47 tcp网络程序

news2024/7/4 5:50:54

网路聊天

API详解

下面用到的API，都在sys/socket.h中

socket ():
在这里插入图片描述

  • socket() 打开一个网络通讯端口，如果成功的话，就像open() 一样返回一个文件描述符
  • 应用程序可以像读文件一样用read/write在网络上收发数据
  • 如果调用出错返回-1
  • 对于IPv4，family参数指定为AF_INET
  • 对于TCP协议，type参数指定为SOCK_STREAM，表示面向流的传输协议
  • protocol参数是传输层协议，填0默认匹配

bind ()
在这里插入图片描述

  • 服务器程序所监听的网络地址和端口号通常是固定不变的，客户端程序得知服务器程序的地址和端口号后，就可以向服务器发起连接，服务器需要调用bind绑定一个固定的网络地址和端口号
  • bind() 成功返回0，失败返回-1
  • 作用是将参数sockfd和myaddr绑定在一起，使sockfd这个用于网络通讯的文件描述符监听nyaddr所描述的地址和端口号
  • struct sockaddr* 是一个通用指针类型，myaddr参数实际上可以接收各种协议 的sockaddr结构体，而他们的长度各不相同，所以需要第三个参数addrlen指定结构体的长度

myaddr初始化：
1.整个结构体清零
2.设置地址类型为AF_INET
3.网络地址为INADDR_ANY，这个宏表示本地的任意IP地址，因为服务器可能有多个网卡，每个网卡也可能绑定多个IP地址，这样设置可以在所有的IP地址上监听，直到与某个客户端建立了连接时才确定下来到底用哪个ip地址
4.端口号为SERV_PORT，可以定义为9999

listen ()
在这里插入图片描述

  • listen() 声明sockfd处于监听状态，并且最多允许有backlog个客户端处于连接等待状态，如果接收到更多的连接请求就忽略，这里设置不会太大（一般是5）
  • listen() 成功返回0，失败返回-1

accept ()

在这里插入图片描述

  • 三次握手完成后，服务器调用accept接收连接
  • 如果服务器调用accept时还没有客户端的 连接请求，就阻塞等待直到有客户端连接上来
  • addr是一个传出参数，accept返回时传出客户端的地址和端口号
  • 如果给addr传递NULL，表示不关心客户端的地址
  • addrlen参数是一个传入传出参数（value-result arument），传入的是调用者提供的，缓冲区addr的长度以避免缓冲区溢出问题，传出的是客户端地质结构体的实际长度（有可能没有占满调用者提供的缓冲区）

connect ()
在这里插入图片描述

  • 客户端需要调用connect连接服务器
  • connct和bind的参数形式一致，区别在于bind的参数是自己的地址，而connect的参数是对方的地址
  • 成功返回0，出错返回-1

服务端

成员变量三个，分别是listen套接字，ip和端口号，服务端的ip和端口号必须固定
在这里插入图片描述
构造函数传入ip和地址初始化成员变量
在这里插入图片描述
init函数初始化套接字信息，绑定到设备上，和前面的udp一样
因为tcp是面向字节流的，一般比较被动，处于一种等待连接来的状态，所以要设置等待连接，listen状态：
在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述

run函数开始接收消息，创建和套接字的连接，返回新的套接字描述符，用来后面通讯

为什么会有两个套接字
这个就像饭店拉客的例子，饭店门口有一个吆喝顾客进去吃饭的服务员，当接受这个建议后，进到店里，会重新分配一个服务员提供后续服务，点餐等，吆喝的服务员又会继续在门口等待下一个顾客

listen套接字是拉客的服务员，确保服务端需要通信，后续的发送和接收由accept创建的新套接字完成

在这里插入图片描述
service函数发送和接收消息，传入套接字，ip和port用来显示用户。tcp字节流读写可以直接用read和write函数
在这里插入图片描述

测试
开启服务端，服务端使用telnet命令，使用本机环回地址连接

telnet [ip] [端口]
在这里插入图片描述

接着输入^]就可以输入消息
在这里插入图片描述

全

#pragma once
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "log.hpp"

string defaultip = "0.0.0.0";
uint16_t defaultport = 8000;
const int back = 2;  //连接请求队列个数,一般2-4

Log log;

enum
{
    SOCK_ERR = 1,
    BIND_ERR,
    LIStEN_ERR
};

class server
{
public:
    server(const string ip = defaultip, const uint16_t port = defaultport)
    {
        _ip = defaultip;
        _port = defaultport;
    }

    void init()
    {
        _listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_listensock < 0)
        {
            log.logmessage(fatal, "socket create error");
            exit(SOCK_ERR);
        }
        log.logmessage(info, "socket create success:%d", _listensock);

        sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof(local));
        local.sin_family = AF_INET;
        inet_aton(_ip.c_str(), &local.sin_addr);
        local.sin_port = htons(_port);

