网络编程套接字（三）之TCP服务器简单实现

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一、服务端TcpServer

1、tcp_server.hpp

2、tcp_server.cc

二、客户端TcpClient

tcp_client.cc

三、服务器和客户端进行通信

四、完整代码

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一、服务端TcpServer

首先我们需要对服务端进行封装。我们需要的成员变量有IP地址，端口号port，以及监听套接字listensock。Tcp服务器实现的一般步骤就是：创建套接字，进行绑定，监听等待连接，获取连接，开始通信服务。下面我们一一讲解。

1、tcp_server.hpp

第一步，创建套接字使用的函数和UDP完全一样，只不过我们需要把socket的第二个参数由基于数据报的SOCK_DGRAM 更改为基于字节流式的SOCK_STREAM，SOCK_STREAM提供的就是一个有序的、可靠的、全双工的、基于连接的流式服务。其他参数和后续步骤完全一样。

第二步，进行绑定时使用的bind函数及其参数设置与UDP完全一样。

第三步，TCP和UDP不一样的地方就是这里了。前面我们知道UDP不是面向连接的，而TCP是面向连接的，所以服务器和客户端之间需要建立连接。而服务器首先需要做的就是进行监听，等待客户端的连接。需要使用listen函数。

NAME       listen - listen for connections on a socketSYNOPSIS       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */       #include <sys/socket.h>       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：监听成功返回0，监听失败返回-1，同时错误码会被设置。

以上三步就是服务器的初始化。

第四步，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。我们需要使用accept函数。

NAME       accept, accept4 - accept a connection on a socketSYNOPSIS       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */       #include <sys/socket.h>       int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数说明：

sockfd：特定的监听套接字，表示从该监听套接字中获取连接。

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：调用时传入期望读取的addr结构体的长度，返回时代表实际读取到的addr结构体的长度，这是一个输入输出型参数。

返回值：获取连接成功返回接收到的套接字的文件描述符，获取连接失败返回-1，同时错误码会被设置。

注意：为什么获取连接成功了还要返回一个新的套接字呢？

类里面的监听套接字：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。

所以说，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。

第五步，我们只要获取到客户端的连接，就可以对客户端进行服务了。

2、tcp_server.cc

与UDP相同，我们需要创建TCP服务器对象，然后对其进行初始化，然后运行。我们也是只需要绑定端口号即可。

二、客户端TcpClient

tcp_client.cc

作为TCP客户端，首先也是需要创建套接字。然后向服务器发起连接，最后就可以开始通信了。和UDP一样，客户端不需要绑定端口号。

客户端向服务器发起连接需要使用connect函数。

NAME       connect - initiate a connection on a socketSYNOPSIS       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */       #include <sys/socket.h>       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：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。

