【网络通信】socket编程——TCP套接字

2023-11-17 09:47:57 浏览数 (2)

TCP依旧使用代码来熟悉对应的套接字，很多接口都是在udp中使用过的 所以就不会单独把他们拿出来作为标题了，只会把第一次出现的接口作为标题 @TOC

通过TCP的套接字 ，来把数据交付给对方的应用层，完成双方进程的通信

服务端 tcp_server

tcpserver.hpp(封装)

在 tcpServer.hpp 中，创建一个命名空间 yzq 用于封装 在命名空间中，定义一个类 TcpServer

该类中包含 构造 析构 初始化(initServer) 启动(start)

初始化 initServer

1. 创建socket

设置监听端口号(后面会解释) ，需要端口号标识进程的唯一性

在类外设置一个默认端口号8888作为构造函数参数port的缺省值

创建套接字

输入 man socket

第一个参数 domain ，用于区分 进行网络通信还是 本地通信 若想为网络通信，则使用 AF_INET 若想为本地通信，则使用 AF_UNIX

第二个参数 type， 套接字对应的服务类型

SOCK_STREAM 流式套接 SOCK_DGRAM 无连接不可靠的通信(用户数据报)

第三个参数 protocol ，表示想用那种协议，协议默认为0 若为 流式套接，则系统会认为是TCP协议 ，若为用户数据报，则系统会认为是UDP协议

套接字的返回值：若成功则返回文件描述符，若失败则返回 -1

说明进行网络通信，流式套接，同时系统认为是TCP协议

创建err.hpp 用于存储错误信息的枚举

如果创建失败，则终止程序

2. 绑定 bind

输入 man 2 bind ，查看绑定

给一个套接字绑定一个名字 第一个参数 sockfd 为 套接字 第二个参数 addr 为 通用结构体类型 第三个参数 addrlen 为 第二个参数的实际长度大小

bind返回值：若成功，则返回0，若失败，返回 -1

使用bind，是需要借助一个通用结构体来实现的 所以定义一个 网络通信类型的结构体 local

在上一篇博客中，详细讲述了 sockaddr_in 结构体的内部组成 不懂可以去看看：struct sockaddr_in 的理解

htons —— 主机序列转化为网络序列

输入 man htons ，表示短整数的主机转网络序列

所以需要将主机的port_进行转化 ，然后再交给 local的sin_port (端口号)

INADDR_ANY 表示bind的任意IP

如果绑定失败返回-1

3.监听
listen ——设为 监听状态

输入 man 2 listen 设置当前套接字状态为 监听状态

第一个参数 sockfd 为 套接字 第二个参数 暂不做解释，一般设为整数 若成功则返回0，若失败返回-1

监听失败 返回-1，并终止程序

在类外设置一个 默认整数 为32

启动 Start

设置一个布尔变量 quit_，若为true则表示 服务器启动， 若为false，则表示 服务器没有启动

如果服务器没有启动，则进入while循环

1.获取连接，accept
accept

输入 man 2 accept

需要知道谁连的你，所以要获取到客户端的相关信息

第一个参数 sockfd 为套接字 第二个参数 addr 为通用结构体类型的 结构体 这个结构体是用来记录客户端内的port号以及IP地址 、16位地址类型等信息 第三个参数 addrlen 为 结构体的大小

返回值： 若成功，则返回一个合法的整数 即文件描述符 若失败，返回-1并且设置错误码

accept返回的文件描述符 与 socket设置成功返回的文件描述符的关系

如：有一个鱼庄，生意不太好，所以在外面站着一个人叫张三，进行揽客 有一天你和你的朋友在外面遇见张三，张三就向你们说他们鱼庄有多少，推荐去他们哪里吃鱼 正好你们俩也饿了，所以就跟张三去鱼庄吃鱼，但是只有你们进入鱼庄了，张三并没有进去 张三只是向里面喊了一声，来客人了，然后继续找人去了 这个时候来了一个服务员李四，向你们询问要吃什么，并向你们提供各种服务