        //绑定
        if (bind(_listensock, (const struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
        {
            log.logmessage(fatal, "bind error");
            exit(BIND_ERR);
        }
        log.logmessage(fatal, "bind success");

        //tcp面向连接,服务器一般被动,处于一种等待连接到来的状态
        // 设置listen状态
        if (listen(_listensock, back) < 0)
        {
            log.logmessage(fatal, "listen error");
            exit(LIStEN_ERR);
        }
    }

    void service(int fd, const string ip, const uint16_t port)
    {
        cout << "welcome " << ip << endl;
        char message[1024];
        while (true)
        {    
            ssize_t n = read(fd, message, sizeof(message) - 1);
            if (n > 0)
            {
                message[n] = 0;
                //数据处理
                string echo_string;
                echo_string = "[" + ip + ":" + to_string(port) + "]: " + message;
                cout << echo_string << endl;

                write(fd, echo_string.c_str(), echo_string.size());
            }
            
        }

    }

    void run()
    {
        while (true)
        {
            //获取链接
            sockaddr_in sock;
            socklen_t len;
            int sockfd = accept(_listensock, (sockaddr *)&sock, &len);
            if (sockfd < 0)
            {
                log.logmessage(warning, "accept fail");
                continue;
            }

            char buff[32];
            string clientip = inet_ntop(AF_INET, &sock.sin_addr, buff, len);
            uint16_t clientport = ntohs(sock.sin_port);

            service(sockfd, clientip, clientport);

            close(sockfd);
        }
    }

    ~server()
    {
        close(_listensock);
    }

private:
    int _listensock;
    string _ip;
    uint16_t _port;
};

客户端

初始化addr协议内容
在这里插入图片描述套接字
在这里插入图片描述

conncect函数建立连接
在这里插入图片描述

读写消息
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
全

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <pthread.h>
#include <fcntl.h>

using namespace std;

// string path = "/dev/pts/5";
// struct thread_data
// {
//     int _sockfd;
//     struct sockaddr_in _server;
//     string _ip;
// };

// void *send_message(void * temp)
// {
//     thread_data *td = (struct thread_data*)temp;
//     string message;
//     cout << "welcome " << td->_ip << endl;
//     while (true)
//     {
//         cout << "please enter: ";
//         getline(cin, message);
//         sendto(td->_sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (const sockaddr *)&td->_server, sizeof(td->_server));
//     }
    
// }

// void* recv_message(void* temp)
// {
//     // int fd = open(path.c_str(), O_WRONLY);
//     // if (fd < 0)
//     // {
//     //     perror("open");
//     // }

//     // dup2(fd, 2);

//     thread_data *td = (struct thread_data *)temp;
//     char buff[1024];
//     sockaddr_in rec;
//     socklen_t len = sizeof(rec);
//     while (true)
//     {
//         ssize_t s = recvfrom(td->_sockfd, buff, sizeof(buff) - 1, 0, (sockaddr *)&rec, &len);
//         if (s > 0)
//         {
//             buff[s] = 0;
//             cerr << buff << endl;
//         }
//     }

//     //close(fd);
// }

int main()
{
    //thread_data td;
    //ip和port可以通过命令行参数传入
    uint16_t port = 8000;
    string ip = "ip";
    struct sockaddr_in server;
    bzero(&server, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());
    server.sin_port = htons(port);

    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        cout << "socket error" << endl;
    }

    //建立连接
    if (connect(sockfd, (const struct sockaddr*)&server, sizeof(server)) < 0)
    {
        cout << "connect error" << endl;
    }
    cout << "connect success" << endl;
    // 通信
    string message;
    char buff[1024];
    while (true)
    {
        cout << "please enter:";
        getline(cin, message);
        write(sockfd, message.c_str(), message.size());

        ssize_t n = read(sockfd, buff, sizeof(buff) - 1);
        if (n > 0)
        {
            buff[n] = 0;
            cout << buff << endl;
        }
    }

    // client 需要绑定，但不显示绑定，由os自由选择
    //  pthread_t tid_send;
    //  pthread_t tid_recv;
    //  pthread_create(&tid_send, nullptr, send_message, &td);
    //  pthread_create(&tid_recv, nullptr, recv_message, &td);

