//发送发送缓冲区的数据到服务器端
Writen(sockfd, sendline, strlen(sendline));
//接收服务器端发送的数据到接收缓冲区
if (Readline(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0)
//若接收到 EOF 的退出
err_quit("str_cli: server terminated prematurely");
//将接收到的数据输出到标准
Fputs(recvline, stdout);
}
}【4】典型的TCP客户/服务器程序说明
并发服务器网络编程状态变迁图示
1. 正常启动
1. 服务器端调用socket，bind，listen，accept 并阻塞与 accept 调用；
2. 客户端调用 socket，connnect 引发 TCP 三次握手过程，建立连接；
3. 客户端调用 str_cli 函数并阻塞于 fgets 函数等待用户输入；
4. 服务器端 accept 函数返回，fork 子进程，由子进程调用 str_echo 函数，该函数阻塞于 read 函数调用等待客户端发送的数据，
父进程再次调用并阻塞于 accept 函数；2. 正常终止
1. 客户端数据输入遇到 EOF 字符，fgets 返回一个空指针，str_cli 函数返回；
2. main 函数继续执行，调用 exit 函数终止客户端进程；
3. 终止处理关闭所有打开的描述符，客户端向服务器发送 FIN ，服务器响应一个 ACK ，
此后客户端处于 FIN_WAIT_2 状态，服务器端处于 CLOSE_WAIT状态；
4. 当服务器 TCP 接受到 FIN 时，服务器子进程阻塞于 readline 调用，此时 readline 返回0，
str_echo 函数返回服务器子进程 main 函数，mian 函数调用 exit 终止进程；
5. 服务器子进程中关闭打开的描述符，向客户端发送 FIN ，客户端响应 ACK，此时连接完全终止，
客户端处于 TIME_WAIT状态；
6. 子进程终止时，向父进程发送 SIGCHLD 信号，该信号的默认行为是忽略信号处理，子进程进入僵死状态；
3. 异常终止
(1). accept 返回前连接中止
对于上述终止现象，POSIX 将会返回值为 ECONNABORTED 的 errno，服务器通常忽略 ECONNABORTED 错误，并重新调用 accept；(2). 服务器进程终止
1. 服务器子进程终止时关闭子进程所有打开的描述符，服务器向客户端发送 FIN，客户端响应 ACK；
2. 服务器端子进程终止时向父进程发送 SIGCHLD 信号；
3. 客户端接收到 FIN之后向服务器响应 ACK，阻塞于 fgets 调用；
4. 客户端接收到输入数据后向服务器发送数据，由于服务器端子进程终止，服务器响应 RST；
5. 客户端阻塞于 readline，由于步骤1中服务器向客户端发送了 FIN，则 read返回0(EOF)，
客户端提示出错信息"server terminated prematurely"并退出；
6. 客户端终止关闭所有描述符；
注: 若客户端忽视 readline 返回的 EOF 错误，继续向服务器发送数据，此时处理规则如下：
当一个进程向某个已收到 RST 的套接字执行写操作时，内核会向该进程发送 SIGPIPE 信号，
该信号的默认行为是终止进程，此时写操作返回 EPIPE 错误；
(3). 服务器主机崩溃
1. 当服务器主机崩溃，已有的网络连接不会发送任何数据；
2. 客户端接收输入后发送数据并阻塞于 readline，等待服务器应答；
3. 此时客户端会不断重传数据，直到 TIMEOUT并返回一个错误；
ETIMEDOUT:服务器崩溃对客户端数据分解没有应答；
EHOSTUNREACH，ENETUNREACH:中间路由判断服务器不可达；(4). 服务器崩溃后重启
1. 服务器崩溃后重启，其TCP丢失了崩溃前的所有连接信息，服务器 TCP对所收到的客户的数据分解响应RST；
2. 客户端 TCP 接收到RST时，客户端阻塞于 readline调用，导致调用返回 ECONNRESET；【5】慢系统调用与快系统调用
慢系统调用 : 该系统调用在某些外部事件发生之前不会返回；
快系统调用 : 也称非阻塞，该系统调用立即返回；
“立即”意味着此类系统调用只需要一点处理器时间； 此类系统调用可以持续多长时间（除了实时系统）没有硬性限制，但是这些调用一经预定足够长时间就会返回；
参考
本博客为博主的学习实践总结，并参考了众多博主的博文，在此表示感谢，博主若有不足之处，请批评指正。
【1】UNIX网络编程
【2】慢速系统调用(slow system calls)和快速系统调用(fast system calls)之间的区别