🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《网络》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

上篇文章中本喵介绍了UDP网络通信的socket代码，今天介绍TCP网络通信的socket代码。

TCP

🧁TCP网络编程
- 🍦服务端实现
- - 将套接字设置为listen状态
- 🍦客户端实现
- 🍦多进程版本
- 🍦多线程版本
- 🍦线程池版本
🧁日志功能
🧁守护进程
- 🍦变成守护进程
🧁总结

🧁TCP网络编程

🍦服务端实现

和udp的网络通信一样，tcp通信也需要服务器指定端口号，IP地址同样使用0.0.0.0，以便客户端所有对服务器的网络请求都能收到。

class tcpServe
{
public:
	  // 构造函数
      tcpServe(const uint16_t &port)
      	: _port(port), _listensock(-1)
      {}
      // 服务器初始化
      void initServer()
      {}
      // 服务器运行
      void start()
      {}
      // 析构函数
      ~tcpServe()
      {}
private:
      int _listensock; // 不是用来进行数据通信的，是用来监听链接到来的，获取新连接
      uint16_t _port;
};

服务器类的框架如上面代码所示，包括一个文件描述符istensock，还有一个端口号_port，这里本喵没有写IP地址的成员变量，因为会给它一个缺省值，所以没有必要，后面本喵会详细讲解。

下面就是将tcpServe类中成员函数的具体逻辑写出来了。

initServer()

首先是创建套接字，和udp一样，使用系统调用socket，只是填的参数不一样，第一个参数仍然是AF_INET表示网络间通信，第二个参数这里使用的是SOCK_STREAN，表示面向字节流的，不再是面向用户数据报了，第三个参数仍然是0。

创建套接字的结果使用日志函数logMessage()来记录日志。

然后就是将端口号和IP地址使用系统调用bind和操作系统绑定，填充的结构体仍然是struct sockaddr_in，和之前的udp一样，只是在填充IP地址的时候，本喵这里使用了INADDR_ANY，它的意义就是0.0.0.0。

它在Linux中的定义如上图所示，我们使用的0.0.0.0转换成uint16_t以后就是0x00000000。

在使用bind进行绑定的时候，同样需要将填充的结构体强转成struct sockaddr*，绑定的结果使用日志来记录。

将套接字设置为listen状态

第三步就是将套接字设置为监听状态，使用系统调用listen，如上图所示。

系统调用listen的作用是将套接字设置为监听状态，此时这个套接字和udp中的套接字不一样，它不用来通信，只用来检测客户端的连接请求的。

第一个参数sockfd就是使用socket创建套接字返回的文件描述符，第二个参数这里本喵暂时不做讲解，等后面会详细讲解，这里随便给一个值就可以，不要太大，本喵这里给的是5。

设置成功返回0，设置失败返回-1，并且设置错误码，同样使用日志来记录设置结果。

以上三步就是初始化initServe中的内容。

start()

第四步写在start函数中，如上图所示，使用accept来接收客户端的连接请求，有点像udp中的recvfrom一样，只是accept是用来接收套接字的连接请求，而recvfrom是接收套接字中的数据的。

accept系统调用的参数和recvfrom中的一样，如上图所示，accept的作用就是接收来自套接字中的连接请求，也就是来自客户端的连接请求。

返回值：

上面本喵说过，设置为listen状态的套接字不用了通信，只是用来接收客户端的网络请求，具体体现在accept的返回值上。

此时第一步中创建的套接字就像是一个门童，使用accept来接收客户端的连接请求，如果有连接请求并且接收成功，那么会返回一个文件描述符fd。

这里的文件描述符sock和前面的_listensock不是一个东西，_listensock是我们创建的，是专门用来接收连接请求的，而accept返回的sock是操作系统在接收成功连接请求后新创建的套接字的文件描述符。

sock指向的文件描述符是服务端专门用来和客户端通信的，所以每有一个客户端向服务器发起连接请求，客户端接收成功够都会创建一个套接字用来一对一的提供服务。

_listensock：我们创建套接字返回的文件描述符，必须设置为listen状态，专门用来检测客户端的连接请求的。
sock：accept返回的文件描述符，是操作系统自动创建的套接字的文件描述符，该套接字专门用来和客户端进行一对一网络通信的。