三、服务器和客户端进行通信

首先，我们要知道：对于TCP服务器和客户端，我们也可以使用write函数和read函数进行消息的读取和发送。

我们先写一个服务，实现客户端给服务器发送什么消息，服务器就返回什么消息。

我们先写一个单进程版本的服务。tcp_server.hpp：

#include <iostream>#include <string>#include <cstring>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <cassert>#include <signal.h>static int gmv = 20;static void service(int sock, const std::string &clientip, const uint16_t &clientport){    char buffer[1024];    while (true)    {        ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);        if (s < 0)        {            std::cout << "接收信息失败！" << std::endl;            break;        }        else if (s > 0)        {            buffer[s] = 0;            std::cout << clientip << ":" << clientport << std::endl;        }        else        {            std::cout << "客户端关闭！" << std::endl;            break;        }        write(sock, buffer, strlen(buffer));    }}class TcpServer{public:    TcpServer(const uint16_t port, const std::string &ip = "") : listensock_(-1), ip_(ip), port_(port)    {    }    void initTcpServer()    {        // 1.创建套接字        listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);        if (listensock_ < 0)        {            std::cout << "创建套接字失败！" << std::endl;            exit(0);        }        // 2.进行绑定        struct sockaddr_in src_server;        bzero(&src_server, sizeof(src_server));        src_server.sin_family = AF_INET;        src_server.sin_port = htons(port_);        inet_pton(AF_INET, ip_.c_str(), &src_server);        socklen_t len = sizeof(src_server);        if (bind(listensock_, (struct sockaddr *)&src_server, len) < 0)        {            std::cout << "绑定失败！" << std::endl;            exit(1);        }        // 3.开始监听,等待连接        if (listen(listensock_, gmv) < 0)        {            std::cout << "监听失败！" << std::endl;            exit(2);        }        std::cout << "服务器初始化成功！" << std::endl;    }    void start()    {        //signal(SIGCHLD, SIG_IGN);        while (true)        {            // 4.获取链接            struct sockaddr_in client_sock;            socklen_t len = sizeof(client_sock);            int serversock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&client_sock, &len);            if (serversock < 0)            {                std::cout << "获取链接失败！" << std::endl;                exit(3);            }            // 5.开始通信服务            uint16_t client_port = ntohs(client_sock.sin_port);            std::string client_ip = inet_ntoa(client_sock.sin_addr);            std::cout << "[" << client_port << "-" << client_ip << "]" << std::endl;            //version 1：单进程版服务————服务器一次只能处理一个客户端，只有处理完一个，才能处理下一个            service(serversock, client_ip, client_port);        }    }    ~TcpServer()    {        close(listensock_);    }private:    int listensock_;    std::string ip_;    uint16_t port_;};

结果：

上面的结果没有什么问题，那么，如果我们同时有两个客户端访问服务器，会发生什么呢？

因为我们目前所写的是一个单执行流版的服务器，这个服务器一次只能为一个客户端提供服务。所以我们发现，当其中一个客户端在和服务器进行通信的时候，另一个客户端并不能与服务器通信，也就是说服务器在某一时刻只能向一个客户端提供服务，只有对一个客户端提供服务完成后，才能对下一个服务器提供服务。

很显然，这种提供服务的方式是不符合实际的，一个服务器应该要能够同时给多个客户端提供服务。所以我们需要改进代码。

多进程服务版本：既然单进程不符合实际，那么我们最先想到的就是使用多进程——创建子进程给新的连接提供服务，父进程去继续获取新的连接。

#include <iostream>#include <string>#include <cstring>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <cassert>#include <signal.h>static int gmv = 20;static void service(int sock, const std::string &clientip, const uint16_t &clientport){    char buffer[1024];    while (true)    {        ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);        if (s < 0)        {            std::cout << "接收信息失败！" << std::endl;            break;        }        else if (s > 0)        {            buffer[s] = 0;            std::cout << clientip << ":" << clientport << std::endl;        }        else        {            std::cout << "客户端关闭！" << std::endl;            break;        }        write(sock, buffer, strlen(buffer));    }}class TcpServer{public:    TcpServer(const uint16_t port, const std::string &ip = "") : listensock_(-1), ip_(ip), port_(port)    {    }    void initTcpServer()    {        // 1.创建套接字        listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);        if (listensock_ < 0)        {            std::cout << "创建套接字失败！" << std::endl;            exit(0);        }        // 2.进行绑定        struct sockaddr_in src_server;        bzero(&src_server, sizeof(src_server));        src_server.sin_family = AF_INET;        src_server.sin_port = htons(port_);        inet_pton(AF_INET, ip_.c_str(), &src_server);        socklen_t len = sizeof(src_server);        if (bind(listensock_, (struct sockaddr *)&src_server, len) < 0)        {            std::cout << "绑定失败！" << std::endl;            exit(1);        }        // 3.开始监听,等待连接        if (listen(listensock_, gmv) < 0)        {            std::cout << "监听失败！" << std::endl;            exit(2);        }        std::cout << "服务器初始化成功！" << std::endl;    }    void start()    {        signal(SIGCHLD, SIG_IGN);        while (true)        {            // 4.获取链接            struct sockaddr_in client_sock;            socklen_t len = sizeof(client_sock);            int serversock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&client_sock, &len);            if (serversock < 0)            {                std::cout << "获取链接失败！" << std::endl;                exit(3);            }            // 5.开始通信服务            uint16_t client_port = ntohs(client_sock.sin_port);            std::string client_ip = inet_ntoa(client_sock.sin_addr);            std::cout << "[" << client_port << "-" << client_ip << "]" << std::endl;            // version 2.0：多进程版本——创建子进程给新的连接提供服务，父进程去继续获取新的连接            pid_t id = fork();            assert(id != -1);            if (id == 0)            {                // child 并且注意僵尸状态                // child会继承父进程打开的文件及其fd，子进程不需要进行监听的套接字，关闭                close(listensock_);                //子进程只需要给连接客户端提供服务的套接字                service(serversock, client_ip, client_port);                exit(0);            }             close(serversock);        }    }    ~TcpServer()    {        close(listensock_);    }private:    int listensock_;    std::string ip_;    uint16_t port_;};

