使用socket编程来实现一个简单的C/S模型（TCP协议）

前置

所使用到的函数查看本专栏中：socket的概念和常用函数介绍

1.C/S模型 - TCP

下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程：

服务器调用socket()、bind()、listen()完成初始化后，调用accept()阻塞等待，处于监听端口的状态，客户端调用socket()初始化后，调用connect()发出SYN段并阻塞等待服务器应答，服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect()返回，同时应答一个ACK段，服务器收到后从accept()返回。

数据传输的过程：

建立连接后，TCP协议提供全双工的通信服务，但是一般的客户端/服务器程序的流程是由客户端主动发起请求，服务器被动处理请求，一问一答的方式。因此，服务器从accept()返回后立刻调用read()，读socket就像读管道一样，如果没有数据到达就阻塞等待，这时客户端调用write()发送请求给服务器，服务器收到后从read()返回，对客户端的请求进行处理，在此期间客户端调用read()阻塞等待服务器的应答，服务器调用write()将处理结果发回给客户端，再次调用read()阻塞等待下一条请求，客户端收到后从read()返回，发送下一条请求，如此循环下去。

如果客户端没有更多的请求了，就调用close()关闭连接，就像写端关闭的管道一样，服务器的read()返回0，这样服务器就知道客户端关闭了连接，也调用close()关闭连接。注意，任何一方调用close()后，连接的两个传输方向都关闭，不能再发送数据了。如果一方调用shutdown()则连接处于半关闭状态，仍可接收对方发来的数据。

在学习socket API时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的：应用程序调用某个socket函数时TCP协议层完成什么动作，比如调用connect()会发出SYN段应用程序如何知道TCP协议层的状态变化，比如从某个阻塞的socket函数返回就表明TCP协议收到了某些段，再比如read()返回0就表明收到了FIN段

大致流程：

server:

  socket() 创建socket

bind() 绑定服务器地址结构

listen() 设置监听上限

accept() 阻塞监听客户端连接

read(fd) 读socket获取客户端数据

toupper() 小写 -- 大写

writer(fd)

close()

client:

        socket() 创建socket

connect() 与服务器建立连接

writer(fd) 写数据到socket

read(fd) 读转换后地数据

显示读取结果

close()

server

下面通过最简单的客户端/服务器程序的实例来学习socket API。

server.c的作用是从客户端读字符，然后将每个字符转换为大写并回送给客户端。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sockaddr_in servaddr;  //服务器的地址结构
    char buf[MAXLINE];
    int sockfd, n;
    char *str;

    if (argc != 2) {
        fputs("usage: ./client message\n", stderr);
        exit(1);
    }
    str = argv[1];   //通过命令行运行时顺带加上要转换大小写的字符串

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 初始化服务器的地址结构
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr); //这里就不能任意取了，要指定要服务器的IP
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    //connect申请连接到服务器
    connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    write(sockfd, str, strlen(str));   //像服务器写要转换大写的字符串

    n = read(sockfd, buf, MAXLINE);
    printf("Response from server:\n");  
    write(STDOUT_FILENO, buf, n);
    close(sockfd);

    return 0;
}

client

client.c的作用是从命令行参数中获得一个字符串发给服务器，然后接收服务器返回的字符串并打印。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>  // 添加这个头文件以使用 inet_pton 函数

#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sockaddr_in servaddr;  // 服务器的地址结构
    char buf[MAXLINE];
    int sockfd, n;
    char *str;

    if (argc != 2) {
        fputs("usage: ./client message\n", stderr);
        exit(1);
    }
    str = argv[1];   // 通过命令行运行时顺带加上要转换大小写的字符串

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // 初始化服务器的地址结构
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);  // 这里指定服务器的IP
    servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

    // connect 申请连接到服务器
    connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    write(sockfd, str, strlen(str));   // 向服务器发送要转换为大写的字符串

    n = read(sockfd, buf, MAXLINE);
    printf("Response from server:\n");  
    write(STDOUT_FILENO, buf, n);  // 将服务器的响应输出到标准输出
    close(sockfd);

    return 0;
}

由于客户端不需要固定的端口号，因此不必调用bind()，客户端的端口号由内核自动分配。注意，客户端不是不允许调用bind()，只是没有必要调用bind()固定一个端口号，服务器也不是必须调用bind()，但如果服务器不调用bind()，内核会自动给服务器分配监听端口，每次启动服务器时端口号都不一样，客户端要连接服务器就会遇到麻烦。

