单线程 TCP/IP 服务器和客户端的实现

Axyzstra2024-09-12 12:42

单线程 TCP/IP 服务器和客户端的实现

文章目录

参考课程

通信流程

服务端

  1. socket：创建监听的文件描述符(socket) fd；
  2. bind：fd 和自身的 ip 和端口绑定；
  3. listen：为当前文件描述符设置监听，主要是设置客户端连接数量；
  4. accept：阻塞直到客户端请求连接；
    • 若收到客户端请求，那么将会创建一个新的 socket，即用作通信的文件描述符 cfd；此后即可使用 cfd 进行通信；
  5. recv：接收来自客户端的数据；
  6. send：向客户端发生数据；
  7. 结束连接；

客户端

  1. socket：建立通信的文件描述符 fd；注意此处的 fd 和服务器是不同的，该处的 fd 直接用于通信，而服务器中的第一个是用于监听；
  2. connect：设置好服务器的 ip 和端口后使用 connect 建立连接；
  3. send：将数据发送到服务器；
  4. recv：收到服务器发送的数据；
  5. close：结束连接；

代码实现

服务端

  • socket：创建监听的文件描述符(socket) fd；
cpp 复制代码 
// 1. 创建 socket 文件描述符，使用 ipv4 流式协议 TCP
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (fd == -1) {
    perror("socket fail...!\n");
    exit(0);
}
  • bind：fd 和自身的 ip 和端口绑定；

此处首先使用 sockaddr_in 设置 ip 和端口。需要指定协议簇为 IPv4(AF_INET)，端口为 9898，注意此处的 9898 在主机上的存储方式为小端，需要将其转化为网络中的存储方式即大端。因此使用 htons 将主机上的端口转化为网络中的端口；

bind(fd, (struct sockaddr*)&in_addr, sizeof(in_addr)); 是将监听的文件描述符 fd，和本机的 ip 和端口进行绑定；

cpp 复制代码 
// 2. socket 和本机ip 端口绑定
struct sockaddr_in in_addr;
in_addr.sin_family = AF_INET;
// 端口号，短整型，主机转网络
in_addr.sin_port = htons(9898);
// 获取本机 ip 地址
in_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
int ret = bind(fd, (struct sockaddr*)&in_addr, sizeof(in_addr));
if (ret == -1) {
    perror("bind fail...\n");
    exit(0);
}
  • listen：为当前文件描述符设置监听，主要是设置客户端连接数量；
cpp 复制代码 
// 3. 监听客户端
ret = listen(fd, 128);
if (ret == -1) {
    perror("listen fail...\n");
    exit(0);
}
  • accept：阻塞直到客户端请求连接；
    • 若收到客户端请求，那么将会创建一个新的 socket，即用作通信的文件描述符 cfd；此后即可使用 cfd 进行通信；

int cfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &cli_len); 使用 fd 监听客户端请求，若收到请求，将客户端的 ip 和端口信息写入 cli_addr，并创建一个用于通信的文件描述符(socket) cfd；在收到后，打印客户端信息；

此处涉及到 ip 地址的转换；ip 地址的转换有两种需求：

  • 主机给定一个 ip 字符串转换为网络字节序；这是在客户端代码中使用，在后续代码中使用；将字符串 src 转为字节序的 ip 地址存入 dst 中；
cpp 复制代码 
int inet_pton(int af, const char *src, void *dst);
  • 将网络中的字节序转换为字符串；即在本处使用；将字节序的 ip 地址转换为字符串存入 dst 中；
cpp 复制代码 
const char *inet_ntop(int af, const void *src, char *dst, socklen_t size);
cpp 复制代码 
// 4. 阻塞等待客户端连接
struct sockaddr_in cli_addr;
int cli_len = sizeof(cli_addr);
int cfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &cli_len);
if (cfd == -1) {
    perror("accept fail...\n");
    exit(0);
}
// 打印客户端信息
char ip[20] = {0};
printf("客户端 IP 地址为：%s，端口号为 %d\n",
        inet_ntop(AF_INET, &cli_addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)),
       	ntohs(cli_addr.sin_port));

  • recv：接收来自客户端的数据；

  • send：向客户端发生数据；

定义缓冲区 buff 用于存放接收到的数据和放置需要发送的数据；注意此处是使用通信文件描述符 cfd 用于通信；recv(cfd, buff, sizeof(buff), 0) 使用套接字 cfd 进行通信，将接收到的数据放入 buff 中；

send(cfd, buff, size, 0); 是将需要发送的数据放入 buff 中进行发送；

cpp 复制代码 
// 接收数据的缓冲区
char buff[1024];
memset(buff, 0, sizeof(buff));
int size = recv(cfd, buff, sizeof(buff), 0);
if (size > 0) {
    printf("client say: %s\n", buff);
    send(cfd, buff, size, 0);
} else if (size == 0) { 
    printf("客户端断开了连接...\n");
    break;
} else {
    perror("read fail...\n");
    break;
}
  • 结束连接；
cpp 复制代码 
close(fd);
close(cfd);

