【网络篇】第七篇——网络套接字编程(三)(TCP详解)
简单的TCP网络程序
服务端
服务端创建套接字
服务端绑定
服务端监听
服务端获取连接
服务端处理请求
客户端
客户端创建套接字
客户端连接服务器
客户端发起请求
服务器测试
单执行流服务器的弊端
简单的TCP网络程序
服务端
服务端创建套接字
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马上对服务器进行初始化，而初始化TCP服务器要做的第一件事就是创建套接字。
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,这是大多数用来产生socket的协议，使用TCP或UDP来传输，用IPv4的地址。
- 创建套接字时所需的服务类型应该是SOCK_STREAM,这个协议是按照顺序的、可靠的、数据完整的基于字节流的连接。这是一个使用最多的socket类型，这个socket是使用TCP来进行传输。
- 协议类型默认设置为0即可。
如果创建套接字后获得的文件描述符是小于0的，说明套接字创建失败，此时也就没必要进行后续操作了，直接终止程序即可。
class TcpServer
{
public:
void InitServer()
{
//创建套接字
_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (_sock < 0){
std::cerr << "socket error" << std::endl;
exit(2);
}
}
~TcpServer()
{
if (_sock >= 0){
close(_sock);
}
}
private:
int _sock; //套接字
};
注意:
- 实际TCP服务器创建套接字的做法与UDP服务器是一样的，只不过创建套接字时TCP需要的是流式服务，而UDP需要的是用户数据报服务。
- 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。
服务端绑定
套接字创建完毕后我们实际只是在系统层面上打开了一个文件，该文件还没有与网络关联起来，因此创建完套接字后我们还需要调用bind函数进行绑定操作。
绑定步骤如下:
- 定义一个struct sockaddr_in结构体，将服务器网络相关的属性信息填充到该结构体当中，比如协议家族，IP地址，端口号等。
- 填充服务器网络相关的属性信息时，协议家族对应就是AF_INET,端口号就是当前TCP服务器程序的端口号。在设置端口号时，需要调用htos函数将端口号由主机序列转为网络序列。
- 在设置服务器的IP地址时，我们可以设置为本地环回127.0.0.1,表示本地通信。也可以设置为公网IP地址，表示网络通信。
- 如果使用的是云服务器，那么在设置服务器的IP地址时，不需要显示绑定IP地址，直接将IP地址设置为INADDR_ANY即可，此时服务器就可以从本地任何一张网卡当中读取数据。此外，由于INADDE_ANY本质就是0，因此在设置时不需要进行网络字节序的转换。
- 填充完故武器网络相关的属性信息后，需要调用bind函数进行绑定。绑定实际就是将文件与网络相关联起来，如果绑定失败也没必要进行后续操作了，直接终止程序即可。
由于TCP服务器初始化时需要服务器的端口号，因此在服务器类当中需要引入端口号，当实例化服务器对象时就需要给传入一个端口号。而由于我当前使用的是云服务器，因此在绑定TCP服务器的IP地址时不需要绑定公网IP地址，直接绑定INADDR_ANY即可，因此我这里没有在服务器类当中引入IP地址。
class TcpServer
{
public:
TcpServer(int port)
: _sock(-1)
, _port(port)
{}
void InitServer()
{
//创建套接字
_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (_sock < 0){
std::cerr << "socket error" << std::endl;
exit(2);
}
//绑定
struct sockaddr_in local;
memset(&local, '\0', sizeof(local));
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(_port);
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
if (bind(_sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0){
std::cerr << "bind error" << std::endl;
exit(3);
}
}
~TcpServer()
{
if (_sock >= 0){
close(_sock);
}
}
private:
int _sock; //监听套接字
int _port; //端口号
};
注意:TCP服务器绑定步骤和UDP服务器完全一样，没有区别。
服务端监听
UDP服务器的初始化操作只有两步，第一步就是创建套接字，第二部就是绑定。而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。
listen函数
设置套接字为监听状态的函数叫做listen，该函数的函数原型如下：
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或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。
所谓被动监听，是指当没有客户端请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到客户端请求时，套接字才会被“唤醒”来响应请求。
请求队列
当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直到缓冲区满。这个缓冲区，就称为请求队列（Request Queue）。
缓冲区的长度（能存放多少个客户端请求）可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定，但究竟为多少并没有什么标准，可以根据你的需求来定，并发量小的话可以是10或者20。
如果将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN，就由系统来决定请求队列长度，这个值一般比较大，可能是几百，或者更多。
当请求队列满时，就不再接收新的请求，对于 Linux，客户端会收到 ECONNREFUSED 错误。
#define BACKLOG 5
class TcpServer
{
public:
void InitServer()
{
//创建套接字
_listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (_listen_sock < 0){
std::cerr << "socket error" << std::endl;