每一次张三把客人招呼到鱼庄时，都会有一名服务员给客人提供服务 当张三做完自己的工作后，立马返回自己的工作岗位，继续招揽客人

张三不给用户提供具体的服务，只负责把客人从路上拉到店里去吃饭 进行消费 李四来给客人提供服务 鱼庄 可以看作是 整个服务器 像张三这样把客人从外部 拉到餐厅里的 称为 监听套接字 即accept的第一个参数 sockfd 像李四这样作的动作，相当于accept会返回一个文件描述符，这个文件描述符 是真正给用户提供IO服务的

若张三继续拉客，在路上碰见一个人，问他要不要去鱼庄吃饭，但那个人摇了摇头，表示没有意愿去鱼庄吃饭， 此时张三就被拒绝了，但这并不影响张三继续拉客去鱼庄 所以 accept 获取失败，只需继续 执行即可

2.获取新连接成功，开始进行业务处理

提供一个service的函数 ，参数为新的文件描述符sock 用于实现基本的读写服务 即 客户端发消息，需要把消息转回去

TCP 是一种流式服务 输入 man 2 read

从文件描述符fd中将我们想要的数据，按照数据块的方式读取出来 返回值代表多少字节，读取到文件结尾为0，失败为-1

将sock中的数据读取到buffer缓冲区中 若读取成功，则将最后一位的下一位赋值为0

若read的返回值为0，则对方将连接关闭了，所以sock也可以关闭

若返回值小于0，则读取失败，返回错误码

收到消息，需要把消息做某种处理后，再把消息转回去 所以使用 包装器 functional处理

在类外设置一个函数类型，返回值为string，参数为 string 的包装器

用该函数类型定义为一个私有变量func

将处理完的消息进行返回 输入 man 2 write 向一个文件中写入信息

fd代表文件描述符 buf代表 缓冲区 count代表 缓冲区大小 write将缓冲区的count大小的数据写入 fd中

将res中的数据 写入 sock文件描述符中

tcpserver.cc (主函数main实现)

想要只输入 ./tcp_server 加 端口号 所以在main函数中添加命令行参数 main函数的两个参数，char* argv[] 为指针数组 ，argv为一张表，包含一个个指针，指针指向字符串 int argc，argc为数组的元素个数

当参数输入不为2时，就会终止程序，同时打印出对应的输入参数

通过构造函数了解， 想要使用 new TcpServer 需要传入回调和端口号

客户端 tcp_client

tcpclient.cc(不封装，直接实现)

为了使用客户端，所以要输入对应的 可执行程序 serverip serverport 所以在main函数需要使用 命令行参数

若输入的参数少于3个，则终止程序，并打印出对应输入的参数

将输入的第二个参数的IP地址 赋值给 serverip 将输入的第三个参数的端口号，使用atoi将字符串转化为整数 ，再赋值给serverport

1.创建套接字

网络通信，并为流式套接，默认为0，因为流式所以为TCP协议 若创建套接字失败，则终止程序

2.发起链接

输入 man accept

客户端 通过套接字sockfd，向特定的服务器发起链接请求 sockfd:套接字 addr：公共类型的结构体 内部包含 服务器的IP地址和的端口号 addrlen:结构体的大小

返回值：若成功，则返回0，若失败，返回-1和错误码 首次发起链接时，操作系统会给客户端自动进行绑定端口

所以需要先定义一个结构体server

借助htons 将上述的主机序列端口号serverport 转化为网络序列端口号

inet_addr——字符串IP地址 转为 网络序列IP地址

输入man inet_addr

第一个参数为 字符串风格的IP地址 第二个参数 为 网络序列的IP地址 将 字符串风格的IP地址 转为 网络序列的IP地址

再将主机序列的IP地址serverip，转化为网络序列的IP地址

cnt表示重连次数 设置while循环，当不等于0链接失败时，cnt值减1，并重新链接，若cnt值为0，则break终止循环 若出了while循环，cont小于等于0，则终止程序