整体代码：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

int main () {
    // 1. 创建 socket 文件描述符，使用 ipv4 流式协议 TCP
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (fd == -1) {
        perror("socket fail...!\n");
        exit(0);
    }
    // 2. socket 和本机ip 端口绑定
    struct sockaddr_in in_addr;
    in_addr.sin_family = AF_INET;
    // 端口号，短整型，主机转网络
    in_addr.sin_port = htons(9898);
    // 获取本机 ip 地址
    in_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    int ret = bind(fd, (struct sockaddr*)&in_addr, sizeof(in_addr));
    if (ret == -1) {
        perror("bind fail...\n");
        exit(0);
    }
    // 3. 监听客户端
    ret = listen(fd, 128);
    if (ret == -1) {
        perror("listen fail...\n");
        exit(0);
    }

    // 4. 阻塞等待客户端连接
    struct sockaddr_in cli_addr;
    int cli_len = sizeof(cli_addr);
    int cfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &cli_len);
    if (cfd == -1) {
        perror("accept fail...\n");
        exit(0);
    }
    // 打印客户端信息
    char ip[20] = {0};
    printf("客户端 IP 地址为：%s，端口号为 %d\n",
            inet_ntop(AF_INET, &cli_addr.sin_addr.s_addr, ip, sizeof(ip)), ntohs(cli_addr.sin_port));
    
    // 5. 和客户端通信
    while (1) {
        // 接收数据的缓冲区
        char buff[1024];
        memset(buff, 0, sizeof(buff));
        int size = recv(cfd, buff, sizeof(buff), 0);
        if (size > 0) {
            printf("client say: %s\n", buff);
            send(cfd, buff, size, 0);
        } else if (size == 0) { 
            printf("客户端断开了连接...\n");
            break;
        } else {
            perror("read fail...\n");
            break;
        }
    }
    close(fd);
    close(cfd);
    return 0;
}

客户端

  • socket：建立通信的文件描述符 fd；注意此处的 fd 和服务器是不同的，该处的 fd 直接用于通信，而服务器中的第一个是用于监听；

fd 直接用于通信；

cpp 复制代码 
// 1. 创建 socket 文件描述符，使用 ipv4 流式协议 TCP
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (fd == -1) {
    perror("socket fail...!\n");
    exit(0);
}
  • connect：设置好服务器的 ip 和端口后使用 connect 建立连接；

指定服务器地址，并将字符串转换为网络中的字节序 ip；使用 fd 与服务器建立连接；服务器全部信息由 in_addr 给定；

cpp 复制代码 
struct sockaddr_in in_addr;
in_addr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &in_addr.sin_addr.s_addr);
in_addr.sin_port = htons(9898);
int ret = connect(fd, (struct sockaddr*)&in_addr, sizeof(in_addr));
if (ret == -1) {
    perror("connet fail...\n");
    exit(0);
}

  • send：将数据发送到服务器；

  • recv：收到服务器发送的数据；

此处和服务器一致，不再赘述；

cpp 复制代码 
char buff[1024];
sprintf(buff, "你好服务器...%d\n", number++);
send(fd, buff, strlen(buff) + 1, 0);
memset(buff, 0, sizeof(buff));
int size = recv(fd, buff, sizeof(buff), 0);
if (size > 0) {
    printf("server say: %s\n", buff);
} else if(size == 0) {
    printf("服务器断开连接\n");
    break;
} else {
    perror("read fail...\n");
    break;
}
sleep(1);
  • close：结束连接；
cpp 复制代码 
close(fd);

整体代码：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>


int main () {
    // 1. 创建 socket 文件描述符，使用 ipv4 流式协议 TCP
    int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (fd == -1) {
        perror("socket fail...!\n");
        exit(0);
    }
    
    struct sockaddr_in in_addr;
    in_addr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "124.223.59.159", &in_addr.sin_addr.s_addr);
    in_addr.sin_port = htons(9898);
    int ret = connect(fd, (struct sockaddr*)&in_addr, sizeof(in_addr));
    if (ret == -1) {
        perror("connet fail...\n");
        exit(0);
    }


    // 3. 和服务端通信
    int number = 0;
    while (1) {
        // 接收数据的缓冲区
        char buff[1024];
        sprintf(buff, "你好服务器...%d\n", number++);
        send(fd, buff, strlen(buff) + 1, 0);
        memset(buff, 0, sizeof(buff));
        int size = recv(fd, buff, sizeof(buff), 0);
        if (size > 0) {
            printf("server say: %s\n", buff);
        } else if(size == 0) {
            printf("服务器断开连接\n");
            break;
        } else {
            perror("read fail...\n");
            break;
        }
        sleep(1);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

运行结果

多线程服务端的实现

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