    // pthread_join(tid_send, nullptr);
    // pthread_join(tid_recv, nullptr);

    close(sockfd);
}

多进程版

上面的程序是单进程的，主进程会跟随sevice程序直到结束，只能提供一个客户链接。需要可以多个用户同时连接的
在service函数的时候fork子进程，让子进程去执行功能，双方关闭不需要的文件，子进程关闭listen套接字，父进程关闭sockfd套接字，互不影响。但父进程会卡在回收子进程的wait函数里，可以用非阻塞的等待，保存打开过的套接字轮询。还可以在fork的子进程里再一次fork，fork成功后子进程退出，这样代替执行功能的就是孙子进程，孙子进程会被os领养，结束后自动释放，同时设置进程退出信号为忽视，就不需要等待子进程

void run()
    {
        //忽视子进程
        signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
        while (true)
        {
            //获取链接
            sockaddr_in sock;
            socklen_t len;
            int sockfd = accept(_listensock, (sockaddr *)&sock, &len);
            if (sockfd < 0)
            {
                log.logmessage(warning, "accept fail");
                continue;
            }

            char buff[32];
            string clientip = inet_ntop(AF_INET, &sock.sin_addr, buff, len);
            uint16_t clientport = ntohs(sock.sin_port);

            pid_t pid = fork();
            if (pid == 0)
            {
                // 子进程，孙子进程执行,子进程直接回收
                if (fork() > 0)
                    exit(0); // 孙子进程,system领养
                service(sockfd, clientip, clientport);
                close(_listensock);
                exit(0);
            }
            // 父进程
            pid_t ret = waitpid(pid, nullptr, 0);
            close(sockfd);
        }
    }

可以从函数开始就for循环fork，每一个子进程都会从listen套接字中获取标识符，执行service。只不过这种竞争性的需要给accept加锁

多线程版

创建进程的成本比较大，所以可以适用多线程版本

线程调用的函数来提供service功能，需要传入文件符，ip和port，所以创建一个结构体作为参数。线程执行的routine函数在类内需是静态的，主线程等待线程退出也会阻塞，所以将线程分类，退出信号忽视。静态函数无法调用非静态函数，所以传入的参数内带一个server类变量，向前声明server类，用this指针初始化，用来调用service函数

struct thread_data
{
    int _fd;
    string _ip;
    uint16_t _port;
    server* ser;
};

static void* routine(void* tmp)
    {
        //线程分离
        pthread_detach(pthread_self());
        //可以service函数提到类外
        //添加一个类成员
        thread_data *td = static_cast<thread_data*>(tmp);
        td->ser->service(td->_fd, td->_ip, td->_port);

        delete td;
        return nullptr;
    }
            pthread_t tid;
            thread_data* td = new thread_data;
            td->_fd = sockfd;
            td->_ip = clientip;
            td->_port = clientport;
            td->ser = this;
            pthread_create(&tid, nullptr, routine, td);

线程池版

多线程版本，如果有一个客户就要建立一个线程，当高峰的时候，可能会有很多个线程同时开启，资源占用大

加入之前写好的线程池，当接收到一个会话后，派给线程池，线程池会自动分配线程执行任务
在这里插入图片描述
修改tash任务类，成员保存文件符，ip和port
在这里插入图片描述
读取内容处理后写回去，关闭文件。常服务不在线程池里跑，执行一次后结束会话
在这里插入图片描述
全
ThreadPool

#pragma once
#include <vector>
#include <queue>
#include <pthread.h>
#include <string>
#include <unistd.h>

//换为封装的线程
struct ThreadInfo
{
    pthread_t _tid;
    std::string _name;
};
template <class T>
class pool
{
    static const int defaultnum = 5;

public:
   

    std::string getname(pthread_t tid)
    {
        for (auto ch : _thread)
        {
            if (ch._tid == tid)
            {
                return ch._name;
            }
        }
        return "None";
    }
    static void* HandlerTask(void* args)
    {
        pool<T> *tp = static_cast<pool<T> *>(args);
        std::string name = tp->getname(pthread_self());
        while (true)
        {
            pthread_mutex_lock(&(tp->_mutex));
            while (tp->_que.empty())
            {
                pthread_cond_wait(&(tp->_cond), &(tp->_mutex));
            }
            T t = tp->_que.front();
            tp->_que.pop();
            pthread_mutex_unlock(&tp->_mutex);
            t.run();
            //printf("%s finsih task:%s\n", name.c_str(), t.getresult().c_str());
            //sleep(1);
        }
        }
    void start()
    {
        for (int i = 0; i < _thread.size(); i++)
        {
            _thread[i]._name = "thread" + std::to_string(i);
            pthread_create(&_thread[i]._tid, nullptr, HandlerTask, this);
        }
    }