结果：

这种方法可以解决问题。

当然，我们还有如下的多进程版本：

​#include <iostream>#include <string>#include <cstring>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <cassert>#include <signal.h>static int gmv = 20;static void service(int sock, const std::string &clientip, const uint16_t &clientport){    char buffer[1024];    while (true)    {        ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);        if (s < 0)        {            std::cout << "接收信息失败！" << std::endl;            break;        }        else if (s > 0)        {            buffer[s] = 0;            std::cout << clientip << ":" << clientport << std::endl;        }        else        {            std::cout << "客户端关闭！" << std::endl;            break;        }        write(sock, buffer, strlen(buffer));    }}class TcpServer{public:    TcpServer(const uint16_t port, const std::string &ip = "") : listensock_(-1), ip_(ip), port_(port)    {    }    void initTcpServer()    {        // 1.创建套接字        listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);        if (listensock_ < 0)        {            std::cout << "创建套接字失败！" << std::endl;            exit(0);        }        // 2.进行绑定        struct sockaddr_in src_server;        bzero(&src_server, sizeof(src_server));        src_server.sin_family = AF_INET;        src_server.sin_port = htons(port_);        inet_pton(AF_INET, ip_.c_str(), &src_server);        socklen_t len = sizeof(src_server);        if (bind(listensock_, (struct sockaddr *)&src_server, len) < 0)        {            std::cout << "绑定失败！" << std::endl;            exit(1);        }        // 3.开始监听,等待连接        if (listen(listensock_, gmv) < 0)        {            std::cout << "监听失败！" << std::endl;            exit(2);        }        std::cout << "服务器初始化成功！" << std::endl;    }    void start()    {        while (true)        {            // 4.获取链接            struct sockaddr_in client_sock;            socklen_t len = sizeof(client_sock);            int serversock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&client_sock, &len);            if (serversock < 0)            {                std::cout << "获取链接失败！" << std::endl;                exit(3);            }            // 5.开始通信服务            uint16_t client_port = ntohs(client_sock.sin_port);            std::string client_ip = inet_ntoa(client_sock.sin_addr);            std::cout << "[" << client_port << "-" << client_ip << "]" << std::endl;            // version 2.1:多进程版            pid_t pid = fork();            if (pid == 0)            {                // 子进程                if (fork() > 0)                    exit(0);                // 孙子进程                close(listensock_);                service(serversock, client_ip, client_port);            }             // 父进程            waitpid(pid, nullptr, 0);            close(serversock);        }    }    ~TcpServer()    {        close(listensock_);    }private:    int listensock_;    std::string ip_;    uint16_t port_;};

我们让子进程创建完孙子进程后立刻退出，此时服务进程（父进程）调用wait/waitpid函数等待子进程就能立刻等待成功，此后服务进程就能继续调用accept函数获取其他客户端的连接请求。

