【Linux进阶之路】Socket —— “UDP“ “TCP“

news2024/12/22 12:54:55

文章目录

  • 一、再识网络
    • 1. 端口号
    • 2. 网络字节序列
    • 3.TCP 与 UDP
  • 二、套接字
    • 1.sockaddr结构
    • 2.UDP
      • 1.server端
        • 1.1 构造函数
        • 1.2 Init
        • 1.3 Run
      • 2.客户端
        • 1.Linux
        • 2.Windows
    • 3.TCP
      • 1. 基本接口
      • 2. 客户端
      • 3. 服务端
        • 1.版本1
        • 2.版本2
        • 3.版本3
        • 4.版本4
  • 三、守护进程
  • 尾序

一、再识网络

1. 端口号

 在上文我们大致理解了，网络传输的基本流程和相关概念，知道ip地址可以标识唯一的一台主机，但是主机获取到信息的最终目的是为了呈现给上层的用户，即我们所熟知的抖音等APP，既然有很多的APP，具体给哪一个APP呢？

  • 说明：
  1. APP，具体指的是运行起来的程序，即一个一个的进程。
  2. 网络通信的本质是进程之间借助网卡(共享资源)进行通信。
  • 概念
  • 端口号：
  1. 指的是用于标记进程或者服务的逻辑地址。
  2. 范围为0 到 65535，分有大致三类：
  1. 系统端口：系统端口范围是从 0 到 1023，这些端口通常被一些众所周知的网络服务占用，比如 HTTP（端口 80）、HTTPS（端口 443）、FTP（端口 21）、SSH（端口 22）等。通常需要root权限才能够进行使用。
  2. 注册端口：注册端口范围是从 1024 到 49151，这一范围的端口通常被一些应用程序或服务占用。普通用户也可进行使用。
  3. 动态/私有端口：动态/私有端口范围是从 49152 到 65535，也被称为私有端口或暂时端口。这些端口通常被客户端应用程序使用，用于临时通信。

疑问：既然进程的pid能标识唯一的进程，那为什么直接捡现成的用呢？

答： 进程pid VS 端口号:

  • 从概念上看：
  1. pid：操作系统管理进程使用。
  2. 端口号：网络通信以及为应用程序提供服务。
  3. 两者实现的解耦合的关系。
  • 从使用形式上看：
  1. pid: 进程创建时才拥有。
  2. 端口号：固定一段范围，0 到 65535。
  • 从用法来看：
  1. pid: 一个进程只能有一个pid。
  2. 端口号：一个进程能有多个端口号，为用户提供不同的服务。
  3. 联系：pid和端口号都是只能对应一个进程。且通过端口号可找到进程pid，从而找到进程。
  • 总结：
  1. 通过IP地址标识唯一的一台主机。
  2. 通过端口号标识唯一的一个进程。
  3. 进而我们可以实现网络之间的通信。

拓展：在实际进行通信的过程中，一般是由客户端访问服务器，由服务器再提供对应的服务。

  • 说明：
  1. 客户端要想访问服务器，首先得知道服务器的ip地址和对应服务的端口号。这些工作早已经由开发人员做好，因此无需担心。
  2. 服务器的ip地址和端口号一般是不能发生变化的，否则客户端就无法访问。因为客户端的载入的服务器的端口号和ip一般是固定的。
  3. 客户端的端口号是动态变化的。这是因为多个app的开发厂商并不互通，因此可能存在端口号冲突的现象，因此要动态绑定端口号，而且这样做更加灵活，安全，高效。
  4. 服务器要对大量用户提供服务，而且用户的IP地址是随机变化的，这也间接的导致了，服务器要在"客户端做一些手脚", 即固定服务器的ip地址和端口号。

2. 网络字节序列

 关于数据用大端还是用小端，就跟鸡蛋先吃大头还是先吃小头一样，没有实际的争论意义，因此我们看到电脑既有大端机，也有小端机。

在这里插入图片描述

  • 说明：big - endian 为大端机的数据，little - endian为小端机的数据。
  • 速记：大同小异反着记——大 “异” 小 “同”。

  • 但是网络里面传输数据，不可能即传输大端数据也传输小端，因此规定统一在网络里面传输大端数据，到对应的主机里面再进行统一的转换，大端不用变，小端再转换一下即可。

  • 相关的接口：

#include <arpa/inet.h>

uint32_t htonl(uint32_t hostlong);

uint16_t htons(uint16_t hostshort);

uint32_t ntohl(uint32_t netlong);

uint16_t ntohs(uint16_t netshort);
  • 速记：h(host) to n(net) l(long)，即将long类型的数据从主机转网络。其余类似。

3.TCP 与 UDP

传输方式：

  • TCP：面向字节流。
  • UDP：面向数据报。

这是最本质的差别，下面我们就这两点进行分析：

  • 面向字节流
  1. 将数据视为连续的字节流进行传输和处理。发送方将数据拆分为字节流并逐个发送，接收方按照接收到的顺序重新组装数据。
  2. 提供了可靠的传输，保证数据按顺序、无差错地传输。它使用基于确认和重传的机制来确保数据的可靠性。
  3. 基于连接的通信方式，需要在发送方和接收方之间建立一个持久的连接。连接的建立和维护需要一定的开销，但可以确保数据的有序传输。
  4. 适用于需要可靠传输和有序性的应用，如文件传输、视频流传输等。

总结：TCP协议，面向字节流，因此可靠，有连接。适合文件和视频等信息的传输。

  • 面向数据报
  1. 将数据划分为独立的数据，即数据报，每个数据报都携带了完整的信息，可以独立地发送和接收。
  2. 不保证数据的可靠性，每个数据报都是独立传输的，可能会发生丢失、重复或乱序。
  3. 无连接的通信方式，每个数据报都是独立的，不需要事先建立连接。
  4. 对实时性要求较高的应用，如实时音频、视频通信等，因为它可以提供更低的延迟。

总结：UDP协议，面向数据报，因此不可靠，无连接。适用于对实时性要求高的应用。

  • 说明：这里的可靠和不可靠是一个中性词。不可靠意味着较低的成本，实现更加简单，可靠意味着实现需要较大的代价。因此没有谁好谁坏。

下面我们实现是更为简单的UDP套接字。

  • 在开始之前我们先来解决一个前置问题，主要是服务器的端口问题，一般默认有些端口是禁掉的，不能用于网络之间的通信，因此我们需要开放一些端口供我们之间通信使用。
  • 实现步骤：
  1. 登录所在云服务的官网。(我的是阿里云的)
  2. 点击控制台。
  3. 点击云服务器ESC/轻量级服务器/云服务器，找到对应的云服务器。(我的是轻量级云服务器)
  4. 如果是云服务器ESC/服务器就找到安全组，点击安全组ID进行编辑即可。如果是轻量级服务器就在服务器一栏找到实例id点击，再点击防火墙进行编辑即可。
  • 具体步骤——阿里云轻量级云服务器
    • 第一步：
      在这里插入图片描述
    • 第二步：
      在这里插入图片描述
    • 第三步：
      在这里插入图片描述
    • 第四步：
      在这里插入图片描述

二、套接字

1.sockaddr结构

  • 这是一层抽象化的结构，设计之初是为了统一网络套接字的接口使用，是一套通用的网络套接字，而对应的具体的套接字有 网络套接字 与 域间套接字。

图解：
在这里插入图片描述

  • 类似多态的思想，即从抽象到具体。在使用过程中我们可以通过传入通用的套接字类型，并且指定对应的套接字大小，从而说明其对应的具体类型，也就是我们说的多态。

  • 我们实现的是网络编程，使用的是：struct sockaddr_in。

  • 具体结构：
    在这里插入图片描述
  1. sin_family_t sin_family; 所属家族协议类型，一般设置为AF_INT/PF_INT，即ipv4类型的协议。
  2. in_port_t sin_port; 端口号。
  3. struct in_addr sin_addr; ip地址。
  • 注意：端口号和ip地址的数据都为网络序列。