3. 链接成功

创建一个string类型的line，将输入的参数传入line中 使用write，将line的内容传入文件描述符中 使用read，将sock的数据传入buffer中 通过read的返回值来判断，若返回值大于0则，输出其中内容 若返回值等于0，则说明链接关闭，则退出while循环 若返回值小于，则说明创建失败，返回错误码

具体代码实现

err.hpp(用于存放错误信息)

代码语言：javascript复制
#pragma once 

enum
{
  USAGE_ERR=1,
  SOCKET_ERR,//2
  BIND_ERR,//3
  LISTEN_ERR//4
};

makefile

代码语言：javascript复制
.PHONY:all
all: tcp_client tcp_server

tcp_client:tcpClient.cc
	g   -o $@ $^ -std=c  11 -lpthread
tcp_server:tcpServer.cc
	g   -o $@ $^ -std=c  11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:
	rm -f tcp_client tcp_server

tcpServer.hpp( 服务端 封装)

代码语言：javascript复制
#pragma once

#include<iostream>
#include<cstdlib>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include"err.hpp"
#include <sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<functional>



namespace yzq
{
    
    static uint16_t defaultport=8888;//默认端口号
    static const int backlog=32;//默认整数为32
    using func_t=std::function<std::string(const std::string&)>;

    class TcpServer;
    class ThreadData//该类用于存放客户端的IP port 套接字
    { 
        public:
        ThreadData(int fd,const std::string&ip,const uint16_t &port,TcpServer*ts)//构造
        :sock(fd),clientip(ip),clientport(port),current(ts)
        {}
      public:
       int sock;//套接字
       std::string clientip;//客户端IP
       uint16_t clientport;//客户端端口号
       TcpServer*current;
    };
    
   class TcpServer
   {
    public:
    TcpServer(func_t func,uint16_t port=defaultport)
    :func_(func),port_(port),quit_(true)//表示默认启动
    {}
    void initServer()//初始化
    {
        //1.创建socket
        listensock_=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
        if(listensock_<0)//创建失败
        {
            std::cout<<" create socket errno"<<std::endl;
            exit(SOCKET_ERR);//终止程序
        }
        //2. bind 绑定
        struct sockaddr_in local;//网络通信类型
        //清空
        memset(&local,'',sizeof(local));
        local.sin_family=AF_INET;//网络通信
        //htons 主机转网络
        local.sin_port=htons(port_);//端口号
        local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY ; //IP地址

        if(bind(listensock_,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
        //失败返回-1
        {
           std::cout<<" bind socket errno"<<std::endl;
            exit(BIND_ERR);//终止程序
        }

        // 3.监听
        if(listen(listensock_,backlog)<0)
        {
            //监听失败返回-1
             std::cout<<" listen socket errno"<<std::endl;
            exit(LISTEN_ERR);//终止程序
        }
       
    }
    void start()//启动
    { 
      quit_=false;//服务器没有启动
      while(!quit_)
      {
        //4.获取连接,accept
        struct sockaddr_in client;//网络通信类型
        socklen_t len=sizeof(client);//结构体大小
        int sock=accept(listensock_,(struct sockaddr*)&client,&len);    
        if(sock<0)
        {
            //获取失败
            std::cout<<" accept  errno"<<std::endl;
            continue;//继续执行
        }
        //提取客户端信息
        std::string clientip=inet_ntoa(client.sin_addr);//客户端ip
        uint16_t clientport=ntohs(client.sin_port);//客户端端口号
        //5.获取新连接成功,开始进行业务处理
        std::cout<<"获取新连接成功: "<<sock<<"from "<<listensock_<<std::endl; 
        //service(sock);//多线程版本没有调用函数