如果accept接收连接请求失败，则返回-1，并且设置错误码。这里的失败并不是致命的，就像门童拉客一样，拉客失败也没有什么，继续进行下一次拉客就行。

所以accept失败也没有什么，继续接收下一个连接请求即可，所以本喵在代码中，如果接收失败，使用了continue继续接收连接请求。

服务器的服务函数：

至此，进行tcp网络通信的所有准备工作已经做完，接下来就是进行具体的服务了，也就是读取客户端发送来的数据并做相应的处理了。

如上图代码所示，就是服务器指向的具体服务函数。

客户端读取客户端发送来的数据时，是从accept返回的文件描述符sock指向的套接字中读取数据的，因为这个套接字是专门用来服务客户端的。

读取数据时，使用的是read系统调用，和读取普通文件一模一样。

数据读取成功后，做一些处理，先将读取的数据打印一下，然后加一个serve[echo]回显，再给客户端发送过去。

发送数据时，使用的是write系统调用，写入的也是sock指向的套接字，同样与向普通文件中写入数据一模一样。

在读取普通文件的时候，如果文件被读完了，read会返回0，表示文件的内容被读取完毕。

但是在使用read读取tcp套接字的时候，如果读取到0，表示客户端关闭了它的套接字，代表着客户端不再进行网络通信了，此时服务端就可以结束这次通信了，也就是将sock指向的套接字关闭。

以上代码都是在tcpServe.hpp中写的，都是tcpServe类中的成员函数以及成员变量，它是对服务器的一个抽象表示。

tcpServe.cpp

同样使用智能指针unique_ptr来管理这个服务器，和udp网络通信一样。

运行服务器以后，通过日志信息可以看到，套接字创建成功，bind成功，并且成功将套接字设置成了listen状态。

之后服务器就阻塞不动了，此时它应该执行的是accept函数，也就是应该正在接收来自客户端的网络请求。但是它此时阻塞不动了，这是因为目前没有网络连接请求到来。

accept是阻塞执行的，在没有网络连接请求的时候，会阻塞等待，直到客户端的网络连接请求到来。

使用指令netstat -nltp可以查看当前机器上的tcp网络通信进程，如上图所示。

绿色框中的就是我们前面写的tcp服务器进程，其中IP地址是0.0.0.0，如上图蓝色框中所示，端口号是8080，还可以看到进程的pid是22099，进程名字是./tcpserve，说明我们写的tcp服务器没有问题，成功的运行了起来。

🍦客户端实现

class tcpClient
{
public:
	// 构造函数
    tcpClinet(const string& serverip, const uint16_t serverport)
    	:_serverip(serverip), _serverport(serverport), _sockfd(-1)
    {}
    // 客户端初始化
    void initClient()
    {}
    // 客户端启动
    void start()
    {}
    // 析构函数
    ~tcpClinet()
    {}
private:
	string _serverip;
    uint16_t _serverport;
    int _sockfd;
};

客户端需要的成员变量和udp中一样，也是需要服务端的IP地址，服务端的端口号，以及客户端自己创建套接字的文件描述符_sockfd。成员函数和服务端类似，接下来要做的就是实现具体的逻辑。

initClient()

首先创建套接字，如果失败直接打印错误信息，客户端没有使用日志来记录。和udp一样，tcp通信的客户端也不需要显式绑定，同样也是由系统自动去绑定。

start()

第三步要发起连接，使用的系统调用是connect。

用法和recfrom以及accept非常类似，第一个参数是创建的套接字的文件描述符，第二个参数是填充的struct sockaddr_in结构体，在传参的时候，需要强转为struct sockaddr*类型，第三个参数是结构体的大小。发起请求成功返回0，失败返回-1。

用法非常熟悉，只是作用不同，connect的作用就是在套接字中发起一个网络请求，这个网络请求服务端的监听套接字可以检测到。

请求发起成功够就开始通信了，同样使用系统调用read和write向套接字中读取和写入数据，和操作普通文件一样。

这个客户端程序中，先从标准输入获取用户从键盘上输入的数据，然后通过write写入到套接字中，也就是发给服务器，然后使用read从套接字中读取服务端回显的信息并且打印出来。