2.UDP

  • Log.hpp(记录日志信息)
#pragma once
#include<map>
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<stdarg.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<time.h>
using namespace std;
#define SIZE (4096)

//事件的等级
#define EMRGE 1
#define ALERK 2
#define CRIT  3
#define ERRO  4
#define WARNNING 5
#define NOTICE   6
#define INFORE   7
#define DEBUG    8
#define NONE     9

//输出方向
#define DEFAULTFILE 1
#define CLASSFILE 2
#define SCREAN 0
//说明：一般我们在传参时一般都是以宏的方式进行传参的，
//如果需要打印出字符串可以用KV类型进行映射转换。
map<int,string> Mode = {
    {1,"EMERG"},{2,"ALERK"},{3,"CRIT"},
    {4,"ERRO"},{5,"WARNING"},{6,"NOTICE"},
    {7,"INFOR"},{8,"DEBUG"},{9,"NONE"}
};

//分类文件处理的后缀。
map<int,string> file = {
    {1,"emerg"},{2,"alerk"},{3,"crit"},
    {4,"erro"},{5,"warning"},{6,"notice"},
    {7,"infor"},{8,"debug"},{9,"none"}
};
class Log
{
public:
    void operator()(int level,const char* format,...)
    {
        //将输入的字符串信息进行输出。
        va_list arg;
        va_start(arg,format);
        char buf[SIZE];
        vsnprintf(buf,SIZE,format,arg);
        va_end(arg);

        //获取时间
        time_t date = time(NULL);
        struct tm* t = localtime((const time_t *)&date);
        char cur_time[SIZE] = {0};
        snprintf(cur_time,SIZE,"[%d-%d-%d %d:%d:%d]",\
        t->tm_year + 1900,t->tm_mon + 1,
        t->tm_mday,t->tm_hour,t->tm_min,t->tm_sec);

        //输入再进行合并
        string Log = "[" + Mode[level] + "]" + \
        cur_time + string(buf) + "\n";
        
        //处理输出方向
        PrintClassFile(level,where,Log);
    }
    void PrintDefaultFILE(string& file_name,const string& mes)
    {
        int fd = open(file_name.c_str(),O_CREAT | O_WRONLY \
        | O_APPEND,0666);
        write(fd,mes.c_str(),mes.size());
        close(fd);
    }
    //将文件进行分类进行输出。
    void PrintClassFile(int level,int where,const string& mes)
    {
        if(where == SCREAN)
            cout << mes;
        else
        {
            string file_name = "./log.txt";
            if(where == CLASSFILE)
                file_name += ("." + file[level]);
            PrintDefaultFILE(file_name,mes);
        }
    }
    void ReDirect(int wh)
    {
        where = wh;
    }
private:
    int where = SCREAN;
};

说明：在【Linux进阶之路】进程间通信有所提及，具体这个小组件是用来帮助我们显示出日志的时间，等级，出错内容等信息。

1.server端

  • 基本框架：
//所用容器
#include<string>
#include<unordered_map>

//与内存相关的头文件
#include<string.h>
#include<strings.h>

//网络相关的头文件
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h> 

//包装器
#include<functional>

//日志头文件
#include "Log.hpp"

//枚举常量，用于失败退出进程的退出码
enum
{
    SOCKET_CREAT_FAIL = 1,
    SOCKET_BIND_FAIL,
};
class UdpServer
{
public:
    UdpServer(uint16_t port,string ip)
    :_port(port),_ip(ip),_sockfd(0)
    {}
    ~UdpServer()
    {}
    void Init()
    {}
    void Run()
    {}
private:
    int _sockfd;
    string _ip;
    uint16_t _port;
};
1.1 构造函数
  1. 一般我们使用1024以上的端口号即可，此处我们默认使用8080端口。
  2. 云服务器，禁止直接绑定公网ip。
  • . 解决方法——因此我们绑定的时候使用0.0.0.0即任意ip地址绑定即可，即接收所有云服务器地址的发来的信息。
  • . 方法优点——服务可以在服务器上的所有IP地址和网络接口上进行监听，从而提供更广泛的访问范围。
  • 因此在构造函数里，我们给出两个缺省值即可。
//全局定义：
uint16_t default_port = 8080;
string default_string = "0.0.0.0";

//类内
UdpServer(uint16_t port = default_port,string ip = default_string)
:_port(port),_ip(ip),_sockfd(0)
{}
1.2 Init
  1. 创建套接字
  • 接口
//头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
//函数声明：
int socket(int domain, int type, int protocol);
/*
参数：
	1：指定通信域,使用AF_INT即可，即IPV4的ip地址。
	2: SOCKET_DGRAM,即使用的套接字类型，指的是UDP类型的套接字。
	3: 指定协议，一般设为0，根据前两个参数系统会自动选择合适的协议。
返回值：
	1.成功返回对应的文件描述符,网络对应的是网卡文件。
	2.失败返回-1。

*/
  1. 绑定套接字
  • 接口：
//头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
//函数声明：
int bind(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

/*
参数：
	1.网络的文件描述符。
	2.sockaddr具体对象对应的地址，为输入型参数。
	3.具体对象对应的大小，为输入型参数。
说明：在传参之前，sockaddr对象应初始化完成。

返回值：
	1.成功返回 0。
	2.失败返回 -1，并设置合适的错误码。
*/
  • 说明：在传入sockaddr具体对象对应的地址时，需要再强转为sockaddr*类型的，因为也传进去了具体对象的大小，所以内部会再识别出具体的对象，再进行处理。

  • 这里的IP地址的形式为字符串类型的，便于用户进行识别，而在网络当中是usiged int 类型的，中间需要转换一下。

  • 实现代码：

#include<string>
#include<iostream>
using std::string;
using std::cout;
using std::endl;

struct StrToIp
{
	unsigned int str_to_ip(const string& str)
	{
		int ssz = str.size();
		int begin = 0;
		int index = 3;
		for (int i = 0; i <= ssz; i++)
		{
			if (str[i] == '.' || i == ssz)
			{
				string tmp = str.substr(begin,i);
				begin = i + 1;
				unsigned char n = stoi(tmp);
				if (index < 0) return 0;
				part[index--] = n;
			}
		}
		//auto p = (unsigned char*)&ip;
		//for (int i = 0; i < 4; i++)
		//{
		//	*(p + i) = part[i];
		//}
		//return ip;

		return *((unsigned int*)part);
	}
	unsigned char part[4] = { 0 };

	//unsigned int ip = 0;

};

int main()
{
	StrToIp s;
	cout << s.str_to_ip("59.110.171.160") << endl;
	return 0;
}
  1. 我们将字符串分为四部分，然后转换为char类型的四个变量，存储即可。
  2. 这四个部分我们存放在数组或者单独存都可以，这里我采用数组便于操作。
  3. 如果为数组，具体转换为int变量时，应注意四个部分的存储顺序。
  • 运行结果：

在这里插入图片描述

  • 说明：
  1. 我所在的机器为小端机，数据是低位放在低地址处，所以应该倒着存每一段。
  2. 如果为大端机，数据是高位放在低地址处，所以应该正着存每一段。
  3. 最后强转取数据即可。
  • 补充： 指针指向的是对象的低地址处。

在实际编程的过程中，相应的接口已经准备好，不需要手动的写，但相应的原理还是要清楚的。

  • 字符串转地址的网络序列接口：
//头文件
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);

/*
参数：
	1.转化的ip地址的字符串。
	2.输出型参数，in_addr的变量。
返回值：
	1.成功返回非零值，通常为1.
	2.失败返回零值。
*/
in_addr_t inet_addr(const char *cp);
/*
参数：
	1.转化的ip地址的字符串。
返回值：
	1.成功返回对应的ip值。
	2.失败返回INADDR_NONE，其定义为 (in_addr_t) -1。
*/
  • 主机ip地址转字符串的接口：
//头文件
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
char *inet_ntoa(struct in_addr in);