       //多线程版本
         pthread_t tid;
         ThreadData*td=new ThreadData(sock,clientip,clientport,this);
         pthread_create(&tid,nullptr,threadRoutine,td);
      }
    }
   static void *threadRoutine(void*args)
    {   
        pthread_detach(pthread_self());//线程分离
        ThreadData*td=(ThreadData*)args;
        td->current->service(td->sock);
        delete td;
        return nullptr;
    }
    void service(int sock)
    {
        char buffer[1024];
        while(true)
        {
            //将sock中的数据读取到buffer中
            ssize_t s=read(sock,buffer,sizeof(buffer)-1);
             if(s>0)
             {
                //读取成功
                buffer[s]=0;
                //使用func 进行回调
                std::string res=func_(buffer);
                std::cout<<res<<std::endl;
                //将res中的数据写给sock中
                write(sock,res.c_str(),res.size());

             }
             else if(s==0)
             {
                //说明对方将连接关闭了
                close(sock);
                std::cout<<"client quit,me too"<<std::endl;
                break; 
             }
             else 
             {
                //读取失败返回-1
                std::cout<<"read errno"<<strerror(errno)<<std::endl;
                break;
             }
        } 
    }
    ~TcpServer()
    {}
      private:
      func_t func_;//函数类型
      int listensock_;//监听套接字 
      bool quit_;//表示服务器是否启动
      uint16_t port_;//端口号
   };
}

tcpServer.cc( 服务端 主函数实现)

代码语言：javascript复制
#include"tcpServer.hpp"
#include<memory>//智能指针
using namespace std;
using namespace yzq;

static void usage(string proc)
{
    std::cout<<"usage:nt"<<proc<<"portn"<<std::endl;
}

std::string echo(const std::string&message)
{
    return message;
}
// ./tcp_server port
int main(int argc,char*argv[])
{
    //输入两个参数 所以不等于2
    if(argc!=2)
    {
       usage(argv[0]);
       exit(USAGE_ERR);//终止程序
    }
    //将输入的端口号 转化为整数 
    uint16_t port=atoi(argv[1]);
   unique_ptr<TcpServer>tsvr(new TcpServer(echo,port));
   tsvr->initServer();//服务器初始化
   tsvr->start();//启动
    return 0;
}

tcpClient.cc(客户端 不封装)

代码语言：javascript复制
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include"err.hpp"
using namespace std;

static void usage(string proc)
{
    std::cout<<"usage:nt"<<proc<<"portn"<<std::endl;
}

//./tcp_client  serverip serverport
int main(int argc,char*argv[])
{
   if(argc!=3)
   {
       usage(argv[0]);
       exit(USAGE_ERR);//终止程序
   }
   std::string serverip=argv[1];//IP地址
   uint16_t serverport=atoi(argv[2]);//端口号
   
   //1.创建套接字
   int sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sock<0)
    {
      //创建失败
      cout<<"socket errnr:"<<strerror(errno)<<endl;
      exit(SOCKET_ERR);//终止程序
    }

    //2.发起链接
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server,0,sizeof(server));//清空
    server.sin_family=AF_INET;//网络通信类型
    //htons 主机序列转为网络序列
    server.sin_port=htons(serverport);//网络端口号
    inet_aton(serverip.c_str(),&server.sin_addr);//网络IP地址

    int cnt=5;//重连次数
    while(connect(sock,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server))!=0)
    {
      //不等于0则链接失败
      sleep(1);
      cout<<"正在尝试重连,重连次数还有:"<<cnt--<<endl;
      if(cnt<=0)
      {
        //没有重连次数
        break;
      }
    }
    if(cnt<=0)
    {
        //链接失败
        cout<<"链接失败.."<<endl;
        exit(SOCKET_ERR);//终止程序
    }

    char buffer[1024];
    //3.链接成功
    while(true)
    {
        string line;
        cout<<"enter>>";
        getline(cin,line);//从cin中获取内容 写入line中
        write(sock,line.c_str(),line.size());//将line中的内容写入到sock文件描述符中   
        ssize_t s=read(sock,buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(s>0)
        {
            buffer[s]=0;
            cout<<"server echo"<<buffer<<endl;
        }
        else if(s==0)
        {
            cout<<"server quit"<<endl;
            break;
        }
        else 
        {
            cout<<"read errno"<<strerror(errno)<<endl;
            break;
        }
    }
    close(sock);
    return 0;
}
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