【计算机网络学习之路】TCP socket编程

文章目录

  • 前言
  • 一. 服务器
    • 1. 初始化服务器
    • 2. 启动服务器
  • 二. 客户端
  • 三. 多进程服务器
  • 结束语

前言

本系列文章是计算机网络学习的笔记，欢迎大佬们阅读，纠错，分享相关知识。希望可以与你共同进步。

本篇博客基于UDP socket基础，介绍TCP socket编程接口和细节

UDP socket编程可参看【计算机网络学习之路】UDP socket编程

本次编写的服务器和客户端依然是最简单的echo服务器

一. 服务器

服务器的基本框架：

tcp_server.hpp

#pragma once

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

namespace ns_server
{
    const uint16_t default_port = 8888;
    class TcpServer
    {
    public:
        TcpServer(uint16_t port = default_port) : _port(port){}
        void InitServer(){}//初始化服务器
        void Start(){}//启动服务器
        ~TcpServer(){}
    private:
        int _sock; // 监听套接字
        uint16_t _port;  // 端口号
    };
}

tcp_server.cc

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

using namespace std;
using namespace ns_server;

static void usage(char*argv)
{
    cout<<"Usage\n\t"<<argv<<" serverPort"<<endl;
}
int main(int argc,char*argv[])
{
    if(argc!=2)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    uint16_t port=atoi(argv[1]);

    unique_ptr<TcpServer> usvr(new TcpServer(echo,port));
    usvr->InitServer();
    usvr->Start();

    return 0;
}

1. 初始化服务器

服务器的初始化，还是一样的

  1. 创建套接字
  2. 绑定套接字
 void InitServer()
{
	// 1.创建套接字
    _sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (_listensock < 0)
    {
		std::cerr << "create sock error," << strerror(errno) << std::endl;
        exit(1);
    }

    std::cout << "create listensock success: " << _sock << std::endl;

    // 2.绑定套接字
    struct sockaddr_in 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," << strerror(errno) << std::endl;
        exit(2);
    }
}

需要注意的是，socket的第二个参数为SOCK_STREAM面向字节流

TCP与UDP不同的地方是，TCP是面向连接的，UDP是无连接的
所以TCP还需要listen

在这里插入图片描述

返回值：成功返回0，失败返回-1并设置错误码

backlog参数需要在后续TCP详解中学习，先定义大小为32

const int backlog = 32;
void InitServer()
{
	// 1.创建套接字
    _sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (_listensock < 0)
    {
		std::cerr << "create sock error," << strerror(errno) << std::endl;
        exit(1);
    }

    std::cout << "create listensock success: " << _sock << std::endl;

    // 2.绑定套接字
    struct sockaddr_in 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," << strerror(errno) << std::endl;
        exit(2);
    }
	
	// 3.监听
    if (listen(_listensock, backlog) < 0)
    {
        std::cerr << "listen error," << strerror(errno) << std::endl;
        exit(3);
    }
}

初始化到此就结束了
接下来是启动服务器

2. 启动服务器

TCP通过accept获取客户端连接

在这里插入图片描述

  • sockfd：socket返回的文件描述符
  • addr：输入输出型参数，客户端信息的结构体
  • addrlen：输入输出型参数，结构体大小。注意：需要传入addr的大小
  • 返回值是网络文件描述符

在TCP中，socket返回的网络文件可以理解为连接文件，内部保存了连接信息
而accept是从连接文件中获取连接，然后创建套接字，网络文件。
真正通信的是connect创建的网络文件

我们将私有成员的_sock改为_listensock

void Start()
{
	while (true)
	{
		struct sockaddr_in client;
        memset(&client, 0, sizeof(client));
        socklen_t len = sizeof(client);
        int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&client, &len);
        if (sock < 0)
        {
			std::cerr << "accept error" << std::endl;
			continue;
		}

        // 提取客户端信息
        std::string clientIp = inet_ntoa(client.sin_addr);
        uint16_t clientPort = ntohs(client.sin_port);

        std::string name = "[" + clientIp + ":" + std::to_string(clientPort) + "]";
        std::cout << "create sock " << sock << " from " << _listensock << std::endl;
    }
}

接下来就可以在connect返回的套接字中读写数据了。
本次使用read和write

void Start()
{
	while (true)
	{
		struct sockaddr_in client;
        memset(&client, 0, sizeof(client));
        socklen_t len = sizeof(client);
        int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&client, &len);
        if (sock < 0)
        {
			std::cerr << "accept error" << std::endl;
			continue;
		}