/*

参数：存放主机序列的ip地址
返回值：字符串形式的ip。

*/
  • 实现代码：
    void Init()
    {
        //1.创建套接字，即创建文件描述符
        _sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
        if(_sockfd < 0)
        {
            lg(CRIT,"socket fail,error message is %s,error \
            number is %d ",strerror(errno),errno);
            exit(SOCKET_CREAT_FAIL);
        }
        lg(INFORE,"socket fd is %d,socket success!",_sockfd);
        //2.绑定套接字
        /*
            注意：主机序列都要转成网络序列。
        */
        
        // 2.1初始化域间套接字
        struct sockaddr_in server_mes;
        bzero(&server_mes,sizeof(server_mes));
        server_mes.sin_family = AF_INET;
        server_mes.sin_port = htons(_port); 
        server_mes.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());
        socklen_t len = sizeof(server_mes);
        
        // server_mes.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;; 
        
        //任意地址转网络序列
        
        // 2.2 绑定域间套接字
        int ret = bind(_sockfd,(const sockaddr*)&server_mes,len);
        if(ret < 0)
        {
            lg(CRIT,"bind fail,error message is %s,\
            error number is %d ",strerror(errno),errno);
            exit(SOCKET_BIND_FAIL);
        }
        lg(INFORE,"ret is %d,bind success!",ret);

    }
1.3 Run
  1. 等待客户发信息

接口

//头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>


ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,
struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

/*
参数:
	1.文件描述符。
	2.缓存区，读取用户发来的信息。
	3.缓存区的大小。
	4.一般使用默认值0即可。
	5.src_addr变量的地址，用于接收用户的网络信息,输出型参数。
	6.addrlen用于接受用户的src_addr具体对象的长度，输入输出型参数。

返回值：
	1.成功，返回接受的字节个数。
	2.连接关闭，返回0。
	3.错误返回-1.设置合适的错误码。
*/
  1. 给客户提供服务

接口：

//头文件:
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen)	
参数:
	1.文件描述符。
	2.缓存区，存放发给用户的信息。
	3.缓存区的大小。
	4.一般使用默认值0即可。
	5.src_addr变量的地址，用于存放用户的网络信息。
	6.addrlen用于存放用户的src_addr具体对象的长度。

返回值：
	1.成功，返回实际发送的字节个数。
	3.错误返回-1.设置合适的错误码。
  • 实现代码：
 void Run()
 {
     for(;;)
     {
     	 //存放用户消息的缓存区
         char buffer[1024] = {0};
         //用于存放用户的网络信息
         struct sockaddr_in client_mes; 
         socklen_t len;
         //收消息
         ssize_t n = recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer) - 1\
         ,0,(sockaddr*)&client_mes,&len);
         if(n < 0)
         {
             lg(WARNNING,"recvfrom message fail,waring \
             message is %s",strerror(errno));
             continue;
         }
         buffer[n] = 0;
         //uint_32_t 转 string
         string cip = inet_ntoa(client_mes.sin_addr);
         
         uint16_t cport = ntohs(client_mes.sin_port);
         string echo_mes =  "[" + cip + ":" + to_string(cport)\
          + "]@" + buffer;
         cout << echo_mes << endl;
         //发消息：
         n = sendto(_sockfd,echo_mes.c_str(),echo_mes.size(),\
         0,(sockaddr*)&client_mes,len);
     }
 }
  • 这里只是简单的使用接口，因此完成收发消息即可。
  • server.hpp
#pragma once
//所用容器
#include<string>
#include<unordered_map>

//与内存相关的头文件
#include<string.h>
#include<strings.h>

//网络相关的头文件
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h> 

//包装器
#include<functional>

//日志头文件
#include "Log.hpp"
//枚举常量，用于失败退出进程的退出码
enum
{
    SOCKET_CREAT_FAIL = 1,
    SOCKET_BIND_FAIL,
};

Log lg;
uint16_t default_port = 8888;
string default_string = "0.0.0.0";
class UdpServer
{
public:
    UdpServer(uint16_t port = default_port,string ip \
    = default_string)
    :_port(port),_ip(ip),_sockfd(0)
    {}
    ~UdpServer()
    {
        if(_sockfd > 0) 
        {
            close(_sockfd);
        }
    }
    void Init()
    {
        //1.创建套接字，即创建文件描述符
        _sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
        if(_sockfd < 0)
        {
            lg(CRIT,"socket fail,error message is %s,error \
            number is %d ",strerror(errno),errno);
            exit(SOCKET_CREAT_FAIL);
        }
        lg(INFORE,"socket fd is %d,socket success!",_sockfd);
        //2.绑定套接字
        /*
            注意
            1.主机序列转成网络序列。
        */
        struct sockaddr_in server_mes;
        bzero(&server_mes,sizeof(server_mes));
        server_mes.sin_family = AF_INET;
        server_mes.sin_port = htons(_port); 
        server_mes.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());
        socklen_t len = sizeof(server_mes);

        // server_mes.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;; 
        //任意地址转网络序列
        
        int ret = bind(_sockfd,(const sockaddr*)&server_mes,len);
        if(ret < 0)
        {
            lg(CRIT,"bind fail,error message is %s,error number is\
             %d ",strerror(errno),errno);
            exit(SOCKET_BIND_FAIL);
        }
        lg(INFORE,"ret is %d,bind success!",ret);

    }
    void Run()
    {
        for(;;)
        {
            char buffer[1024] = {0};
            struct sockaddr_in client_mes; //用户的网络信息
            socklen_t len = sizeof(client_mes);
            //收消息
            ssize_t n = recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer) - 1\
            ,0,(sockaddr*)&client_mes,&len);
            if(n < 0)
            {
                lg(WARNNING,"recvfrom message fail,waring message \
                is %s",strerror(errno));
                continue;
            }
            buffer[n] = 0;
            string cip = inet_ntoa(client_mes.sin_addr);
            uint16_t cport = ntohs(client_mes.sin_port);
            string echo_mes =  "[" + cip + ":" + to_string(cport)\
             + "]@" + buffer;
            cout << echo_mes << endl;
            //发消息：
            n = sendto(_sockfd,echo_mes.c_str(),echo_mes.size()\
            ,0,(sockaddr*)&client_mes,len);
        }
    }
private:
    int _sockfd;
    string _ip;
    uint16_t _port;
};
  • server.cc
#include<iostream>
#include<vector>
#include"udpserver.hpp"
void Usage(char* pragma_name)
{
    cout << endl << "Usage: " << pragma_name \
    << " + port[8000-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        Usage(argv[0]);
        return 1;
    }
    uint16_t port = stoi(argv[1]);
    UdpServer* ser = new UdpServer(port);
    ser->Init();
    ser->Run();
    return 0;
}
  • 当服务器启动成功时，我们可以使用 netstat -naup 查看对应的服务器。
  • 说明：-n表示 net，-a 表示 all，-u 表示 udp, -p 表示 process, 即显示出所有的udp套接字的信息。
  • 图解：在这里插入图片描述

2.客户端

1.Linux
  • 实际上只有四步：

  1. 创建网络套接字。

  2. 输入要发送的消息。

  3. 发消息。

  4. 收消息。

  • 注意：
  1. 在客户端，我们并不需要主动bind端口号，而是应该由系统自动分配端口号，这样即避免了不同应用程序之间端口号的冲突，也变向的提高了安全性，灵活性。
  2. 端口号在调用sento函数时，自动进行绑定。
  • client.hpp
#pragma once
//容器
#include<string>