以上就是客户端的代码，同样放在一个类中，在使用的时候直接实例化后就可以使用。

tcpClient.cpp

同样使用智能指针来管理客户端对象，具体的不再讲解。

服务端进程跑起来后，创建套接字，绑定以及将套接字设置成监听状态，当这里准备工作做完以后，在接收连接请求的时候会阻塞等待连接请求的到来。

在客户端进程跑起来后，服务端立刻接收到了连接请求，并且创建了一个套接字用户服务客户端，此时客户端和服务端就可以进行网络通信了。

客户端发送什么，服务端就收到什么，然后再经过加工将数据返回给客户端。

使用指令netstat -anlp可以查看当前机器上运行的网络通信进程，如上图所示。

红色框中的是服务器进程，本地环回IP地址是127.0.0.1，端口号是8080，与其连接的客户端端口号是40428。
绿色框中的是客户端进程，本地环回IP地址仍然是127.0.0.1，端口号是40428，与其连接的服务器端口号是8080。

由于本喵是在一台机器上测试的，所以查看网络通信进程的时候，可以同时看到服务器的和客户端的。

在服务器运行起来后，第一个客户端可以成功建立连接，第二个客户端就无法连接了，处于阻塞等待状态。

这是因为第一个客户端连接连接后，服务器就陷入了死循环，如上图代码所示。

在start中有一个while(1)，用来不断接收接收来自客户端的连接请求，连接成功后进入具体的服务函数serviceIO，在这个函数中也有一个while(1)循环，不断进行客户端和服务端的网络IO。

所以当第一个客户端连接成功后，服务器就陷入了serviceIO的死循环中，当新的客户端发起连接请求时，服务器无法accept到，所以表现出来的就是上图所示的现象。

这是本喵为了测试而写的测试代码。真正的tcp网络通信中肯定不能这样，而是要满足多个客户端都能和服务端连接成功。

🍦多进程版本

为了实现多个客户端都能和服务器建立连接，第一种策略就是采用多进程的形式，服务器每建立一个和客户端的连接请求就创建一个新的进程，用来一对一服务客户端。

在start函数中，accept连接后，开始进行具体的服务，也就是调用serviceIO函数，之前是直接调用，此时需要用fork创建一个子进程，让子进程去调用serviecIO函数，如上图绿色框中所示。

子进程会继承父进程的一切，所以父进程中监听套接字的文件描述符_listensock也会被继承下来
为了防止子进程进行误操作以及一定程度上节省资源，在子进程中将_listnesock指向的监听套接字关闭。

为了避免子进程造成内存泄漏，当子进程退出以后，父进程需要回收子进程资源，可以使用waitpid来回收子进程，有阻塞等待和非阻塞等待，这里本喵采用阻塞等待，如上图第二个红色框。

但是子进程执行的serviceIO是一个死循环，如果子进程没有退出的话，父进程就会一直阻塞在waitpid处等待，当有新的客户端请求连接时同样无法accept到，就变成和之前的一样了。

使用waitpid等待子进程退出时，一般不建议使用非阻塞的方式。

为了解决这个问题，在子进程中再次创建子进程，如上图蓝色框中所示，子进程fork后，又创建出一个子进程，该子进程是上一层父进程的孙子进程。

孙子进程一经创建，它的父进程就退出，父进程之后的代码也就是servicIO由孙子进程来执行，孙子进程执行完服务函数后，关闭当前套接字，并且退出，此时祖父进程就可以继续循环accept了。