exit(2);
}
//绑定
struct sockaddr_in local;
memset(&local, '\0', sizeof(local));
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(_port);
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
if (bind(_listen_sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0){
std::cerr << "bind error" << std::endl;
exit(3);
}
//监听
if (listen(_listen_sock, BACKLOG) < 0){
std::cerr << "listen error" << std::endl;
exit(4);
}
}
private:
int _listen_sock; //监听套接字
int _port; //端口号
};
注意：listen() 只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。
accept() 函数。
服务端获取连接
TCP服务器初始化后就可以开始运行了，但TCP服务器在与客户端进行网络通信之前，服务器需要先获取到客户端的连接请求。
当套接字处于监听状态时，可以通过 accept() 函数来接收客户端请求。
#include
#include
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
sockdf:
socket文件描述符
addr:
传出参数，返回链接客户端地址信息，含IP地址和端口号
addrlen:
传入传出参数（值-结果）,传入sizeof(addr)大小，函数返回时返回真正接收到地址结构体的大小
返回值：
成功返回一个新的socket文件描述符，用于和客户端通信，失败返回-1，设置errno
accept函数返回的套接字是什么？
调用accept函数获取连接时，是从监听套接字当中获取的。如果accept函数获取连接成功，此时会返回接收到的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获取到的连接提供服务。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服务的套接字是accept函数返回的套接字，而不是监听套接字。
最后需要说明的是：listen() 只是让套接字进入监听状态，并没有真正接收客户端请求，listen() 后面的代码会继续执行，直到遇到 accept()。accept() 会阻塞程序执行（后面代码不能被执行），直到有新的请求到来。。
服务端获取连接
服务端在获取连接时需要注意：
- accept函数获取连接时可能会失败，但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获取连接。
- 如果要将获取到的连接对应客户端的IP地址和端口号信息进行输出，需要调用inet_ntoa函数将整数IP转换成字符串IP，调用ntohs函数将端口号由网络序列转换成主机序列。
- inet_ntoa函数在底层实际做了两个工作，一是将网络序列转换成主机序列，二是将主机序列的整数IP转换成字符串风格的点分十进制的IP。
class TcpServer
{
public:
void Start()
{
for (;;){
//获取连接
struct sockaddr_in peer;
memset(&peer, '\0', sizeof(peer));
socklen_t len = sizeof(peer);
int sock = accept(_listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);
if (sock < 0){
std::cerr << "accept error, continue next" << std::endl;
continue;
}
std::string client_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);
int client_port = ntohs(peer.sin_port);
std::cout<<"get a new link->"<服务端接收连接测试
现在我们可以做一下简单的测试，看看当前服务器能否成功接收请求连接。在运行服务端时需要传入一个端口号作为服务端的端口号，然后我们用该端口号构造一个服务端对象，对服务端进行初始化后启动服务端即可。
void Usage(std::string proc)
{
std::cout << "Usage: " << proc << " port" << std::endl;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
if (argc != 2){
Usage(argv[0]);
exit(1);
}
int port = atoi(argv[1]);
TcpServer* svr = new TcpServer(port);
svr->InitServer();
svr->Start();
return 0;
}
运行服务端
服务端运行后，通过netstat命令可以查看到一个程序名为tcp_server的服务程序，它绑定的端口就是8081，而由于服务器绑定的是INADDR_ANY，因此该服务器的本地IP地址是0.0.0.0，这就意味着该TCP服务器可以读取本地任何一张网卡里面的数据。此外，最重要的是当前该服务器所处的状态是LISTEN状态，表明当前服务器可以接收外部的请求连接。
使用telnet命令连接当前TCP服务器后可以看到，此时服务器接收到了一个连接，为该连接提供服务的套接字对应的文件描述符就是4。因为0、1、2是默认打开的，其分别对应标准输入流、标准输出流和标准错误流，而3号文件描述符在初始化服务器时分配给了监听套接字，因此当第一个客户端发起连接请求时，为该客户端提供服务的套接字对应的文件描述符就是4。
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连接进行处理。但此时为客户端提供服务的不是监听套接字，因为监听套接字获取到一个连接后会继续获取下一个请求连接，为对应客户端提供服务的套接字实际是accept函数返回的套接字，下面就将其称为“服务套接字”。
为了让通信双方都能看到对应的现象，我们这里就实现一个简单的回声TCP服务器，服务端在为客户端提供服务时就简单的将客户端发来的数据进行输出，并且将客户端发来的数据重新发回给客户端即可。当客户端拿到服务端的响应数据后再将该数据进行打印输出，此时就能确保服务端和客户端能够正常通信了。
read函数
TCP服务器读取数据的函数叫做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。