而由于子进程退出，孙子进程就变成孤儿进程，被os领养，最后由os自动回收。 

结果：

多线程版本：我们还可以创建新的线程去对客户端进行服务，让主线程继续获取连接：

#include <iostream>#include <string>#include <cstring>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <cassert>#include <signal.h>static int gmv = 20;static void service(int sock, const std::string &clientip, const uint16_t &clientport){    char buffer[1024];    while (true)    {        ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);        if (s < 0)        {            std::cout << "接收信息失败！" << std::endl;            break;        }        else if (s > 0)        {            buffer[s] = 0;            std::cout << clientip << ":" << clientport << std::endl;        }        else        {            std::cout << "客户端关闭！" << std::endl;            break;        }        write(sock, buffer, strlen(buffer));    }}class threaddata{public:    int sock_;    std::string ip_;    uint16_t port_;};class TcpServer{public:    static void *threadRountine(void *arg)    {        pthread_detach(pthread_self());        threaddata *td = static_cast<threaddata *>(arg);        service(td->sock_, td->ip_, td->port_);        delete td;    }    TcpServer(const uint16_t port, const std::string &ip = "") : listensock_(-1), ip_(ip), port_(port)    {    }    void initTcpServer()    {        // 1.创建套接字        listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);        if (listensock_ < 0)        {            std::cout << "创建套接字失败！" << std::endl;            exit(0);        }        // 2.进行绑定        struct sockaddr_in src_server;        bzero(&src_server, sizeof(src_server));        src_server.sin_family = AF_INET;        src_server.sin_port = htons(port_);        inet_pton(AF_INET, ip_.c_str(), &src_server);        socklen_t len = sizeof(src_server);        if (bind(listensock_, (struct sockaddr *)&src_server, len) < 0)        {            std::cout << "绑定失败！" << std::endl;            exit(1);        }        // 3.开始监听,等待连接        if (listen(listensock_, gmv) < 0)        {            std::cout << "监听失败！" << std::endl;            exit(2);        }        std::cout << "服务器初始化成功！" << std::endl;    }    void start()    {        while (true)        {            // 4.获取链接            struct sockaddr_in client_sock;            socklen_t len = sizeof(client_sock);            int serversock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&client_sock, &len);            if (serversock < 0)            {                std::cout << "获取链接失败！" << std::endl;                exit(3);            }            // 5.开始通信服务            uint16_t client_port = ntohs(client_sock.sin_port);            std::string client_ip = inet_ntoa(client_sock.sin_addr);            std::cout << "[" << client_port << "-" << client_ip << "]" << std::endl;            // version 3——多线程版本            pthread_t tid;            threaddata *td = new threaddata();            td->sock_ = serversock;            td->ip_ = client_ip;            td->port_ = client_port;            pthread_create(&tid, nullptr, threadRountine, td);        }    }    ~TcpServer()    {        close(listensock_);    }private:    int listensock_;    std::string ip_;    uint16_t port_;};

 