这里将原本父进程要执行的代码转交给孙子进程去执行，祖父进程从容获得自己，可以继续去accept。

可以看到，此时两个客户端就可以同时和服务器建立连接，并且进行通信了，而且两个客户端之间互不影响，因为在服务端，每个客户端都存在一个套接字进行一对一服务。

使用指令ps ajx查看当前机器上的进程时，可以看到名字为tcpserve的进程有3个，第一个进程就是祖父进程，pid为15959。

后面两个进程是孙子进程，每个进程对应着一个客户端，它们各自的pid值不一样，但是ppid都是1，表示操作系统。

由于孙子进程的父进程退出了，所以两个孙子进程变成了孤儿进程由操作系统领养，它两的资源也由操作系统负责回收。

此时就可以实现多客户端和服务器之间的网络通信了，每多一个客户端就会在服务器上多创建一个进程，和一个套接字用来专门进行一对一服务。

但是多进程版本仍然存在缺陷，每创建一个进程的开销是很大的，需要创建并维护进程地址空间，页表，以及相应的物理内存。

🍦多线程版本

将多进程改变成多线程就能在一定程度上解决资源消耗大的问题，因为从线程和主线程是共用一份进程地址空间以及页表的。

将原本的多进程代码改成如上图所示的多线程代码。

在使用pthread_create创建多线程的时候，传入的可执行任务不能有this指针，但是调用的具体服务函数serviceIO需要this指针。

创建ThreadData用来存放新线程需要的参数

如上图所示，结构体中存在用于进行通信套接字的文件描述符_sock，以及服务器对象tcpserve的指针_self。

新线程执行的任务threadRoutine使用static修饰。

从线程执行完后的线程资源同样需要回收，如果在主线程使用pthread_join等待回收资源的话，同样会造成主线程无法accept。

所以在从线程中，首先就是使用pthread_detach分离，让操作系统来回收该线程的资源，主线程可以继续去accept新的连接请求。

在threadRoutine中通过服务器对象的_self指针来调用serveicIO，此时就可以多个客户端向服务器发起连接请求了。

可以看到，结果和多进程版本一样，多个客户端可以同时和服务器进行通信，每个客户端在服务器中对应一个线程和一个套接字。

通过指令ps -aL来查看当前机器上的线程，可以看到此时存在3个名字为tcpserve的线程。

其中PID和LWP相同的是主线程，是用来accept新客户端的网络连接请求的。
PID和LWP不同的是两个从线程，是专门用来用来给客户端提供一对一服务的。

此时每有一个新的客户端发起连接请求，服务器就会新创建一个线程。但是这样同样也有缺陷，在创建线程的时候同样会存在很大的系统开销。

🍦线程池版本

最好的方式就是使用线程池，预先创建一批线程，每有一个客户端发起连接请求，就派一个线程去处理。

线程池就直接使用前面本喵写过的基于环形队列的线程池，不再讲解线程池。

在服务器accept之前，将线程池运行起来，如上图红色框中所示，当服务器accept新的连接请求后，将系统创建的用于服务的套接字文件描述符和serviceIO任务推送到线程池中，让线程池分配线程去执行任务。

Task.hpp

将Task类稍作修改，成员变量包含用于通信的套接字文件描述符和回调函数。

这里本喵将serviceIO放在了Task.hpp中，不再是一个类成员函数。

此时将服务器运行起来以后，除了创建套接字等准备工作外，还有线程池中会起来10个线程，这10个线程就是专门用来服务客户端的。

两个客户端发送的信息服务端都能收到并且给对应的回显，而且互不影响，和前面多进程和多线程效果一样。

可以看到，此时服务器上存在10个从线程，主线程仍然在不停的accept，每有一个客户端发起连接请求时，线程池就会安排一个线程去服务，而不会再创建新的线程。

🧁日志功能

之前本喵在调用系统调用或者库函数等有返回值的函数时，会根据返回值打印一些信息来表示该感受的调用结果，有时甚至会使用错误码。

今天本喵来介绍一下日志，日志就是专门用来记录程序的执行信息的，这部分代码放在log.hpp中，同样可以作为一个小组件。

函数logMessage就是用来记录日志的，其中level表示日志等级，message是传入的具体日志信息。

日志等级也就是程序运行过程中结果的重要程度：

DEBUG：表示调试信息，这是程序员在调试代码时看的。
NORMAL：表示正常信息，就是代码的运行结果是符合预期的。
WARING：表示警告信息，存在问题但只是警告，可以暂不处理。
ERROR：表示错误信息，代表代码运行出现了错误，需要及时处理。
FATAL：表示致命信息，代表代码出现了致命错误，无法运行下去了。

