【Linux】一篇文章搞定 CPP模拟实现TCP协议下socket通信

旧城等待， 2023-01-07 07:12 119阅读 0赞

### CPP模拟实现TCP协议下socket通信 ###

*  1. TCP 编程流程图
 *  2. 数据收发阶段使用的API
 *   *  2.1 send接口
     *  2.2 recv接口
 *  3. 两个队列
 *  4. 总结TCP 编程双端流程
 *  5. 单线程：TCP协议下 单客户端与单服务端 socket通信
 *   *  5.1 客户端代码
     *  5.2 服务端代码
     *  5.3 两个终端交互演示
     *  5.4 尝试多客户端连接发现问题
 *  6. 多进程：TCP协议下 多客户端与单服务端 socket通信
 *   *  6.1 客户端代码
     *  6.2 服务端代码
     *  6.3 三个终端交互演示
 *  7. 多线程：TCP协议下 多客户端与单服务端 socket通信
 *   *  7.1 客户端代码
     *  7.2 服务端代码
     *  7.3 三个终端交互演示

# 1. TCP 编程流程图 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# 2. 数据收发阶段使用的API #

#include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    
    int send(int s, const void *msg, size_t len, int flags);
    ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

## 2.1 send接口 ##

int send(int sockfd, const void *msg, size_t len, int flags);

*  sockfd：**客户端**调用则填入客户端创建出来的套接字描述符；**服务端**调用则填入服务端创建出来的**用于数据收发**的套接字描述符
 *  msg：待发送的数据
 *  len：待发送的数据的长度
 *  flags：填入0表示`阻塞发送`

返回值：小于0表示失败

## 2.2 recv接口 ##

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

*  sockfd：**客户端**调用则填入客户端创建出来的套接字描述符；**服务端**调用则填入服务端创建出来的**用于数据收发**的套接字描述符
 *  buf：接收数据的缓冲区
 *  len：缓冲区的最大接受数据长度
 *  flags：填入0表示`阻塞接收`

返回值：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>返回值ssize_t</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>&lt;0</td> 
   <td>接收失败</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>=0</td> 
   <td><code>对端关闭连接</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&gt;0</td> 
   <td>接收了多少个字节数据</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 3. 两个队列 #

*  TCP编程中有两个队列：`未完成连接队列`和`已完成连接队列`
 *  未完成连接队列：保存目前`正在处于`**三次握手**之中的连接
 *  已完成连接队列：保存的是`已经完成`三次握手的连接

# 4. 总结TCP 编程双端流程 #

![在这里插入图片描述][20210115221515418.png]

# 5. 单线程：TCP协议下 单客户端与单服务端 socket通信 #

## 5.1 客户端代码 ##

#include <stdio.h> 
    #include <unistd.h>
    #include <string.h>
    #include <iostream>
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    using namespace std;
    
    int main()
    { 
        // 1. 创建套接字
        int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);
        if(sockfd < 0)
        { 
            perror("socket");
            return -1;
        }
    
        // 2. 发起连接
        struct sockaddr_in addr;
        addr.sin_family = AF_INET;
        addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.153.128");
        addr.sin_port = htons(19999);
        int ret = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
        if(ret < 0)
        { 
            perror("connect");
            return -1;
        }
    
        while(1)
        { 
            // 3. 发送数据
            string s;
            cout<<"You want to say:";
            fflush(stdout);
            getline(cin,s);
            ret = send(sockfd, s.c_str(),s.size(),0);
            if(ret < 0)
            { 
                perror("send");
                continue;
            }
    
            // 4. 接受数据
            char buf[1024] = { 0};
            ret = recv(sockfd, buf,strlen(buf)-1,0);
            if(ret < 0)
            { 
                perror("recv");
                continue;
            }
            else if(ret == 0)
            { 
                printf(" server shutdown!\n");
                break;
            }
            cout << "server say:" << buf << endl;
        }
    
    
        // 5. 关闭套接字
        close(sockfd);
    
        return 0;
    }

## 5.2 服务端代码 ##

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <string.h>
    #include <string> 
    #include <iostream>
    using namespace std;
    
    int main()
    { 
        // 1. 创建套接字
        //创建一个使用流式套接字+IPv4的套接字
        int listen_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
        if(listen_sockfd < 0)
        { 
            perror("socket");
            return -1;
        }
    
        // 2. 绑定地址信息 
        char ip_str[] = "192.168.153.128";
        uint32_t ip = inet_addr(ip_str);
        uint16_t port = htons(19999);
        struct sockaddr_in addr;
        addr.sin_family = AF_INET;
        addr.sin_addr.s_addr = ip;
        addr.sin_port = port;
        int ret = bind(listen_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
        if(ret < 0)
        { 
            perror("bind");
            return -1;
        }
    