四、完整代码

tcp_server.hpp

#include <iostream>#include <string>#include <cstring>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <cassert>#include <signal.h>static int gmv = 20;static void service(int sock, const std::string &clientip, const uint16_t &clientport){    char buffer[1024];    while (true)    {        ssize_t s = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);        if (s < 0)        {            std::cout << "接收信息失败！" << std::endl;            break;        }        else if (s > 0)        {            buffer[s] = 0;            std::cout << clientip << ":" << clientport << std::endl;        }        else        {            std::cout << "客户端关闭！" << std::endl;        }        write(sock, buffer, strlen(buffer));    }}class threaddata{public:    int sock_;    std::string ip_;    uint16_t port_;};class TcpServer{public:    static void *threadRountine(void *arg)    {        pthread_detach(pthread_self());        threaddata *td = static_cast<threaddata *>(arg);        service(td->sock_, td->ip_, td->port_);        delete td;    }    TcpServer(const uint16_t port, const std::string &ip = "") : listensock_(-1), ip_(ip), port_(port)    {    }    void initTcpServer()    {        // 1.创建套接字        listensock_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);        if (listensock_ < 0)        {            std::cout << "创建套接字失败！" << std::endl;            exit(0);        }        // 2.进行绑定        struct sockaddr_in src_server;        bzero(&src_server, sizeof(src_server));        src_server.sin_family = AF_INET;        src_server.sin_port = htons(port_);        inet_pton(AF_INET, ip_.c_str(), &src_server);        socklen_t len = sizeof(src_server);        if (bind(listensock_, (struct sockaddr *)&src_server, len) < 0)        {            std::cout << "绑定失败！" << std::endl;            exit(1);        }        // 3.开始监听,等待连接        if (listen(listensock_, gmv) < 0)        {            std::cout << "监听失败！" << std::endl;            exit(2);        }        std::cout << "服务器初始化成功！" << std::endl;    }    void start()    {        signal(SIGCHLD, SIG_IGN);        while (true)        {            // 4.获取链接            struct sockaddr_in client_sock;            socklen_t len = sizeof(client_sock);            int serversock = accept(listensock_, (struct sockaddr *)&client_sock, &len);            if (serversock < 0)            {                std::cout << "获取链接失败！" << std::endl;                exit(3);            }            // 5.开始通信服务            uint16_t client_port = ntohs(client_sock.sin_port);            std::string client_ip = inet_ntoa(client_sock.sin_addr);            std::cout << "[" << client_port << "-" << client_ip << "]" << std::endl;            // version 1：单进程版服务————服务器一次只能处理一个客户端，只有处理完一个，才能处理下一个            // service(serversock, client_ip, client_port);            // version 2.0：多进程版本——创建子进程给新的连接提供服务，父进程去继续获取新的连接            /* pid_t id = fork();            assert(id != -1);            if (id == 0)            {                // child 并且注意僵尸状态                // child会继承父进程打开的文件及其fd，子进程不需要进行监听的套接字，关闭                close(listensock_);                //子进程只需要给连接客户端提供服务的套接字                service(serversock, client_ip, client_port);                exit(0);            } */            /* // version 2.1:多进程版            pid_t pid = fork();            if (pid == 0)            {                // 子进程                if (fork() > 0)                    exit(0);                // 孙子进程                close(listensock_);                service(serversock, client_ip, client_port);            }            // 父进程            waitpid(pid, nullptr, 0); */            // version 3——多线程版本            pthread_t tid;            threaddata *td = new threaddata();            td->sock_ = serversock;            td->ip_ = client_ip;            td->port_ = client_port;            pthread_create(&tid, nullptr, threadRountine, td);            close(serversock);        }    }    ~TcpServer()    {        close(listensock_);    }private:    int listensock_;    std::string ip_;    uint16_t port_;};

tcp_server.cc

#include "tcp_server.hpp"#include <memory>static void usage(std::string proc){    std::cout << "\n"              << proc << " port"              << std::endl;}// ./tcpserver 8080int main(int argc, char *argv[]){    if (argc != 2)    {        usage(argv[0]);        exit(0);    }    uint16_t server_port=atoi(argv[1]);    std::unique_ptr<TcpServer> sev(new TcpServer(server_port));    sev->initTcpServer();    sev->start();    return 0;}

tcp_client.cc 

#include <iostream>#include <sys/types.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>static void usage(std::string proc){    std::cout << "\n"              << proc << " port"              << std::endl;}// ./tcpclient IP portint main(int argc, char *argv[]){    if (argc != 3)    {        usage(argv[0]);        exit(1);    }    std::string server_ip = argv[1];    uint16_t server_port = atoi(argv[2]);    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);    if (sock < 0)    {        std::cout << "创建套接字失败！" << std::endl;        exit(0);    }    struct sockaddr_in server;    memset(&server, 0, sizeof server);    server.sin_family = AF_INET;    server.sin_port = htons(server_port);    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str());    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&server, sizeof server) < 0)    {        std::cout << "连接失败！" << std::endl;        exit(0);    }    // 开始通信    while (true)    {        std::string line;        std::cout << "请输入# ";        std::getline(std::cin, line);        ssize_t s = write(sock, line.c_str(), line.size());        char buffer[1024];        ssize_t m = read(sock, buffer, sizeof buffer - 1);        buffer[m] = 0;        std::cout << "服务器：" << buffer << std::endl;    }    return 0;}

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