read返回值为0表示对端连接关闭
这实际和本地进程间通信中的管道通信是类似的，当使用管道进行通信时，可能会出现如下情况：
- 写端进程不写，读端进程一直读，此时读端进程就会被挂起，因为此时数据没有就绪。
- 读端进程不读，写端进程一直写，此时当管道被写满后写端进程就会被挂起，因为此时空间没有就绪。
- 写端进程将数据写完后将写端关闭，此时当读端进程将管道当中的数据读完后就会读到0。
- 读端进程将读端关闭，此时写端进程就会被操作系统杀掉，因为此时写端进程写入的数据不会被读取。
这里的写端就对应客户端，如果客户端将连接关闭了，那么此时服务端将套接字当中的信息读完后就会读取到0，因此如果服务端调用read函数后得到的返回值为0，此时服务端就不必再为该客户端提供服务了。
write函数
TCP服务器写入数据的函数叫做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。
当服务端调用read函数收到客户端的数据后，就可以再调用write函数将该数据再响应给客户端。
服务端处理请求
需要注意的是，服务端读取数据是服务套接字中读取的，而写入数据的时候也是写入进服务套接字的。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，因此服务完客户端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
class TcpServer
{
public:
void Service(int sock, std::string client_ip, int client_port)
{
char buffer[1024];
while (true){
ssize_t size = read(sock, buffer, sizeof(buffer)-1);
if (size > 0){ //读取成功
buffer[size] = '\0';
std::cout << "get a new link->" << sock << " [" << client_ip << "]:" << client_port << std::endl;
write(sock, buffer, size);
}
else if (size == 0){ //对端关闭连接
std::cout << client_ip << ":" << client_port << " close!" << std::endl;
break;
}
else{ //读取失败
std::cerr << sock << " read error!" << std::endl;
break;
}
}
close(sock); //归还文件描述符
std::cout << client_ip << ":" << client_port << " service done!" << std::endl;
}
void Start()
{
for (;;){
//获取连接
struct sockaddr_in peer;
memset(&peer, '\0', sizeof(peer));
socklen_t len = sizeof(peer);
int sock = accept(_listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);
if (sock < 0){
std::cerr << "accept error, continue next" << std::endl;
continue;
}
std::string client_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);
int client_port = ntohs(peer.sin_port);
std::cout << "get a new link [" << client_ip << "]:" << client_port << std::endl;
//处理请求
Service(sock, client_ip, client_port);
}
}
private:
int _listen_sock; //监听套接字
int _port; //端口号
};
客户端
客户端创建套接字
同样的，我们将客户端也封装成一个类，当我们定义出一个客户端对象后也需要对其进行初始化，而初始化客户端唯一需要做的就是创建套接字。而客户端在调用socket函数创建套接字时，参数设置与服务端创建套接字时是一样的。
客户端不需要进行绑定和监听：
- 服务端要进行绑定是因为服务端的IP地址和端口号必须要众所周知，不能随意改变。而客户端虽然也需要IP地址和端口号，但是客户端并不需要我们进行绑定操作，客户端连接服务器时系统会自动指定一个端口号给客户端。
- 服务端需要进行监听是因为服务端需要通过监听来获取新连接，但是不会有人主动连接客户端，因此客户端是不需要进行监听操作的。
此外，客户端必须要知道它连接的服务端的IP地址和端口号，因此客户端除了要有自己的套接字之外，还需要知道服务端的IP地址和端口号，这样客户端才能够通过套接字向指定服务器进行通信。
class TcpClient
{
public:
TcpClient(std::string server_ip, int server_port)
: _sock(-1)
, _server_ip(server_ip)
, _server_port(server_port)
{}
void InitClient()
{
//创建套接字
_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (_sock < 0){
std::cerr << "socket error" << std::endl;
exit(2);
}
}
~TcpClient()
{
if (_sock >= 0){
close(_sock);
}
}
private:
int _sock; //套接字
std::string _server_ip; //服务端IP地址
int _server_port; //服务端端口号
};
客户端连接服务器
由于客户端不需要绑定，也不需要监听，因此当客户端创建完套接字后就可以向服务端发起连接请求。
connect函数
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。
客户端连接服务器
需要注意的是，客户端不是不需要进行绑定，而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。因为通信双方都必须要有IP地址和端口号，否则无法唯一标识通信双方。也就是说，如果connect函数调用成功了，客户端本地会随机给该客户端绑定一个端口号发送给对端服务器。
此外，调用connect函数向服务端发起连接请求时，需要传入服务端对应的网络信息，否则connect函数也不知道该客户端到底是要向哪一个服务端发起连接请求。
class TcpClient
{
public:
void Start()
{
struct sockaddr_in peer;
memset(&peer, '\0', sizeof(peer));
peer.sin_family = AF_INET;
peer.sin_port = htons(_server_port);
peer.sin_addr.s_addr = inet_addr(_server_ip.c_str());
if (connect(_sock, (struct sockaddr*)&peer, sizeof(peer)) == 0){ //connect success
std::cout << "connect success..." << std::endl;
Request(); //发起请求
}
else{ //connect error
std::cerr << "connect failed..." << std::endl;
exit(3);
}
}
private:
int _sock; //套接字
std::string _server_ip; //服务端IP地址
int _server_port; //服务端端口号
};
客户端发起请求
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。
class TcpClient
{
public:
void Request()
{
std::string msg;
char buffer[1024];
while (true){
std::cout << "Please Enter# ";
getline(std::cin, msg);
write(_sock, msg.c_str(), msg.size());
ssize_t size = read(_sock, buffer, sizeof(buffer)-1);
if (size > 0){
buffer[size] = '\0';
std::cout << "server echo# " << buffer << std::endl;
}
else if (size == 0){
std::cout << "server close!" << std::endl;
break;
}
else{
std::cerr << "read error!" << std::endl;
break;
}
}
}
void Start()
{
struct sockaddr_in peer;
memset(&peer, '\0', sizeof(peer));
peer.sin_family = AF_INET;
peer.sin_port = htons(_server_port);
peer.sin_addr.s_addr = inet_addr(_server_ip.c_str());
if (connect(_sock, (struct sockaddr*)&peer, sizeof(peer)) == 0){ //connect success
std::cout << "connect success..." << std::endl;
Request(); //发起请求
}
else{ //connect error
std::cerr << "connect failed..." << std::endl;
exit(3);
}
}
private:
int _sock; //套接字
std::string _server_ip; //服务端IP地址
int _server_port; //服务端端口号
};
在运行客户端程序时我们就需要携带上服务端对应的IP地址和端口号，然后我们就可以通过服务端的IP地址和端口号构造出一个客户端对象，对客户端进行初始后启动客户端即可。
void Usage(std::string proc)
{
std::cout << "Usage: " << proc << "server_ip server_port" << std::endl;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
if (argc != 3){
Usage(argv[0]);
exit(1);
}
std::string server_ip = argv[1];
int server_port = atoi(argv[2]);
TcpClient* clt = new TcpClient(server_ip, server_port);
clt->InitClient();
clt->Start();
return 0;
}
服务器测试
现在服务端和客户端均已编写完毕，下面我们进行测试。测试时我们先启动服务端，然后通过netstat命令进行查看，此时我们就能看到一个名为tcp_server的服务进程，该进程当前处于监听状态。
然后再通过./tcp_client IP地址 端口号的形式运行客户端，此时客户端就会向服务端发起连接请求，服务端获取到请求后就会为该客户端提供服务。
当客户端向服务端发送消息后，服务端可以通过打印的IP地址和端口号识别出对应的客户端，而客户端也可以通过服务端响应回来的消息来判断服务端是否收到了自己发送的消息。
如果此时客户端退出了，那么服务端在调用read函数时得到的返回值就是0，此时服务端也就知道客户端退出了，进而会终止对该客户端的服务。
注意： 此时是服务端对该客户端的服务终止了，而不是服务器终止了，此时服务器依旧在运行，它在等待下一个客户端的连接请求。
单执行流服务器的弊端
当我们仅用一个客户端连接服务端时，这一个客户端能够正常享受到服务端的服务。
但在这个客户端正在享受服务端的服务时，我们让另一个客户端也连接服务器，此时虽然在客户端显示连接是成功的，但这个客户端发送给服务端的消息既没有在服务端进行打印，服务端也没有将该数据回显给该客户端。
只有当第一个客户端退出后，服务端才会将第二个客户端发来是数据进行打印，并回显该第二个客户端。
单执行流的服务器
通过实现现象可以看到，这服务端只有服务完一个客户端后才会服务另一个客户端，因为我们目前所写的是一个单执行流版的服务器，这个服务器依次只能为一个客户端提供服务。
当服务端调用accept函数获取到连接后就给该客户端提供服务，但在服务端提供服务期间可能会有其他客户端发起连接请求，但由于当前服务器是单执行流的，只能服务完当前客户端后才能继续服务下一个客户端。
客户端为什么会显示连接成功？
当服务端在给第一个客户端提供服务期间，第二个客户端向服务端发起的连接请求时是成功的，只不过服务端没有调用accept函数将该连接获取上来罢了。
实际在底层会为我们维护一个连接队列，服务端没有accept的新连接就会放到这个连接队列当中，而这个连接队列的最大长度就是通过listen函数的第二个参数来指定的，因此服务端虽然没有获取第二个客户端发来的连接请求，但是在第二个客户端那里显示是连接成功的。
如何解决？
单执行流的服务器一次只能给一个客户端提供服务，此时服务器的资源并没有得到充分利用，因此服务器一般是不会写成单执行流的。要解决这个问题就需要将服务器改为多执行流的，此时就要引入多进程或多线程。