    void push(const T& x)
    {
        pthread_mutex_lock(&_mutex);
        _que.push(x);
        pthread_cond_signal(&_cond);
        pthread_mutex_unlock(&_mutex);
    }
    
    static pool<T>* GetInstance()
    {
        //套一层判断,只有第一次需要上锁
        if (_pl == nullptr)
        {
            pthread_mutex_lock(&_lock);
            if (_pl == nullptr)
            {
                //printf("first create\n");
                _pl = new pool<T>;
            }
            pthread_mutex_unlock(&_lock);
        }

        return _pl;
    }

private:
//构造私有化
    pool(int num = defaultnum)
        : _thread(num)
    {
        pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond, nullptr);
    }

    pool(const pool<T> &) = delete;
    const pool<T> &operator=(const pool<T>&) = delete;
    ~pool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mutex);
        pthread_cond_destroy(&_cond);
    }
    std::vector<ThreadInfo> _thread;
    std::queue<T> _que;

    pthread_mutex_t _mutex;
    pthread_cond_t _cond;

    static pthread_mutex_t _lock;
    static pool<T> *_pl;
};

//类外初始化
template <class T>
pool<T>* pool<T>::_pl = nullptr;
template <class T>
pthread_mutex_t pool<T>::_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

task

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <string>
#include "log.hpp"
#include "init.hpp"

// enum
// {
//     DIVZERO = 1,
//     UNKNOW
// };

extern Log log;
Dict dict;
struct task
{
public:
   task(int fd, string ip, uint16_t port)
   {
       _fd = fd;
       _ip = ip;
       _port = port;
   }

   void run()
   {
    //常服务在线程池跑不合理,循环
       cout << "welcome " << _ip << endl;
       char message[1024];

       ssize_t n = read(_fd, message, sizeof(message) - 1);
       if (n > 0)
       {
           message[n] = 0;
           // 数据处理
           string echo_string;
            echo_string = "[" + _ip + ":" + to_string(_port) + "]: " + message;
            cout << echo_string << endl;

           write(_fd, echo_string.c_str(), echo_string.size());
       }
       else if (n == 0)
       {
           log.logmessage(info, "quit server");
       }
       else
       {
           log.logmessage(warning, "read error");
       }

       close(_fd);
   }

private:
    int _fd;
    string _ip;
    uint16_t _port;
};

server

#pragma once
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
//#include <netinet/in.h>
#include <wait.h>
#include <signal.h>
#include "ThreadPool.hpp"
#include "task.hpp"
#include "log.hpp"

string defaultip = "0.0.0.0";
uint16_t defaultport = 8000;
const int back = 2;  //连接请求队列个数,一般2-4

Log log;

enum
{
    SOCK_ERR = 1,
    BIND_ERR,
    LIStEN_ERR
};

class server;
struct thread_data
{
    int _fd;
    string _ip;
    uint16_t _port;
    server* ser;
};

class server
{
public:
    server(const string ip = defaultip, const uint16_t port = defaultport)
    {
        _ip = defaultip;
        _port = defaultport;
    }

    void init()
    {
        _listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_listensock < 0)
        {
            log.logmessage(fatal, "socket create error");
            exit(SOCK_ERR);
        }
        log.logmessage(info, "socket create success:%d", _listensock);

        sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof(local));
        local.sin_family = AF_INET;
        inet_aton(_ip.c_str(), &local.sin_addr);
        local.sin_port = htons(_port);

        //绑定
        if (bind(_listensock, (const struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
        {
            log.logmessage(fatal, "bind error:%s",strerror(errno));
            exit(BIND_ERR);
        }
        log.logmessage(info, "bind success");

        //tcp面向连接,服务器一般被动,处于一种等待连接到来的状态
        // 设置listen状态
        if (listen(_listensock, back) < 0)
        {
            log.logmessage(fatal, "listen error");
            exit(LIStEN_ERR);
        }
    }

    // void service(int fd, const string ip, const uint16_t port)
    // {
    //     cout << "welcome " << ip << endl;
    //     char message[1024];
    //     while (true)
    //     {    
    //         ssize_t n = read(fd, message, sizeof(message) - 1);
    //         if (n > 0)
    //         {
    //             message[n] = 0;
    //             //数据处理
    //             string echo_string;
    //             echo_string = "[" + ip + ":" + to_string(port) + "]: " + message;
    //             cout << echo_string << endl;