//内容接口
#include<string.h>
#include<strings.h>

//网络相关的接口
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h> 

//线程
#include<pthread.h>
//日志
#include "Log.hpp"
using std::string;
Log lg;
enum
{
    SOCKET_CREAT_FAIL = 1,
    SOCKET_BIND_FAIL,
};
string default_ip = "59.110.171.164";
uint16_t default_port = 8888;
struct UdpClient
{
public:
    UdpClient(uint16_t port = default_port,string ip = default_ip)
    :_ip(ip),_port(port)
    {}
     ~UdpClient()
    {
        if(_sockfd > 0) 
        {
            close(_sockfd);
        }
    }

    void Init()
    {
        _sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
        if(_sockfd < 0)
        {
            lg(CRIT,"socket create fail,error message is %s,error \
            is %d",strerror(errno),errno);
            exit(SOCKET_CREAT_FAIL);
        }
        lg(INFORE,"socket create success, socketfd is %d",_sockfd);
        //在发送消息的时候会自动进行绑定。
    }

    void Run()
    {
        struct sockaddr_in server_mes;
        bzero(&server_mes,sizeof(server_mes));
        server_mes.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());
        server_mes.sin_family = AF_INET;
        server_mes.sin_port = htons(_port);
        socklen_t len = sizeof(server_mes);
        while(true)
        {
            string str;
            cout << "please enter@";
            getline(cin,str);
            ssize_t n = sendto(_sockfd,str.c_str(),str.size(),0,\
            (sockaddr*)&server_mes,len);
            if(n < 0)
            {
                lg(WARNNING,"send message fail,error message is \
                %s,error is %d",strerror(errno),errno);
                continue;
            }
            char buffer[SIZE] = {0};
            n = recvfrom(_sockfd,buffer,SIZE - 1,0,\
            (sockaddr*)&server_mes,&len);
            buffer[n] = '\0';
            cout << buffer << endl;

        }
    }
    int _sockfd;
    string _ip;
    uint16_t _port;
};
  • client.cc
#include "udpclient.hpp"
void Usage(char* pragma_name)
{
    cout << endl << "Usage: " << pragma_name << " + ip " << \
    " + port[8080-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        Usage(argv[0]);
        return 1;
    }
    string ip = argv[1];
    uint16_t port = stoi(argv[2]);
    UdpClient* client = new UdpClient(port,ip);
    client->Init();
    client->Run();
    return 0;
}
  • 示例：
    在这里插入图片描述
2.Windows
  • WindowsClient.hpp
//定义此宏是为了屏蔽inet_addr这个错误。
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS 1

#include<iostream>
#include<string>

#include<WinSock2.h>
//此头文件应该包含于Windows.h之上，可能的原因是重复包含相同的声明，
//也就是没有写#pragma once之类的。

#include<Windows.h>

#include<cstdlib>
#include<cstring>

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")//包含一个库

using std::string;
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;


enum
{
	START_FAIL = 1,
	SOCKET_FAIL = 2,
};

string default_ip = "59.110.171.164";
uint16_t default_port = 8080;

struct UdpClient
{
public:
    UdpClient(uint16_t port = default_port, string ip = default_ip)
        :_ip(ip), _port(port),_sockfd(0)
    {
        WSADATA wsd;
        int ret = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsd);
        if (ret != 0)
        {
            perror("WSAStartup");
            exit(START_FAIL);
        }
    }



    ~UdpClient()
    {
        if(_sockfd > 0) 
        {
            close(_sockfd);
        }
        WSACleanup();
    }
    void Init()
    {
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        if (_sockfd < 0)
        {
            perror("socket");
            exit(SOCKET_FAIL);
        }
    }
    void Run()
    {
        struct sockaddr_in server_mes;
        server_mes.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(_ip.c_str());
        server_mes.sin_port = htons(_port);
        server_mes.sin_family = AF_INET;
        int len = sizeof(server_mes);

        while (true)
        {
            string str;
            cout << "please enter@";
            getline(cin, str);

            int ret = sendto(_sockfd, str.c_str(), str.size(), \
            0, (const sockaddr*)&server_mes, len);
            if (ret < 0)
            {
                cout << ret << endl;
                perror("sento");
                continue;
            }
            char buffer[1024] = { 0 };
            int size = recvfrom(_sockfd, buffer, \
            sizeof(buffer) - 1, 0, (sockaddr*)&server_mes, &len);
            if (size < 0)
            {
                perror("recvfrom");
                continue;
            }
            buffer[size] = '\0';
            cout << buffer << endl;
        }
    }
    int _sockfd;
    string _ip;
    uint16_t _port;
};
  • Client.cc
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"WindowsClient.hpp"
//智能指针所在头文件
#include<memory>
int main()
{
	//使用unique_ptr确保只有一台服务器。
	std::unique_ptr<UdpClient> cp(new UdpClient());
	cp->Init();
	cp->Run();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

  • Linux与Windows的代码相比之下,其实就构造和析构多了一点东西，其余基本完全相同。
  • 上述实现代码我们称之为版本1。

 基本的收发消息我们是可以完成的，而且我们通过端口号和ip标识了唯一的一台主机的唯一进程，这样我们可以基于此简单的实现一个基于网络的聊天室:

  • 客户端：
  1. 收消息和发消息应该用不同的线程进行执行，因此我们需要在客户端创建两个线程，收消息和发消息。
  2. 具体的实现操作我们可分为两步：
  1. 将收消息的线程输出到错误流中。
  2. 在运行时将错误流再重定向到指定的终端文件当中。
  • 查看终端文件：ls /dev/pts
    在这里插入图片描述
  • 客户端更改代码：
    static void* SendMessage(void* args)
    {
        auto threadptr = static_cast<pair<UdpClient*,\
        struct sockaddr_in*>*>(args);
        
        UdpClient* cptr = threadptr->first;
        sockaddr* sptr = (sockaddr*)threadptr->second;
        //发消息
        while(true)
        {
            string str;
            cout << "please enter@";
            getline(cin,str);
            ssize_t ret = sendto(cptr->_sockfd,str.c_str()\
            ,str.size(),0,sptr,sizeof(sockaddr_in));
            if(ret < 0)
            {
                lg(WARNNING,"send message fail,error message\
                 is %s,error is %d",strerror(errno),errno);
                continue;
            }
        }   
    }
    static void* ReceiveMessage(void* args)
    {
        auto threadptr = static_cast<pair<UdpClient*,\
        struct sockaddr_in*>*>(args);
        
        UdpClient* cptr = threadptr->first;
        sockaddr* sptr = (sockaddr*)threadptr->second;
        socklen_t len = sizeof(sockaddr_in);
        //收消息
        while(true)
        {
            char buffer[SIZE] = {0};
            int ret  = recvfrom(cptr->_sockfd,buffer,SIZE - 1,\
            0,sptr,&len);
            cerr << buffer << endl;
        }
    }
    void Run()
    {
        struct sockaddr_in server_mes;
        bzero(&server_mes,sizeof(server_mes));
        server_mes.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());
        server_mes.sin_family = AF_INET;
        server_mes.sin_port = htons(_port);
        socklen_t len = sizeof(server_mes);
        pair<UdpClient*,struct sockaddr_in*> thread_ptr = \
        {this,&server_mes};
        pthread_t rtid,wtid;
        pthread_create(&rtid,nullptr,SendMessage,&thread_ptr);
        pthread_create(&wtid,nullptr,ReceiveMessage,&thread_ptr);
        pthread_join(rtid,nullptr);
        pthread_join(wtid,nullptr);
    }
  • 服务端：
  1. 上述代码我们已经用ip地址和端口号标识了全网的唯一 一个进程。
  2. 因此我们可以用此来认证用户和给指定用户收发消息。
  3. 具体采用unordered_map<string,sockaddr_in>的结构进行实现。
  • server.hpp增删代码：
//类外：
#include<unordered_map>

#include<functional>
using fun_t = function<string(string,string,uint16_t)>;