这些等级是我们人为划分的，不同等级对应的处理方式也是由我们自己控制的，比如发生ERROR时，是结束程序还是继续运行，都是由我们自己控制的。

这是我本喵前面代码使用的日志记录函数，真正的日志记录肯定不可能这么简单。

如上图所示，真正的日志函数采用的是可变参数，如上图所示代码。

注意：C语言的可变参数和可变模板参数不一样。

logMessage函数的第三个参数...就表示可变参数，本质上是占位符，它的参数个数以及类型都是可以变化的。

参数列表的构成：

参数分为两个部分：固定参数和可变参数，至少有一个固定参数，声明和普通函数一样。

实现原理：

C语言中使用 va_list 系列变参宏实现变参函数，此处va意为variable-argument(可变参数)。

typedef char * va_list;
// 把 n 圆整到 sizeof(int) 的倍数
#define _INTSIZEOF(n)       ( (sizeof(n)+sizeof(int)-1) & ~(sizeof(int)-1) ) 
// 初始化 ap 指针，使其指向第一个可变参数。v 是变参列表的前一个参数
#define va_start(ap,v)      ( ap = (va_list)&v + _INTSIZEOF(v) ) 
// 该宏返回当前变参值,并使 ap 指向列表中的下个变参
#define va_arg(ap, type)    ( *(type *)((ap += _INTSIZEOF(type)) - _INTSIZEOF(type)) ) 
// /将指针 ap 置为无效，结束变参的获取
#define va_end(ap)             ( ap = (va_list)0 )

这是stdarg.h头文件中的定义，可以看到和可变参数有关的都是宏。

va_list本质上就是一个char*类型的指针，指向的变量大小是一个字节。

_INTSIZEOF(n)：_INTSIZEOF进行内存地址对齐，按照sizeof(int)即栈粒度对齐，参数在内存中的地址均为sizeof(int)=4的倍数。例如，若1≤sizeof(n)≤4，则_INTSIZEOF(n)＝4；若5≤sizeof(n)≤8，则_INTSIZEOF(n)=8。
va_start(ap,v)：根据va_list中的参数 v 在栈中的内存地址，加上_INTSIZEOF(v)占内存大小后，使 ap 指向 v 的下一个参数。用这个宏初始化 ap 指针，v 是最后一个固定参数，初始化的结果是 ap 指向第一个变参。

其他那两个本喵就不介绍了，遇到了自行查阅就好。

这一系列带v的输出函数，最后一个参数类型是va_list，倒数第二个参数是format，也就是最后一个固定参数。

这一族函数就是专门用来处理可变参数的，这里本喵使用的是vsnprintf，将可变参数的内容全部放入到logcontent中。

例如logMessage(NORMAL, "create socket success");,这里面的字符串被当作了可变参数，因为只有一个字符串，所以将其传给了最后一个固定参数format。

在我们的服务器中，在套接字创建成功后的日志信息中，增加_listensock，以可变参数的形式传给logMessage，如上图红色框中所示。

可以看到，成功打印出了监听套接字的文件描述符，如上图绿色小框中所示，在前面还有日志的前缀信息[日志等级][时间戳][pid]。

日志不仅可以将数据打印到屏幕上，而且还可以输出到文件中，将屏蔽掉的代码解除注释。

将日志等级为NORMAL和DEBUG以及WARNING放入到LOG_NORMAL定义的文件路径中。

将日志等级为ERROR和FATAL的放入到LOG_ERROR定义的文件路径中。

两个文件都是以追加写入的方式打开，写入完毕后再关闭文件。

在服务器中伪造出一些不同等级的日志信息，如上图所示。

服务器运行后，日志信息不仅打印在屏幕上，而且还输出到了日志文件log.error和log.txt中。

🧁守护进程

将服务器进程运行起来，如上图所示，再查看当前服务器上的网络进程以及进程。

可以看到，IP地址为0.0.0.0，端口号为8080，进程名为tcpserve的进程是存在的。

直接关掉Xshell会话窗口，不退出进程。

此时再查看名为tcpserve的进程，已经看不到了，说明它已经退出了，但是我们明明没有让它退出啊，只是关掉了Xshell的窗口而已。

每一个Xshell窗口都会在服务器上创建一个会话，准确的说会运行一个名字为bash的进程。
每一个会话中最多只有一个前台任务，可以有多个后台任务(包括0个)。

当Xshell的窗口关闭后，服务器上对应的会话就会结束，bash进程就退出了，bash维护的所有进程都会退出。所以关掉Xshell窗口后tcpserve进程就会退出。

这样就存在一个问题，提供网络服务的服务器难道运行了tcpserve就不能干别的了吗？肯定不是。要想关掉Xshell后tcpserve不退出，只能让tcpserve自成一个会话。

自成一个会话的进程就被叫做守护进程，也叫做精灵进程。

前后台进程组：

上图中，sleep 10000 | sleep 20000 | sleep 30000是通过管道一起创建的3个进程，这三个进程组成一个进程组，也被叫做一个作业。后面又加了&表示这个作业是后台进程。

使用指令jobs可以查看当前机器上的作业，如上图所示，有3个作业在运行，而且都是后台进程。