TCP的编程流程

在这里插入图片描述
TCP的编程流程：大致可以分为五个过程，分别是准备过程、连接建立过程、获取新连接过程、消息收发过程和断开过程。

1.准备过程：服务端和客户端需要创建各自的套接字，除此之外服务端还需要绑定自己的地址信息和进行监听。注意：服务端调用listen函数后，处理监听状态，这时由socket函数返回的描述符被称为”监听套接字“，本质上是一个文件描述符，但是客户端没有”监听套接字‘这个概念。
2.连接建立过程：三次握手的过程，请注意，三次握手需要在服务端开始监听之后才能进行的，并且在应用层只需要程序员调用connect接口就可以了，剩下的三次握手的具体过程是在操作系统内核进行的，无需程序员干预
3.获取新连接过程：当连接建立好之后，建立好的连接会被放入已完成连接队列，在服务端只需要调用accept接口获取新的套接字即可。注意：如果没有调用accept接口，新的套接字不会被拿到应用层。也就没有真正意义上的建立连接
4.消息收发过程：当本端给对端发送消息时，将消息发送后，对端会回复一个确认消息。这个确认消息并不是程序员调用发送接口发送的，而是TCP协议自己发送的。
5.关闭过程：调用close接口后，就会关闭本端的新连接套接字。

对于连接建立过程来说：当某个客户端发送了连接请求后，还处于正在建立连接的过程中，就会处于未完成连接队列，而已经完成了建立连接这个过程的，就处于已完成连接队列。accept函数就是从已完成连接队列中拿新连接套接字的。

在这里插入图片描述

TCP的接口

对于创建套接字和绑定的操作接口，在【Linux】网络---->套接字编程UDP中已介绍，这里就只介绍和UDP不同的接口。

监听：当TCP服务端调用listen函数时，属于listen状态，标志着服务端可以正常接收客户端的请求了。

int listen(int sockfd, int backlog);

参数：
sockfd：套接字描述符，也就是socket函数的返回值，被称为”监听套接字“
backlog：实际含义是：已完成连接队列的大小。引申含义是：TCP并发连接数：TCP瞬时能处理TCP连接的最大数量（瞬时没有调用accept函数）。当服务端不进行accept，服务端最多能建立连接的个数为backlog+1。
可以通过/proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog修改未完成连接队列的大小。

注意：TCP并发连接数不等同于TCP服务端最多能够处理多少个TCP连接

问题：那么TCP服务端到底最多能够处理多少个TCP连接呢？
这个问题其实就是TCP服务端到底能够打开多少个文件描述符？
而到底能够打开多少个文件描述符，实际上是可以通过命令查看的，也可以通过命令修改，但是当超过某个值后，硬件就限制了其无法真正的打开n多个文件描述符。

accept获取新连接套接字

//这个函数是一个阻塞函数，如果没有已完成连接的连接，则阻塞等待，如有则返回
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数：
sockfd：套接字描述符
addr：地址信息结构体，描述客户端地址信息的结构体
addrlen：地址信息长度
返回值：成功返回新连接的套接字，失败返回-1

注意：返回的新连接套接字是后续客户端和服务端进行通信的。而监听套接字是在准备阶段，连接建立阶段和获取连接阶段使用的。

在这里插入图片描述

意味着：监听套接字负责接收来自各个客户端连接请求的，而连接完成，服务端进行accept之后，会为每一个客户端创建一个独有的专门的新套接字。服务端通过新连接套接字和对应的客户端进行通信。

由客户端调用connect函数

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数：
sockfd：套接字描述符（客户端）
addr：描述服务端的地址信息（服务端的ip和端口）
addrlen：地址信息长度
返回值：成功返回0，失败返回-1

注意：connect函数也可以绑定客户端的地址信息。（如果客户端没有进行绑定）

发送和接收

ssize_t send(int sockfd, const void* buf, size_t len, int flags);

参数：
sockfd：套接字描述符
buf：发送buf指向空间的内容
len：发送数据的长度
flags：0阻塞发送

注意：返回值很重要，成功返回发送的字节数，失败返回-1。

ssize_t recv(int sockfd, void* buf, size_t len, int flags);

参数：
sockfd：新连接套接字描述符
服务端：新连接套接字
客户端：socket 函数的返回值
buf，将接收到的数据存放在buf指定的空间，空间需要提前开辟好
len：期望接收的字节个数
flags：0阻塞接收

注意：返回值很重要，成功返回接收到的字节个数，接收失败返回-1，对端关闭连接0

TCP的代码（单线程、多进程、多线程代码）

单线程

注：由于未使用多路转接，所以无法使用单线程完成—>既要accept又要send和recv，因此这个代码是有bug的。
服务端代码：

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

int main()
{
  /*
   * 1.创建套接字
   * 2.绑定地址信息
   * 3.监听
   * 4.通信
   * 5.关闭
   * */
  int listen_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
  if(listen_sockfd < 0)
  {
    perror("socket");
    return 0;
  }

  struct sockaddr_in addr;
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(27878);
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");

  int ret = bind(listen_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
  if(ret < 0)
  {
    perror("bind");
    return 0;
  }
  ret = listen(listen_sockfd, 5);
  if(ret < 0)
  {
    perror("listen_sockfd");
    return 0;
  }
  while(1)
  {
    int newsockfd = accept(listen_sockfd, NULL, NULL);
    if(newsockfd < 0)
    {
      return 0;
    }
    printf("newsockfd:%d\n", newsockfd);
  