//类内：
    void CheckUser(const sockaddr_in& user)
    {
        string cip = inet_ntoa(user.sin_addr);
        uint16_t port = ntohs(user.sin_port);
        string key = cip + to_string(port);
        auto it = users.find(key);
        if(it == users.end())
        {
            cout << "add a new user[" << cip << "]" << endl;
            users.insert({key,user});
        }
    }
    void BroadCast(const string& mes)
    {
        int cnt = 0;
        for(auto& user : users)
        {
            sockaddr_in& client_mes = user.second;
            socklen_t len = sizeof(sockaddr_in);
            ssize_t n = sendto(_sockfd,mes.c_str(),mes.size()\
            ,0,(sockaddr*)&client_mes,len);
            if(n < 0)
            {
                lg(WARNNING,"send message fail,waring message\
                 is %s",strerror(errno));
                continue;
            }
            cnt++;
        }
    }
    void Run(fun_t cal_back)
    {
        for(;;)
        {
            char buffer[1024] = {0};
            struct sockaddr_in client_mes; //用户的网络信息
            // socklen_t len = sizeof(client_mes);
            socklen_t len;

            //收消息
            ssize_t n = recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer) \
            - 1,0,(sockaddr*)&client_mes,&len);
            if(n < 0)
            {
                lg(WARNNING,"recvfrom message fail,waring message \
                is %s",strerror(errno));
                continue;
            }
            buffer[n] = 0;
            string cip = inet_ntoa(client_mes.sin_addr);
            uint16_t cport = ntohs(client_mes.sin_port);
            string echo_mes = cal_back(buffer,cip,cport);
            //1.检查用户是否已经上线
            CheckUser(client_mes);
            //2.广播给所有用户
            BroadCast(echo_mes);
        }
  • server.cc——更新代码
//添加此函数。
string Print(const string& mes,string ip,uint16_t port)
{
    string infor = "[" + ip + ":" + to_string(port) + "]@" \
    + mes;
    return infor; 
}

void Usage(char* pragma_name)
{
    cout << endl << "Usage: " << pragma_name \
    << " + port[8000-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        Usage(argv[0]);
        return 1;
    }
    uint16_t port = stoi(argv[1]);
    UdpServer* ser = new UdpServer(port);
    ser->Init();
    
    //更新此处
    ser->Run(Print);
    return 0;
}
  • 效果：
    在这里插入图片描述
  • 以上我们使用终端来重定向输出，看起来是不太漂亮的，使用图形库的知识我们可以将效果做的更为逼真，更加真实。
  • 上述更新代码我们称之为版本2，基于版本1更改。
  • 在运行可执行程序时，我们将标准错误流重定向到指定的终端文件即可。

其次，既然能收发消息，我们还可以将消息当做指令进行处理，就类似与我们使用ssh登录云服务器的功能类似：

  • 相关接口：
//头文件
 #include <stdio.h>

 FILE *popen(const char *command, const char *type);
/*

参数：
	1.要执行的命令。
	2.打开文件的类型，这里我们设置为"r" 模式即可。
返回值：
	1.失败返回空指针。
	2.成功返回对应的文件指针。
*/
 int pclose(FILE *stream);
 
/*
 参数：要关闭的文件指针。
 返回值：
 	1.失败返回-1。
 	2.成功返回0.
*/

char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
/*

参数：
	1.存放的缓存区的地址
	2.缓存区的大小。
	3.读取的文件指针
返回值：
	1.成功返回读取到的内容的地址。
	2.失败返回空指针。 	
*/
  • server.cc
#include<iostream>
#include<vector>
#include"udpserver.hpp"

//过滤掉一下关键词。
bool SafeCheck(const string& buf)
{
    vector<string> key_words = 
    {
        "rm","cp","mv","yum","top","while",
    };
    for(string& word : key_words)
    {
        auto it = buf.find(word);
        if(it != string::npos) return true;
    }
    return false;
}
//主要功能函数：
string HandlerCommand(const string& buf,string ip,uint16_t port)
{
    if(SafeCheck(buf)) return "Bad Man!";
    FILE* res = popen(buf.c_str(),"r");
    if(res == nullptr)
    {
        lg(CRIT,"run a command fail,error message is %s,\
         error is %d",strerror(errno),errno);
        exit(-1);
    }
    string ret;
    //从执行的命令的结果中读取内容
    while(true)
    {
        char buffer[1024] = {0};
        if(fgets(buffer,sizeof(buffer),res) == nullptr)
            break;
        ret += buffer;
    }
    int n = pclose(res);
    return ret;
}
void Usage(char* pragma_name)
{
    cout << endl << "Usage: " << pragma_name \
    << " + port[8000-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        Usage(argv[0]);
        return 1;
    }
    uint16_t port = stoi(argv[1]);
    UdpServer* ser = new UdpServer(port);
    ser->Init();
    ser->Run(HandlerCommand);
    return 0;
}
  • server.hpp
#include<functional>
using fun_t = function<string(string,string,uint16_t)>;

//类内：
    void Run(fun_t cal_back)
    {
        for(;;)
        {
            char buffer[1024] = {0};
            struct sockaddr_in client_mes; //用户的网络信息
            // socklen_t len = sizeof(client_mes);
            socklen_t len;

            //收消息
            ssize_t n = recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer) \
            - 1,0,(sockaddr*)&client_mes,&len);
            if(n < 0)
            {
                lg(WARNNING,"recvfrom message fail,waring message \
                is %s",strerror(errno));
                continue;
            }
            buffer[n] = 0;
            string cip = inet_ntoa(client_mes.sin_addr);
            uint16_t cport = ntohs(client_mes.sin_port);
            string echo_mes = cal_back(buffer,cip,cport);

            n = sendto(_sockfd,echo_mes.c_str(),echo_mes.size()\
            ,0,(sockaddr*)&client_mes,len);
            if(n < 0)
            {
                lg(WARNNING,"send message fail,waring message\
                 is %s",strerror(errno));
                continue;
            }
        }
    }
  • 上述实现代码我们称之为版本3。基于版本1进行拓展。
  • 总结：
  1. 版本1—— 简单使用套接字编程，并使用服务器和客户端完成简单的收发消息。
  2. 版本2—— 基于版本1，实现了一个简单的聊天室，使用多线程和重定向使收消息和发信息完成并发。
  3. 版本3—— 基于版本1，实现了客户端远程控制服务器，并执行对应发送的命令。

3.TCP

1. 基本接口

因为TCP是可靠的，那么必然得多做一些准备工作，具体以接口的形式呈现，下面我们先介绍TCP的服务端和客户端多做的工作。

服务端：

  1. socket时，我们需要设置第二个选项为SOCKET_STREAM，即基于字节流的形式的协议。
  2. 服务器在bind之后需要监听客户端的连接。
//头文件
#include<sys/type.h>
#include<sys/socket.h>

//函数声明:
int listen(int sockfd, int backlog);
/*
参数：
	1.SOCKET_STREAM,即TCP类型的套接字文件描述符。
	2.请求队列的最大长度，设置为5即可,可以理解为待处理的客户端的最大连接数。
返回值：
	1.成功返回 0.
	2.失败返回-1，设置合适的错误码。
*/
  1. 服务器在listen之后，如果有客户端连接需要接收。
//头文件
#include<sys/type.h>
#include<sys/socket.h>
//函数声明：
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
/*
参数：
	1.TCP类型的套接字文件描述符。
	2.输出型参数，即客户端的信息。
	3.输入输出型参数，具体的套接字地址结构体的大小变量的地址。
返回值：
	1.成功返回对应客户端的套接字文件描述符。
	2.失败返回-1，设置合适的错误码。
*/
  • 疑问：socket 不是已经有文件描述符了，accept还要返回文件描述符呢？
  • 解释：
  1. 我们最开始创建的描述符是用来接收客户端连接的，并不用与客户端通讯。
  2. 这就好比一家餐厅，有出门接客的服务员，有餐桌上提供实际服务的服务员，开始创建的描述符就好比出门接客的服务员，而accept返回的套接字描述符就是实际提供服务的服务员。
  3. 出门引客的文件描述符在引完" 客人"，又回到店门口去引客了，因此只有一个，又因为店里可能同时有多人在吃饭，所以实际服务的文件描述符可能有多个。
  4. 在提供服务的描述符服务完之后，需要关闭描述符，即清理餐桌，等待为下一位客人提供服务。
  • 说明：因为要保证可靠，因此实际服务一次只能服务一位。