        // 3. 监听：告诉内核已经准备好可以接受连接啦
        ret = listen(listen_sockfd, 1);
        if(ret < 0)
        { 
            perror("listen");
            return -1;
        }
    
        // 4.接受连接 
        int new_sockfd = accept(listen_sockfd, NULL, NULL);
        if(new_sockfd < 0)
        { 
            perror("accept");
            return -1;
        }
    
        while(1)
        { 
            // 5. 接收数据
            char buf[1024] = {  0 };
            ret = recv(new_sockfd, buf, strlen(buf) - 1, 0);
            if(ret < 0)
            { 
                perror("recv");
                continue;
            }
            else if(ret == 0)
            { 
                // 若客户端已经关闭连接，则需要关闭用于数据收发的套接字
                printf(" client shutdown !\n");
                close(new_sockfd);
                break;
            }
            cout << "client say:" << buf << endl;
    
            // 6. 发送数据
            string s;
            cout << "you want to say:";
            getline(cin,s);
            ret = send(new_sockfd,s.c_str(),s.size(),0);
            if(ret < 0)
            { 
                perror("send");
                continue;
            }
        }
    
        // 7. 关闭监听套接字
        close(listen_sockfd);
    
        return 0;
    }

## 5.3 两个终端交互演示 ##

[gongruiyang@localhost client]$ g++ cli.cpp -o client
    [gongruiyang@localhost client]$ ./client 
    You want to say:hello Server!
    server say:hello Client!
    You want to say:Bye~
    server say:Bye~
    You want to say:^C

## 5.4 尝试多客户端连接发现问题 ##

*  再启动一个客户端，尝试连接正在运行的服务端，发现不能与服务端正常通信
 *  原因分析：是因为我们accept到一个连接请求后，一直在while中循环接收与发送数据，没有继续调用accept，导致不能接收新的连接请求
 *  所以当前的这个TCP，是无法处理多个连接的
 *  解决方法：在服务端使用`多线程`或`多线程`来处理

# 6. 多进程：TCP协议下 多客户端与单服务端 socket通信 #

## 6.1 客户端代码 ##

## 6.2 服务端代码 ##

#include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    
    #include <iostream>
    #include <string>
    using namespace std;
    
    #include <signal.h>
    #include <wait.h>
    
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    
    void signal_handler(int signum)
    { 
        wait(NULL);
    }
    
    int main()
    { 
        // 1. 创建套接字
        //创建一个使用流式套接字+IPv4的套接字
        int listen_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
        if(listen_sockfd < 0)
        { 
            perror("socket");
            return -1;
        }
    
        // 2. 绑定地址信息 
        char ip_str[] = "192.168.153.128";
        uint32_t ip = inet_addr(ip_str);
        uint16_t port = htons(19999);
        struct sockaddr_in addr;
        addr.sin_family = AF_INET;
        addr.sin_addr.s_addr = ip;
        addr.sin_port = port;
        int ret = bind(listen_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
        if(ret < 0)
        { 
            perror("bind");
            return -1;
        }
    
        // 3. 监听：告诉内核已经准备好可以接受连接啦
        ret = listen(listen_sockfd, 1);
        if(ret < 0)
        { 
            perror("listen");
            return -1;
        }
    
        // 为了防止子进程退出后产生僵尸进程，需要处理子进程发出的SIGCHLD信号
        signal(SIGCHLD,signal_handler);
    
        while(1)
        { 
            int new_sockfd = accept(listen_sockfd, NULL, NULL);
            if(new_sockfd < 0)
            { 
                perror("accept");
                continue;
            }
    
            // 4.接受连接 
            //接收到了新连接，需要创建子进程去处理
            pid_t pid = fork();
            if(pid < 0)
            { 
                perror("fork");
                continue;
            }
            else if (pid == 0)
            { 
                close(listen_sockfd);
                while(1)
                { 
                    // 5. 接收数据
                    char buf[1024] = {  0 };
                    ret = recv(new_sockfd, buf, strlen(buf) - 1, 0);
                    if(ret < 0)
                    { 
                        perror("recv");
                        continue;
                    }
                    else if(ret == 0)
                    { 
                        // 若客户端已经关闭连接，则需要关闭用于数据收发的套接字
                        printf(" client shutdown !\n");
                        close(new_sockfd);
                        break;
                    }
                    cout << "client say:" << buf << endl;
    
                    // 6. 发送数据
                    string s;
                    cout << "you want to say:";
                    getline(cin,s);
                    ret = send(new_sockfd,s.c_str(),s.size(),0);
                    if(ret < 0)
                    { 
                        perror("send");
                        continue;
                    }
                }
            }
            close(new_sockfd);
        }
    
    
        // 7. 关闭监听套接字
        close(listen_sockfd);
    
        return 0;
    }

## 6.3 三个终端交互演示 ##

> 服务端

[gongruiyang@localhost server]$ ./pro_svr 
    client say:I'm Client1 you want to say:Hello Client1 client say:I'm Client2
    you want to say:Hello Client2
    ^C

> 客户端1

[gongruiyang@localhost client]$ ./client 
    You want to say:I'm Client1
    server say:Hello Client1
    You want to say:1
     server shutdown!