        // 提取客户端信息
        std::string clientIp = inet_ntoa(client.sin_addr);
        uint16_t clientPort = ntohs(client.sin_port);

        std::string name = "[" + clientIp + ":" + std::to_string(clientPort) + "]";
        std::cout << "create sock " << sock << " from " << _listensock << std::endl;

        char buffer[1024];
        while (true)
        {
			int n = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);
            if (n > 0)
            {
				buffer[n] = '\0';
                std::cout << name << "# " << buffer << std::endl;
                std::string responce = buffer;//返回收到的数据
                int m = write(sock, responce.c_str(), responce.size());
            }
            else if (n == 0)
            {
                // 写端关闭
                std::cout << name << " quit,me to" << std::endl;
                close(sock);
                break;
            }
            else
            {
                // 读数据异常
                std::cerr << "read error" << std::endl;
                break;
            }
		}
	}
}

完整代码：
tcp_server.hpp

#pragma once

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

namespace ns_server
{
    const uint16_t default_port = 8888;
    const int backlog = 32;
    class TcpServer
    {
    public:
        TcpServer(func_t func, uint16_t port = default_port) : _port(port), _func(func)
        {
        }

        void InitServer()
        {
            // 1.创建套接字
            _listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if (_listensock < 0)
            {
                std::cerr << "create sock error," << strerror(errno) << std::endl;
                exit(1);
            }

            std::cout << "create listensock success: " << _listensock << std::endl;

            // 2.绑定套接字
            struct sockaddr_in local;
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_port = htons(_port);
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

            if (bind(_listensock, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0)
            {
                std::cerr << "bind error," << strerror(errno) << std::endl;
                exit(2);
            }

            // 3.监听
            if (listen(_listensock, backlog) < 0)
            {
                std::cerr << "listen error," << strerror(errno) << std::endl;
                exit(3);
            }
        }

        void Start()
        {
            while (true)
            {
                struct sockaddr_in client;
                memset(&client, 0, sizeof(client));
                socklen_t len = sizeof(client);
                int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&client, &len);
                if (sock < 0)
                {
                    std::cerr << "accept error" << std::endl;
                    continue;
                }

                // 提取客户端信息
                std::string clientIp = inet_ntoa(client.sin_addr);
                uint16_t clientPort = ntohs(client.sin_port);

                std::string name = "[" + clientIp + ":" + std::to_string(clientPort) + "]";

                std::cout << "create sock " << sock << " from " << _listensock << std::endl;

                char buffer[1024];
                while (true)
                {
                    int n = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);
                    if (n > 0)
                    {
                        buffer[n] = '\0';
                        std::cout << name << "# " << buffer << std::endl;
                        std::string responce = buffer;
                        int m = write(sock, responce.c_str(), responce.size());
                    }
                    else if (n == 0)
                    {
                        // 写端关闭
                        std::cout << name << " quit,me to" << std::endl;
                        close(sock);
                        break;
                    }
                    else
                    {
                        // 读数据异常
                        std::cerr << "read error" << std::endl;
                        break;
                    }
                }
            }
        }

        ~TcpServer()
        {
        }

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

PS：上述的服务器是单进程，所以只能同时处理一个客户端，读者可以尝试添加一下多进程，多线程或者线程池

本篇博客最后会贴出多进程的方案

二. 客户端

客户端就不作封装了

最开始也是要创建套接字
然后TCP的客户端需要connect服务器

在这里插入图片描述

  • sockfd：socket返回的文件描述符
  • addr：服务器信息的结构体
  • addrlen：结构体大小。
  • 返回值：成功返回0，失败返回-1并设置错误码

注意：connect时OS会bind客户端
UDP是在发送数据时才会bind

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

using namespace std;

static void usage(char *argv)
{
    cout << "Usage:\n\t" << argv << " serverIp serverPort" << endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }

    string serverIp = argv[1];
    uint16_t serverPort = atoi(argv[2]);

    // 1.创建套接字
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock < 0)
    {
        cerr << "create sock error," << strerror(errno) << endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }

    cout<<"create sock sucess:"<<sock<<endl;

    // 2. 连接
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverIp.c_str());
    server.sin_port = htons(serverPort);

    int cnt = 5; // 记录重连次数
    // connect时会bind
    while (connect(sock, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) < 0)
    {
        cout << "正在重连...还有" << cnt-- << "次" << endl;
        if (cnt <= 0)
        {   
            cerr<<"连接失败"<<endl;
            exit(CONNECT_ERR);
        }
        sleep(1);
    }
    // 连接成功
    string name = "["+serverIp + ":" + to_string(serverPort)+"]";
    cout << "connect " << name << " sucess" << endl;


    return 0;
}

然后也可以开始读写数据了

完整代码：

tcp_client.cc

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

using namespace std;

static void usage(char *argv)
{
    cout << "Usage:\n\t" << argv << " serverIp serverPort" << endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }

    string serverIp = argv[1];
    uint16_t serverPort = atoi(argv[2]);

    // 1.创建套接字
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock < 0)
    {
        cerr << "create sock error," << strerror(errno) << endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }

    cout<<"create sock sucess:"<<sock<<endl;