客户端：只需要在一些基础工作之上，与服务器建立连接即可。

//头文件
#include<sys/type.h>
#include<sys/socket.h>
//函数声明：
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
            socklen_t addrlen);
/*
参数：
	1.TCP类型的文件描述符。
	2.输出型参数，即客户端的信息。
	3.输入输出型参数，具体的套接字地址结构体的大小。
返回值：
	1.成功返回0，表示连接成功。
	2.失败返回-1，表示连接失败。
*/
  • 接口的功能基本了解之后，我们可以开始实现一个简单的服务端与客户端。
  • 实现代码文件基本框架：
    在这里插入图片描述

2. 客户端

  • client.cc
#include"tcpclient.hpp"
#include<memory>
void Usage(char* pragma_name)
{
    cout << endl << "Usage: " << pragma_name \
    << "+ ip + port[8000-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        Usage(argv[0]);
        return 1;
    }
    string ip = argv[1];
    uint16_t port = stoi(argv[2]);
    std::unique_ptr<TcpClient> tc(new TcpClient(ip,port));
    // tc->Init();
    tc->Run();
    return 0;
}
  • tcpclient.hpp
#pragma once

#include <string>
#include <cstring>
#include <strings.h>

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <string>
#include "../Tools/Log.hpp"

using std::string;

enum
{
    CREATE_FAIL = 1,
    TOIP_FAIL,
    BIND_FAIL,
    LISTEN_FAIL,
    CONNET_FAIL,
    IPTONET_FAIL,
};
using std::string;
uint16_t defaultport = 8080;
string defaultip = "59.110.171.164";
int defaultbacklog = 5;
class TcpClient
{
public:
    TcpClient(string ip = defaultip,uint16_t port = defaultport)
        : _port(port), _ip(ip), _sockfd(0)
    {}
    void Run()
    {

        //server端
        sockaddr_in server;
        memset(&server,0,sizeof(server));
        socklen_t len = sizeof(server);
        if(inet_aton(_ip.c_str(), &server.sin_addr) < 0)
        {
            lg(CRIT,"inet_atoncreat fail,reason is %s,errno \
            is %d", strerror(errno), errno);
            exit(IPTONET_FAIL);
        }
        server.sin_family = AF_INET;
        server.sin_port = htons(_port);
        while(true)
        {
            _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if (_sockfd < 0)
            {
                lg(CRIT, "socket creat fail,reason is %s,errno \
                is %d", strerror(errno), errno);
                exit(CREATE_FAIL);
            }
            bool reconect = false;
            int cnt = 10;
            do
            {
                int ret = connect(_sockfd, (sockaddr *)&server,\
                 sizeof(server));
                if (ret < 0)
                {
                    reconect = true;
                    lg(WARNNING, "connect creat fail,reason \
                    is %s,errno is %d", strerror(errno), errno);
                    sleep(2);
                }
                else
                {
                    reconect = false;
                }
            } while (reconect && cnt--);
            
            //发消息
            string str;
            cout << "please enter@";
            getline(cin,str);
            ssize_t n = sendto(_sockfd,str.c_str(),str.size()\
            ,0, (sockaddr *)&server, sizeof(server));
            if(n < 0)
            {
                lg(WARNNING, "sendto fail,reason is %s,\
                errno is %d", strerror(errno), errno);
                continue;
            }
            char buffer[1024] = {0};
            n = recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer) - 1,\
            0, (sockaddr *)&server, &len);
            if(n < 0)
            {
                lg(WARNNING, "recvfrom fail,reason is %s,\
                errno is %d", strerror(errno), errno);
                continue;
            }
            cout << buffer;
            close(_sockfd);
        }

    }

private:
    int _sockfd;
    uint16_t _port;
    string _ip;
};
  • 套接字文件描述符，在提供一次服务之后立马关闭，重新连接。
  • 重新连接时，可能会连接失败，因此提供了10次重连功能，重连失败跳出循环，重连成功继续享受服务器的服务。

3. 服务端

  • server.cc:
#include"tcpserver.hpp"
#include<memory>
using std::unique_ptr;
void Usage(char* pragma_name)
{
    cout << endl << "Usage: " << pragma_name \
    << " + port[8000-8888]" << endl << endl; 
}
int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        Usage(argv[0]);
        return 1;
    }
    uint16_t port = stoi(argv[1]);
    unique_ptr<TcpServer> tp(new TcpServer(port));
    tp->Init();
    tp->Run();
    return 0;
}
1.版本1
  • server.hpp
#pragma once
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<vector>
#include<strings.h>
#include<cstring>

#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>

#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

#include"../Tools/Log.hpp"
enum
{
    CREATE_FAIL = 1,
    TOIP_FAIL,
    BIND_FAIL,
    LISTEN_FAIL,
};
using std::string;
uint16_t defaultport = 8080;
string defaultip = "0.0.0.0";
int defaultbacklog = 5;

class TcpServer
{

public:
    TcpServer(uint16_t port = defaultport,string ip = defaultip\
    ,int backlog = defaultbacklog)
    :_port(port),_ip(ip),_sockfd(0),_backlog(5)
    {
        lg.ReDirect(CLASSFILE);
    }
    ~TcpServer()
    {
        if(_sockfd > 0)
        {
            close(_sockfd);
        }
    }
    void Init()
    {
        _sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
        if(_sockfd < 0)
        {
            lg(CRIT,"socket creat fail,reason is %s,errno\
             is %d.",strerror(errno),errno);
            exit(CREATE_FAIL);
        }
                
        //补充：防止服务器偶发性无法重启，即端口号无法重复的进行使用。
        int opt = 1;
        setsockopt(_sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT,\
        &opt,sizeof(opt));

        //初始化服务器信息
        sockaddr_in server_mes;
        socklen_t len = sizeof(server_mes);
        memset(&server_mes,0,sizeof(server_mes));
        server_mes.sin_port = htons(_port);
        server_mes.sin_family = AF_INET;
        if(!inet_aton(_ip.c_str(),&server_mes.sin_addr))
        {
            lg(CRIT,"address change fail,reason is %s,errno \
            is %d.",strerror(errno),errno);
            exit(TOIP_FAIL);
        }
        //绑定
        if(bind(_sockfd,(sockaddr*)&server_mes,len) == -1)
        {
            lg(CRIT,"bind fail,reason is %s,errno \
            is %d.",strerror(errno),errno);
            exit(BIND_FAIL);
        }
        //监听
        if(listen(_sockfd,_backlog) < 0)
        {
            lg(CRIT,"listen fail,reason is %s,errno \
            is %d.",strerror(errno),errno);
            exit(LISTEN_FAIL);

        }

        lg(INFORE,"sockfd is %d,TcpServer Init Success!",_sockfd);
    }


    void Run()
    {
        for(;;)
        {
            sockaddr_in client_mes;
            memset(&client_mes,0,sizeof(client_mes));
            socklen_t len = sizeof(client_mes);
            int fd = accept(_sockfd,(sockaddr*)&client_mes,&len);
            if(fd < 0)
            {
                lg(WARNNING,"accept fail,reason is %s,\
                errno is %d,fd is %d",strerror(errno),errno,fd);
                break;
            }
            lg(INFORE,"add a client, fd is %d.",fd);
            // version 1 —— 单进程版，即一次只能服务一个人。
            Service(client_mes,len,fd); 
        }
    }
    void Service(const sockaddr_in& client,socklen_t len,int fd)
    {
        //收消息
        while(true)
        {
            char buffer[1024] = {0};
            ssize_t n = read(fd,buffer,sizeof(buffer) - 1);
            if(n < 0)
            {
                lg(WARNNING,"read fail,reason is %s,\
                errno is %d.",strerror(errno),errno);
                continue;
            }
            //细节1：读不到要跳出/返回。
            else if(n == 0)
            {
                break;
            }
            buffer[n] = '\0';
            string ip = inet_ntoa(client.sin_addr);
            uint16_t port = ntohs(client.sin_port);
            string echo_mes = "[" + ip + ":" + to_string(port)\
             + "]@" + string(buffer);
            n = write(fd,echo_mes.c_str(),echo_mes.size());
            if(n <= 0)
            {
                lg(WARNNING,"sendto fail,reason is %s,\
                errno is %d.",strerror(errno),errno);
                continue;
            }
        }
    }
private:
    int _sockfd;
    uint16_t _port;
    string _ip;
    int _backlog;
};