客户端和服务器启动后可以使用netstat命令查看链接情况：

netstat -apn|grep 6666

2.出错处理封装函数

上面的例子不仅功能简单，而且简单到几乎没有什么错误处理，我们知道，系统调用不能保证每次都成功，必须进行出错处理，这样一方面可以保证程序逻辑正常，另一方面可以迅速得到故障信息。

为使错误处理的代码不影响主程序的可读性，我们把与socket相关的一些系统函数加上错误处理代码包装成新的函数，做成一个模块wrap.c：

wrap.c

#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
void perr_exit(const char *s)
{
    perror(s);
    exit(1);
}
int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr)
{
    int n;
    again:
    if ( (n = accept(fd, sa, salenptr)) < 0) {
        if ((errno == ECONNABORTED) || (errno == EINTR))
            goto again;
        else
            perr_exit("accept error");
    }
    return n;
}
int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{
    int n;
    if ((n = bind(fd, sa, salen)) < 0)
        perr_exit("bind error");
    return n;
}
int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen)
{
    int n;
    if ((n = connect(fd, sa, salen)) < 0)
        perr_exit("connect error");
    return n;
}
int Listen(int fd, int backlog)
{
    int n;
    if ((n = listen(fd, backlog)) < 0)
        perr_exit("listen error");
    return n;
}
int Socket(int family, int type, int protocol)
{
    int n;
    if ( (n = socket(family, type, protocol)) < 0)
        perr_exit("socket error");
    return n;
}

ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes)
{
    ssize_t n;
    again:
    if ( (n = read(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
        if (errno == EINTR)
            goto again;
        else
            return -1;
    }
    return n;
}

ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes)
{
    ssize_t n;
    again:
    if ( (n = write(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
        if (errno == EINTR)
            goto again;
        else
            return -1;
    }
    return n;
}

int Close(int fd)
{
    int n;
    if ((n = close(fd)) == -1)
        perr_exit("close error");
    return n;
}

/*参三：应该读取的字节数*/
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n)
{
    size_t nleft;  //usigned int 剩余未读取到的字节数
    ssize_t nread; //int 实际读到的字节数
    char *ptr;

    ptr = vptr;
    nleft = n;   //n 未读取字节数

    while (nleft > 0) {
        if ( (nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {
            if (errno == EINTR)
                nread = 0;
            else
                return -1;
        } else if (nread == 0)
            break;
        nleft -= nread;
        ptr += nread;
    }
    return n - nleft;
} //网络编程中只有文件描述符 --read和write，要一行一行的读取或是指定大小数据读取得用到文件指针的函数才有那功能
//因此可以对read和write进行封装，实现读取或写入指定大小的数据

ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n)
{
    size_t nleft;
    ssize_t nwritten;
    const char *ptr;

    ptr = vptr;
    nleft = n;

    while (nleft > 0) {
        if ( (nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) {
            if (nwritten < 0 && errno == EINTR)
                nwritten = 0;
            else
                return -1;
        }
        nleft -= nwritten;
        ptr += nwritten;
    }
    return n;
}

static ssize_t my_read(int fd, char *ptr)
{
    static int read_cnt;
    static char *read_ptr;
    static char read_buf[100];

    if (read_cnt <= 0) {
        again:
        if ((read_cnt = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) < 0) {
            if (errno == EINTR)
                goto again;
            return -1;
        } else if (read_cnt == 0)
            return 0;
        read_ptr = read_buf;
    }
    read_cnt--;
    *ptr = *read_ptr++;
    return 1;
}

/*传出参数 vptr*/
ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen)
{
    ssize_t n, rc;
    char c, *ptr;
    ptr = vptr;

    for (n = 1; n < maxlen; n++) {
        if ( (rc = my_read(fd, &c)) == 1) {
            *ptr++ = c;
            if (c == '\n')
                break;
        } else if (rc == 0) {
            *ptr = 0;
            return n - 1;
        } else
            return -1;
    }
    *ptr = 0;
    return n;
}

wrap.h

#ifndef __WRAP_H_
#define __WRAP_H_
void perr_exit(const char *s);
int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr);
int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
int Listen(int fd, int backlog);
int Socket(int family, int type, int protocol);
ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes);
ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes);
int Close(int fd);
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n);
ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n);
ssize_t my_read(int fd, char *ptr);
ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen);
#endif