    // 2. 连接
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverIp.c_str());
    server.sin_port = htons(serverPort);

    int cnt = 5; // 记录重连次数
    // connect时会bind
    while (connect(sock, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) < 0)
    {
        cout << "正在重连...还有" << cnt-- << "次" << endl;
        if (cnt <= 0)
        {   
            cerr<<"连接失败"<<endl;
            exit(CONNECT_ERR);
        }
        sleep(1);
    }

    // 连接成功
    string name = "["+serverIp + ":" + to_string(serverPort)+"]";
    cout << "connect " << name << " sucess" << endl;

    // 发送消息
    while (true)
    {
        cout << "please enter your message# ";
        string message;
        getline(cin, message);

        int n = write(sock, message.c_str(), message.size());
        if (n < 0)
        {
            cerr << "write error," << strerror(errno) << endl;
            break;
        }
        else if (n == 0)
        {
            cout << "读端关闭，停止写" << endl;
            break;
        }

        char buffer[1024];
        int m = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (m > 0)
        {
            buffer[n] = '\0';
            cout<<name<<" echo "<<buffer<<endl;
        }
        else if (m == 0)
        {
            // 写端关闭
            std::cout << name << " quit,me to" << std::endl;
            close(sock);
            break;
        }
        else
        {
            // 读数据异常
            std::cerr << "read error" << std::endl;
            break;
        }
    }

    return 0;
}

三. 多进程服务器

tcp_server.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>


namespace ns_server
{
    const uint16_t default_port = 8888;
    const int backlog = 32;
   
    class TcpServer
    {
    public:
        TcpServer(uint16_t port = default_port) : _port(port)
        {
        }

        void InitServer()
        {
            // 1.创建套接字
            _listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if (_listensock < 0)
            {
                std::cerr << "create sock error," << strerror(errno) << std::endl;
                exit(1);
            }

            std::cout << "create listensock success: " << _listensock << std::endl;

            // 2.绑定套接字
            struct sockaddr_in local;
            local.sin_family = AF_INET;
            local.sin_port = htons(_port);
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

            if (bind(_listensock, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) < 0)
            {
                std::cerr << "bind error," << strerror(errno) << std::endl;
                exit(2);
            }

            // 3.监听
            if (listen(_listensock, backlog) < 0)
            {
                std::cerr << "listen error," << strerror(errno) << std::endl;
                exit(3);
            }
        }

        

        void Start()
        {
        	//忽略子进程的信号，不需要等待子进程退出（推荐！！！）
            signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
            while (true)
            {
                struct sockaddr_in client;
                memset(&client, 0, sizeof(client));
                socklen_t len = sizeof(client);
                int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&client, &len);
                if (sock < 0)
                {
                    std::cerr << "accept error" << std::endl;
                    continue;
                }
                std::cout << "create sock " << sock << " from " << _listensock << std::endl;

                // 多进程
                pid_t id = fork();
                if (id < 0)
                {
                    close(sock);
                    continue;
                }
                else if (id == 0)
                {
                    //子进程
                    close(_listensock);//建议关掉不需要的fd
                    if(fork()>0)
                        exit(0);//子进程退掉，后续为孙子进程
                    // 提取客户端信息
                    std::string clientIp = inet_ntoa(client.sin_addr);
                    uint16_t clientPort = ntohs(client.sin_port);
                    service(sock, clientIp, clientPort);
                    exit(0);
                }
                //父进程
                //一定关掉不需要的fd，防止fd泄露
                close(sock);

                //pid_t ret=waitpid(id,nullptr,0);//默认为阻塞等待
                //pid_t ret=waitpid(id,nullptr,WNOHANG);//非阻塞
                //if(ret==id) std::cout<<"wait "<<id<<" sucess"<<std::endl;
            }
        }

		void service(int sock, std::string &clientIp, uint16_t&clientPort)
        {
            std::string name = "[" + clientIp + ":" + std::to_string(clientPort) + "]";
            char buffer[1024];
            while (true)
            {
                int n = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);
                if (n > 0)
                {
                    buffer[n] = '\0';
                    std::cout << name << "# " << buffer << std::endl;
                    std::string responce = buffer;
                    int m = write(sock, responce.c_str(), responce.size());
                }
                else if (n == 0)
                {
                    // 写端关闭
                    std::cout << name << " quit,me to" << std::endl;
                    close(sock);
                    break;
                }
                else
                {
                    // 读数据异常
                    std::cerr << "read error" << std::endl;
                    break;
                }
            }
        }

        ~TcpServer()
        {
        }

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

结束语

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欢迎大家纠错和补充
如果觉得本篇文章对你有所帮助的话，不妨点个赞支持一下博主，拜托啦，这对我真的很重要。
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