效果：

  • 这里我们介绍一个小工具——telnet，用与简单的收发消息。
  • 使用：
  1. telnet 【IP地址】 【端口号】
  2. 连接成功即可接收和发送信息。
  3. 输入 ctrl 加 ]，跳转到命令端口。
  4. 输入回车退出命令窗口，输入quit退出telnet工具。
  • 效果在这里插入图片描述

但是这个服务器有一个缺陷，就是一次只能服务一位客户，因为Service调用完之后，才能给下一个用户提供服务，那么我们可以将Run函数的Service变成如下情况，实现多进程版的并发服务。

2.版本2
  • 更改Run函数的代码：

    void Run()
    {
        for(;;)
        {
            sockaddr_in client_mes;
            memset(&client_mes,0,sizeof(client_mes));
            socklen_t len = sizeof(client_mes);
            int fd = accept(_sockfd,(sockaddr*)&client_mes,&len);
            if(fd < 0)
            {
                lg(WARNNING,"accept fail,reason is %s,\
                errno is %d,fd is %d",strerror(errno),errno,fd);
                break;
            }
            lg(INFORE,"add a client, fd is %d.",fd);

            // version 2 —— 使用孙子进程进行托孤，即让操作系统接管。
            pid_t pid = fork();
            if(pid == 0)
            {
                //子进程
                if(fork() > 0) exit(0);

                //孙子进程
                Service(client_mes,len,fd); 
                exit(0);
            }

        }
    }
  • 这里如果我们使用子进程的话，下面势必还有父进程等待回收子进程。
  • 因此我们创建子进程之后，再创建一个孙子进程，并退出子进程。
  • 这样孙子进程就变为了孤儿进程，由系统进行管理，而父进程不受影响。

但是多进程势必会占用更多的资源，因此我们还可以创建线程，从而达到资源方面的优化作用。

3.版本3
  • 在服务端增加与更改代码：
//类外

//声明
class TcpServer;

struct  PthreadData
{
    PthreadData(TcpServer* const ptr,socklen_t leng,\
    sockaddr_in client_mes,int sockfd)
    :tp(ptr),len(leng),client(client_mes),fd(sockfd)
    {}
    TcpServer* tp;
    socklen_t len;
    sockaddr_in client;
    int fd;
};

//类内
    static void * Routine(void *args)
    {
        //为了省略之后的join,因此直接分离线程即可。
        pthread_detach(pthread_self());

        auto p = static_cast<PthreadData*>(args);
        sockaddr_in client = p->client;
        socklen_t len = p->len;
        TcpServer* tp = p->tp;
        int fd = p->fd;
        tp->Service(client,len,fd);
        close(fd);
        return nullptr;
    }

    void Run()
    {
        for(;;)
        {
            sockaddr_in client_mes;
            memset(&client_mes,0,sizeof(client_mes));
            socklen_t len = sizeof(client_mes);
            int fd = accept(_sockfd,(sockaddr*)&client_mes,&len);
            if(fd < 0)
            {
                lg(WARNNING,"accept fail,reason is %s,\
                errno is %d,fd is %d",strerror(errno),errno,fd);
                break;
            }
            lg(INFORE,"add a client, fd is %d.",fd);

            // version 3 —— 多线程版
            pthread_t tid;
            PthreadData PD(this,len,client_mes,fd);
            pthread_create(&tid,nullptr,Routine,&PD);
        }
    }
  • 除此之外，线程的开辟和销毁也是有一定的损耗的，在此基础上，我们还可以进一步的进行优化。
  • 可以利用池化技术，即一次申请够线程，然后一直用着，这就所谓的线程池。
4.版本4
  • 线程池：threadpool.hpp
#pragma once
#include<vector>
#include<queue>
#include "Task.hpp"
using std::vector;
using std::queue;
using std::cout;
using std::endl;

typedef void(*cal)();
class ThreadPool
{
public:
    static ThreadPool* GetInstance()
    {
        if(tpool == nullptr)
        {
            tpool = new ThreadPool();
        }
        return tpool;
    }
    void Lock()
    {
        pthread_mutex_lock(&_t_mutex);
    }
    void UnLock()
    {
        pthread_mutex_unlock(&_t_mutex);
    }
    ~ThreadPool()
    {
        for(int i = 0; i < _capacity; i++)
        {
            pthread_join(tids[i],nullptr);
        }
    }
    void start()
    {
        for(int i = 0; i < _capacity; i++)
        {
            pthread_create(&tids[i],nullptr,handler,this);
        }
    }
    void Push(const Task& data)
    {
        //push这里只有主线程在push,因此没必要加锁。
        _que.push(data);
        pthread_cond_broadcast(&_t_cond);
    }
    static void* handler(void* args)
    {
        ThreadPool* ptr = static_cast<ThreadPool*>(args);
        ptr->_handler();
    }
    void _handler()
    {
        while(true)
        {
            Lock();
            while(_que.empty())
            {
                pthread_cond_wait(&_t_cond,&_t_mutex);
            }
            _que.front()();_que.pop();
            UnLock();
        }
    }
private:
    static ThreadPool* tpool;
    ThreadPool(int num = defaultnum)
    :_capacity(num),tids(num)
    {
        pthread_mutex_init(&_t_mutex,nullptr);
        pthread_cond_init(&_t_cond,nullptr);
    }
    const static int defaultnum = 5; 
    //线程的锁和条件变量
    pthread_cond_t _t_cond;
    pthread_mutex_t _t_mutex;
    queue<Task> _que; //任务的场所
    vector<pthread_t> tids;
    int _capacity;
    int cnt = 0;
};
ThreadPool* ThreadPool::tpool = nullptr;
  • 除此之外，我们还需封装对应的Task任务，供线程池调用，以及服务端进行推送对应的任务。
  • 而且我们还可以基于此写一个网络版本的简单的翻译词典：
    1. 生成一个dict.txt，放入以 : 作为分割符的中译英的单词。
    2. 写一个类，用于读取文件内容生成词典，具体可用unordered_map。
    3. 根据此类写一个Task任务。
  • Dict.cc
#include<iostream>
#include<fstream>
#include<unordered_map>
using namespace std;
struct Dict
{
	Dict(string dir = "/home/shun_hua\
	/linux_-code/test_2024/2/Dict/dict.txt")
	{
		const char* _dir = dir.c_str();
        string str;
        std::ifstream fs(_dir,ios_base::in);
        while(getline(fs, str))
        {
            int pos = str.find(':');
            string prev = str.substr(0, pos);
            string suf = str.substr(pos + 1);
            dict[prev] = suf;
        }
	}
    string translate(const string& word)
    {
        if(dict[word] == "") return "unknow";

        return dict[word];
    }
	unordered_map<string, string> dict;
};
  • 单词可以用ChatGpt生产，这里就不再列出了。
  • Task.hpp
#pragma once
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<vector>
#include<unordered_map>