    //             write(fd, echo_string.c_str(), echo_string.size());
    //         }
            //读到0和其他情况
    //     }

    // }

    // static void* routine(void* tmp)
    // {
    //     //线程分离
    //     pthread_detach(pthread_self());
    //     //可以service函数提到类外
    //     //添加一个类成员
    //     thread_data *td = static_cast<thread_data*>(tmp);
    //     td->ser->service(td->_fd, td->_ip, td->_port);

    //     delete td;
    //     return nullptr;
    // }

    void run()
    {
        pool<task>::GetInstance()->start();
        // 忽视子进程
        //signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
        while (true)
        {
            //获取链接
            struct sockaddr_in sock;
            socklen_t len = sizeof(sock);
            int sockfd = accept(_listensock, (sockaddr *)&sock, &len);
            if (sockfd < 0)
            {
                log.logmessage(warning, "accept fail");
                continue;
            }

            char buff[32];
            string clientip = inet_ntop(AF_INET, &sock.sin_addr, buff, len);
            uint16_t clientport = ntohs(sock.sin_port);
            log.logmessage(info, "get a new link,sockfd:%d", sockfd);
            // 线程池
            task t(sockfd, clientip, clientport);
            pool<task>::GetInstance()->push(t);
            //多线程
            // pthread_t tid;
            // thread_data* td = new thread_data;
            // td->_fd = sockfd;
            // td->_ip = clientip;
            // td->_port = clientport;
            // td->ser = this;

            // pthread_create(&tid, nullptr, routine, td);
            // 多进程
            // pid_t pid = fork();
            // if (pid == 0)
            // {
            //     // 子进程，孙子进程执行,子进程直接回收
            //     close(_listensock);
            //     if (fork() > 0)
            //         exit(0); // 孙子进程,system领养
            //     service(sockfd, clientip, clientport);
            //     close(sockfd);
            //     exit(0);
            // }
            // // 父进程
            // pid_t ret = waitpid(pid, nullptr, 0);
            // close(sockfd);
        }
    }

    ~server()
    {
        close(_listensock);
    }

private:
    int _listensock;
    string _ip;
    uint16_t _port;
};

英汉互译

准备一个词典文件，用：分割单词和汉语
在这里插入图片描述

init类加载词典和提供翻译功能
类成员用unorderedmap，string格式的单词查找存储的string类型汉语值
初始化功能打开文件，分割单词和翻译，加载到数据结构内
在这里插入图片描述

翻译功能遍历map查找翻译

在这里插入图片描述

task文件开始时初始化词典，收到数据调用翻译功能，将结果写会给客户

Dict dict;
echo_string = dict.translate(message);

init.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <fstream>
#include <unordered_map>

using namespace std;
const string filename = "./dict.txt";

static void split(string line, string* key, string* value)
{
    auto s = line.find(":");
    if (s != string::npos)
    {
        *key = line.substr(0, s);
        *value = line.substr(s + 1);
    }
}

class Dict
{
public:
    Dict()
    {
        cout << "开始打开" << endl;
        ifstream dic(filename);
        if (!dic.is_open())
        {
            cout << "file open error" << endl;
            exit(1);
        }
        string line;
        while (getline(dic, line))
        {
            string patr1;
            string part2;
            split(line, &patr1, &part2);
            _dict.insert({patr1, part2});
        }

        dic.close();
    }

    string translate(string word)
    {
        for (auto ch : _dict)
        {
            if (ch.first == word)
            {
                return ch.second;
            }
        }

        return "";
    }
    ~Dict()
    {

    }
private:
    unordered_map<string, string> _dict;
};

在这里插入图片描述

错误处理

当客户端发送请求，服务端正在往回写时，客户端的文件已经关闭，往一个不存在的文件写入内容就会发生错误，为了避免这种情况，刚开始的时候先关闭SIGPIP信号
在这里插入图片描述

write函数也有返回值，返回成功写入的字符个数，可以通过返回值判断写入情况
在这里插入图片描述

掉线重连

如果客户端在网络不好等其他情况掉线了，首先需要知道出错，也就是读或者写出错误，需要重新连接，模仿一个重连的情况

重连设置一定次数和时间间隔，用bool变量控制是否需要重连，读取成功后关闭文件重连

在这里插入图片描述在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

客户端发送数据的时候，服务端关闭，这时候客户端掉线重连了两次，重启服务端后连接成功

上面的情况有时候可能因为一个端口绑定后无法立即再次绑定，需要调用setsockopt函数复用之前的端口和ip启动

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