    //通信过程
    char buf[1024] = {0};
    ssize_t r_size = recv(newsockfd, buf, sizeof(buf)-1, 0);
    if(r_size < 0)
    {
      continue;
    }
    else if(r_size == 0)
    {
      printf("%d connect shutdown\n", newsockfd);
      close(newsockfd);
    }else{
      printf("client say : %s\n", buf);
      send(newsockfd, buf, strlen(buf), 0);
    }
  }
  while(1)
  {
    sleep(1);
  }

  return 0;
}

客户端代码：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<iostream>
#include<string.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

using namespace std;
int main()
{
  /*
   * 1.创建套接字
   * 2.发起连接
   * */
  int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
  if(sockfd < 0)
  {
    perror("socket");
    return 0;
  }

  /*要描述服务端的ip和port*/
  struct sockaddr_in addr;
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(27878);
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("10.0.12.14");

  int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
  if(ret < 0)
  {
    perror("connect");
    return 0;
  }
  while(1)
  {
    char buf[1024] = {0};
    printf("please enter: ");
    fflush(stdout);
    cin >> buf;
    send(sockfd, buf, strlen(buf), 0);

    memset(buf, '\0', sizeof(buf));
    ssize_t r_size = recv(sockfd, buf, sizeof(buf)-1, 0);
    if(r_size < 0)
    {
      continue;
    }
    else if(r_size == 0)
    {
      printf("%d connect shutdown\n", sockfd);
      close(sockfd);
    }else{
      printf("server recall ------- %s\n", buf);
    }
  }

  return 0;
}

多进程

注：由于未使用多路转接，所以对于服务端来说，只能通过创建多个进程来实现父进程accept，子进程和客户端进行通信
服务端代码：

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


void signalcallback(int sig)
{
  wait(NULL);
}

int main()
{
  signal(SIGCHLD, signalcallback);
  /*
   * 1.创建套接字
   * 2.绑定地址信息
   * 3.监听
   * 4.通信
   * 5.关闭
   * */
  int listen_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
  if(listen_sockfd < 0)
  {
    perror("socket");
    return 0;
  }

  struct sockaddr_in addr;
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(27878);
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");

  int ret = bind(listen_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
  if(ret < 0)
  {
    perror("bind");
    return 0;
  }
  ret = listen(listen_sockfd, 5);
  if(ret < 0)
  {
    perror("listen_sockfd");
    return 0;
  }
  while(1)
  {
    int newsockfd = accept(listen_sockfd, NULL, NULL);
    if(newsockfd < 0)
    {
      return 0;
    }
    printf("newsockfd:%d\n", newsockfd);
    
    /*
     * 1.创建子进程
     * 2.子进程和客户端通信
     * */

    //通信过程
    
    pid_t pid = fork();
    if(pid < 0)
    {
      close(newsockfd);//客户端通过接收的返回值可以感知到连接断开
      continue;
    }else if(pid == 0)
    {
      //子进程进行通信
      
      close(listen_sockfd);
      while(1)
      {
        char buf[1024] = {0};
        ssize_t r_size = recv(newsockfd, buf, sizeof(buf)-1, 0);
        if(r_size < 0)
        {
          continue;
        }
        else if(r_size == 0)
        {
          printf("%d connect shutdown\n", newsockfd);
          close(newsockfd);
          exit(1);  //结束子进程
        }else{
      }
        printf("client say : %s\n", buf);
      }
    }
    else{
      //父进程
      //自定义SIGCHLD信号，让父进程可以继续accept
    }
  }
  return 0;
}

多线程

注：由于未使用多路转接，因此除了使用多进程之外，还可以使用多线程进行，让主线程进行accept，工作线程和客户端通信。
服务端代码：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>

struct NewSockfd
{
  int _sockfd;
};

void* thread_worker(void* arg)
{
  struct NewSockfd* wokerfd = (struct NewSockfd*)arg;
  int newsockfd = wokerfd->_sockfd;
  pthread_detach(pthread_self());

  //通信过程
  while(1)
  {
    char buf[1024] = {0};
    ssize_t r_size = recv(newsockfd, buf, sizeof(buf)-1, 0);
    if(r_size < 0)
    {
      continue;
    }
    else if(r_size == 0)
    {
      printf("%d connect shutdown\n", newsockfd);
      close(newsockfd);
      delete wokerfd;
      pthread_exit(NULL); //结束线程
    }else{
        printf("client say : %s\n", buf);
        send(newsockfd, buf, strlen(buf), 0);
    }

  return NULL;
}

void signalcallback(int sig)
{
  wait(NULL);
}

int main()
{
  signal(SIGCHLD, signalcallback);
  /*
   * 1.创建套接字
   * 2.绑定地址信息
   * 3.监听
   * 4.通信
   * 5.关闭
   * */
  int listen_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
  if(listen_sockfd < 0)
  {
    perror("socket");
    return 0;
  }

  struct sockaddr_in addr;
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_port = htons(27878);
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");

  int ret = bind(listen_sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
  if(ret < 0)
  {
    perror("bind");
    return 0;
  }
  ret = listen(listen_sockfd, 5);
  if(ret < 0)
  {
    perror("listen_sockfd");
    return 0;
  }
  while(1)
  {
    int newsockfd = accept(listen_sockfd, NULL, NULL);
    if(newsockfd < 0)
    {
      return 0;
    }
    printf("newsockfd:%d\n", newsockfd);
    
    /*
     * 1.创建工作线程
     * 2.工作线程和客户端通信
     * */

    struct NewSockfd* fd = new struct NewSockfd;
    fd->_sockfd = newsockfd;
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, thread_worker, (void*)fd);
    if(ret < 0)
    {
      close(newsockfd);
      continue;
    }


    //通信过程
 
      }
    }
  return 0;
}