> 客户端2

[gongruiyang@localhost client]$ ./client 
    You want to say:I'm Client2
    server say:Hello Client2
    You want to say:1
     server shutdown!

# 7. 多线程：TCP协议下 多客户端与单服务端 socket通信 #

## 7.1 客户端代码 ##

## 7.2 服务端代码 ##

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <string.h>
    #include <string>
    #include <iostream>
    using namespace std;                                                                                             
    
    #include <pthread.h>
    
    struct SockVal
    { 
        int new_sockfd;
    };
    
    void* work_task(void* arg)
    { 
        pthread_detach(pthread_self());
        SockVal* sv = (SockVal*)arg;
        int new_sockfd = sv->new_sockfd;
    
        while(1)
        { 
            // 5. 接收数据
            char buf[1024] = {  0 };
            int ret = recv(new_sockfd, buf, strlen(buf) - 1, 0);
            if(ret < 0)
            { 
                perror("recv");
                continue;
            }
            else if(ret == 0)
            { 
                // 若客户端已经关闭连接，则需要关闭用于数据收发的套接字
                printf(" client shutdown !\n");
                close(new_sockfd);
                break;
            }
            cout << "client say:" << buf << endl;
    
            // 6. 发送数据
            string s;
            cout << "you want to say:";
            getline(cin,s);
            ret = send(new_sockfd,s.c_str(),s.size(),0);
            if(ret < 0)
            { 
                perror("send");
                continue;
            }
        }
        delete sv;
        return NULL;
    }
    
    int main()
    { 
        // 1. 创建套接字
        //创建一个使用流式套接字+IPv4的套接字
        int listen_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
        if(listen_sockfd < 0)
        { 
            perror("socket");
            return -1;
        }
    
        // 2. 绑定地址信息 
        char ip_str[] = "192.168.153.128";
        uint32_t ip = inet_addr(ip_str);
        uint16_t port = htons(19999);
        struct sockaddr_in addr;
        addr.sin_family = AF_INET;
        addr.sin_addr.s_addr = ip;
        addr.sin_port = port;
        int ret = bind(listen_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
        if(ret < 0)
        { 
            perror("bind");
            return -1;
        }
    
        // 3. 监听：告诉内核已经准备好可以接受连接啦
        ret = listen(listen_sockfd, 1);
        if(ret < 0)
        { 
            perror("listen");
            return -1;
        }
    
        while(1)
        { 
            // 4.接受连接 
            int new_sockfd = accept(listen_sockfd, NULL, NULL);
            if(new_sockfd < 0)
            { 
                perror("accept");
                continue;
            }
            // 使用多线程处理 接受的连接 
            SockVal* sv = new SockVal();
            sv->new_sockfd = new_sockfd;
            pthread_t ptid;
            int ret = pthread_create(&ptid,NULL,work_task,(void*)sv);
            if(ret < 0)
            { 
                perror("pthread_create");
                continue;
            }
        }
    
        // 7. 关闭监听套接字
        close(listen_sockfd);
    
        return 0;
    }

## 7.3 三个终端交互演示 ##

> Server

[gongruiyang@localhost server]$ ./server 
    client say:Hi! I'm ClientA! you want to say:Hi! ClientA! I'm Server!
    client say:Hi! I'm ClientB! you want to say:Hi! ClientB! I'm Server!
    client say:Bye~~~
    you want to say:Bye~~
     client shutdown !
    client say:Bye~~
    you want to say:Bye~~
     client shutdown !
    ^C

> ClientA

[gongruiyang@localhost client]$ ./client 
    You want to say:Hi! I'm ClientA! server say:Hi! ClientA! I'm Server!
    You want to say:Bye~~~
    server say:Bye~~
    You want to say:^C

> ClientB

[gongruiyang@localhost client]$ ./client 
    You want to say:Hi! I'm ClientB! server say:Hi! ClientB! I'm Server!
    You want to say:Bye~~
    server say:Bye~~
    You want to say:^C

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