#include<strings.h>
#include<cstring>

#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

#include"Log.hpp"
#include"../Dict/dict.hpp"
struct  Task
{
    Task(const sockaddr_in& client,socklen_t len,int fd)
    :_client(client),_len(len),_fd(fd)
    {}
    void Service()
    {
        //收消息
        while(true)
        {
            char buffer[1024] = {0};
            ssize_t n = read(_fd,buffer,sizeof(buffer) - 1);
            if(n < 0)
            {
                lg(WARNNING,"read fail,reason is %s,errno is %d,\
                fd is %d.",strerror(errno),errno,_fd);
                continue;
            }
            //细节1：读不到要跳出/返回。
            else if(n == 0)
            {
                break;
            }
            buffer[n] = '\0';
            cout << buffer << endl;
            Dict dic;
            string ip = inet_ntoa(_client.sin_addr);
            uint16_t port = ntohs(_client.sin_port);
            string echo_mes = "[" + ip + ":" + to_string(port)\
             + "]@" + dic.translate(buffer) +  "\n";
            cout << echo_mes;
            n = write(_fd,echo_mes.c_str(),echo_mes.size());
            if(n <= 0)
            {
                lg(WARNNING,"sendto fail,reason is %s,errno \
                is %d.",strerror(errno),errno);
                continue;
            }
        }
    }
    void operator()()
    {
        Service();
        close(_fd);
    };
    sockaddr_in _client;
    socklen_t _len;
    string user;
    int _fd;
};
  • Server.hpp
#pragma once
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<vector>
#include<strings.h>
#include<cstring>

#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>

#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

#include"../Tools/Log.hpp"
#include"../Tools/threadpool.hpp"
#include"../Tools/Task.hpp"
#include"../Tools/daemon.hpp"

enum
{
    CREATE_FAIL = 1,
    TOIP_FAIL,
    BIND_FAIL,
    LISTEN_FAIL,
};
using std::string;
uint16_t defaultport = 8080;
string defaultip = "0.0.0.0";
int defaultbacklog = 5;

//声明
class TcpServer;

struct  PthreadData
{
    PthreadData(TcpServer* const ptr,socklen_t leng\
    ,sockaddr_in client_mes,int sockfd)
    :tp(ptr),len(leng),client(client_mes),fd(sockfd)
    {}
    TcpServer* tp;
    socklen_t len;
    sockaddr_in client;
    int fd;
};

ThreadPool* thp = ThreadPool::GetInstance();
class TcpServer
{

public:
    TcpServer(uint16_t port = defaultport,\
    string ip = defaultip,int backlog = defaultbacklog)
    :_port(port),_ip(ip),_sockfd(0),_backlog(5)
    {
        // lg.ReDirect(CLASSFILE);
    }
    ~TcpServer()
    {
        if(_sockfd > 0)
        {
            close(_sockfd);
        }
    }
    void Init()
    {
        _sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
        if(_sockfd < 0)
        {
            lg(CRIT,"socket creat fail,reason is %s\
            ,errno is %d.",strerror(errno),errno);
            exit(CREATE_FAIL);
        }
                
        //补充：防止服务器偶发性无法重启，即端口号无法重复的进行使用。
        int opt = 1;
        setsockopt(_sockfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR|SO_REUSEPORT\
        ,&opt,sizeof(opt));

        //初始化服务器信息
        sockaddr_in server_mes;
        socklen_t len = sizeof(server_mes);
        memset(&server_mes,0,sizeof(server_mes));
        server_mes.sin_port = htons(_port);
        server_mes.sin_family = AF_INET;
        if(!inet_aton(_ip.c_str(),&server_mes.sin_addr))
        {
            lg(CRIT,"address change fail,reason is %s\
            ,errno is %d.",strerror(errno),errno);
            exit(TOIP_FAIL);
        }
        //绑定
        if(bind(_sockfd,(sockaddr*)&server_mes,len) == -1)
        {
            lg(CRIT,"bind fail,reason is %s,\
            errno is %d.",strerror(errno),errno);
            exit(BIND_FAIL);
        }
        //监听
        if(listen(_sockfd,_backlog) < 0)
        {
            lg(CRIT,"listen fail,reason is %s,\
            errno is %d.",strerror(errno),errno);
            exit(LISTEN_FAIL);

        }

        lg(INFORE,"sockfd is %d,TcpServer Init Success!",_sockfd);
    }
    void Run()
    {
        thp->start();
        for(;;)
        {
            sockaddr_in client_mes;
            memset(&client_mes,0,sizeof(client_mes));
            socklen_t len = sizeof(client_mes);
            int fd = accept(_sockfd,(sockaddr*)&client_mes,&len);
            if(fd < 0)
            {
                lg(WARNNING,"accept fail,reason is %s,errno is \
                %d,fd is %d",strerror(errno),errno,fd);
                break;
            }
            lg(INFORE,"add a client, fd is %d.",fd);
            pthread_create(&tid,nullptr,Routine,&PD);
            //version 4 —— 线程池版本
            thp->Push(Task(client_mes,len,fd));
        }
    }
private:
    int _sockfd;
    uint16_t _port;
    string _ip;
    int _backlog;
};

三、守护进程

  • 在之前的信号这篇文章，我们对前台和后台有了基本的认识，两者的区分在于是否接收键盘的信息，前台接收，后台不接收。
  • 相关命令：
  1. jobs 查看后台进程
  2. 可执行程序 &，将程序变为后台。
  3. fg 任务号，将程序变为前台。
  4. Ctrl Z，将程序停止。
  5. bg 任务号，将程序变为后台。
  • 效果：使sleep 200 为可执行程序，这里是为了演示具体无意义。
    在这里插入图片描述

  • 会话

    • 那么我们所谓前台和后台运行的交替，从而达成信息的交互的过程，我们称之为会话。

    • 一般我们在登录服务器成功时会有一个会话，这个会话在前台显示的是bash进程，用于与用户实现交互，后台是一些系统的进程在运行，其中bash进程随着用户的登录而出现，随着用户的退出而消失。

    • 因此当登录时，会话的id与bash进程的ID保持一致，而且我们称这个进程为会话的领导者，也就是没人变为前台，那么bash就变为前台。
      在这里插入图片描述

  • 守护进程

    • 一个进程自成一个会话，且无终端，即不与用户交流，但可以将信息导入到文件中。
    • 要想变为守护进程自身不能是会话的领导者。

  • 实现代码：

#pragma once
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<signal.h>
using std::string;
string ddir = "/dev/null";
void Daemon(string dir = "")
{
    //对一些信号进行忽略，确保守护进程能够不受影响的正常运行。
    signal(SIGPIPE,SIG_IGN);
    signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
    //创建进程,父进程退出使子进程变为孤儿进程。
    if(fork() > 0) exit(0);
    //子进程
    setsid();
    //更改当前的工作目录
    if(dir != "")
    {
        chdir(dir.c_str());
    }
    //将输出输入标准错误设置到 /dev/null
    int fd = open(ddir.c_str(),O_WRONLY);
    if(fd < 0) return;
    dup2(fd,1);
    dup2(fd,2);
    dup2(fd,0);
}
  • 系统调用接口：
//头文件：
#include <unistd.h>
//函数：
int daemon(int nochdir, int noclose);
/*
参数：
	1.如果为0,则改变当前进程的工作目录为根目录，否则不做变化。
	2.如果为0,则改变stdin,stdout,stderror为/dev/null,否则不做变化。
	说明：这里的/dev/null看做一个 “黑洞”，即输入东西没有反应。
返回值：
	1.成功返回0。
	2.失败返回-1，并且设置合适的错误码。
*/
  • 我们可以将我们写的进程守护进程化，即7 * 24小时不间断的运行。

尾序

 本篇文章主要是对于Socket套接字的实战：

  • 对于UDP实现了服务端，两个系统的客户端，实现了一个简单版本的网络聊天室和输入命令远端控制。

  • 对于TCP实现了客户端，基于资源利用率和要求实现了四个版本的服务端，并在此基础上写了一个简单版本的网络之间的单词翻译。

  • 再此基础上介绍了守护进程，可以将我们写的服务端守护进程化，即7*24小时不停的运作。

 希望本篇文章对各位C友有所帮助，下篇文章将进入自定义协议章节。

我是舜华，期待与你的下一次相遇！

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