简单的TCP网络程序
TCP服务器创建套接字的做法与UDP服务器是基本一样的，但是TCP服务器会更加繁琐一些。
1、服务端创建套接字并绑定
TCP服务器在调用socket函数创建套接字时，参数设置如下：
- 协议家族选择AF_INET，表示我们要进行的是网络通信。
- 创建套接字时所需的服务类型应该是
SOCK_STREAM，因为我们编写的是TCP服务器，SOCK_STREAM提供的就是一个有序的、可靠的、全双工的、基于连接的流式服务。 - 协议类型默认设置为0即可。
我们将TCP服务器封装成一个类，当我们定义出一个服务器对象后需要对其初始化，当析构服务器时，可以将服务器对应的文件描述符进行关闭。
// tcp_server.hpp #pragma once #include <iostream> #include <cstring> #include <cerrno> #include <unistd.h> #include <sys/socket.h> #include <sys/types.h> #include <arpa/inet.h> #include <netinet/in.h> enum { USAGE_ERR = 1 SOCKET_ERR, BIND_ERR }; class TcpServer { public: TcpServer(uint16_t port) :_port(port) {} void Init() { // 1.创建监听套接字 _listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (_listen_fd < 0) { std::cerr << "socket fail: " << strerror(errno) << std::endl; exit(SOCKET_ERR); } // 2.进行绑定 struct sockaddr_in local; socklen_t len = sizeof(local); memset(&local, 0, len); local.sin_family = AF_INET; local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; local.sin_port = htons(_port); if (bind(_listen_fd, (struct sockaddr*)&local, len) < 0) { std::cerr << "bind fail : " << strerror(errno) << std::endl; exit(BIND_ERR); } // ... } ~TcpServer() { if (_listen_fd >= 0) { close(_listen_fd); } } private: int _listen_fd; // 监听套接字 uint16_t _port; // 端口号 };
2、服务端监听
前面的步骤TCP与UDP的创建几乎是一模一样的，但是到了这一步就不一样了，因为TCP服务器是面向连接的，客户端在正式向TCP服务器发送数据之前，需要先与TCP服务器建立连接，然后才能与服务器进行通信。
因此TCP服务器需要时刻注意是否有客户端发来连接请求，此时就需要将TCP服务器创建的套接字设置为监听状态，这需要我们使用一个叫做listen的函数。
int listen(int sockfd, int backlog);
参数说明：
sockfd：需要设置为监听状态的套接字对应的文件描述符。backlog：全连接队列的最大长度。如果有多个客户端同时发来连接请求，此时未被服务器处理的连接就会放入连接队列，该参数代表的就是这个全连接队列的最大长度，一般不要设置太大，设置为5~10即可。
返回值说明：
- 监听成功返回0，监听失败返回-1，同时错误码会被设置。
TCP服务器在创建完套接字和绑定后，下一步就是要将套接字设置为监听状态，监听是否有新的连接到来。如果监听失败意味着TCP服务器无法接收客户端发来的连接请求，因此监听失败我们直接终止程序。
class TcpServer { public: // ... void Init() { // 1.创建监听套接字 _listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (_listen_fd < 0) { std::cerr << "socket fail: " << strerror(errno) << std::endl; exit(SOCKET_ERR); } // 2.进行绑定 struct sockaddr_in local; socklen_t len = sizeof(local); memset(&local, 0, len); local.sin_family = AF_INET; local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; local.sin_port = htons(_port); if (bind(_listen_fd, (struct sockaddr*)&local, len) < 0) { std::cerr << "bind fail : " << strerror(errno) << std::endl; exit(BIND_ERR); } // 3.开始监听 if (listen(_listen_fd, 5) < 0) { std::cerr << "listen fail : " << strerror(errno) << std::endl; exit(LISTEN_ERR); } } // ... };
注意：
- 初始化TCP服务器时创建的套接字并不是用于网络数据传输的套接字，而应该叫做监听套接字。
- 在初始化TCP服务器时，只有创建套接字成功、绑定成功、监听成功，此时TCP服务器的初始化才算完成。
2、服务端获取连接
TCP服务器初始化并设置为监听状态后就可以正常运行了，但是现在TCP服务器在与客户端还不能够进行网络通信，因为服务器还需要先获取到客户端的连接，我们可以使用accept函数来获取连接。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
参数说明：
sockfd：特定的监听套接字，表示从该监听套接字中获取连接。addr：对端网络相关的属性信息，包括协议家族、IP地址、端口号等。addrlen：调用时传入期望读取的addr结构体的长度，返回时代表实际读取到的addr结构体的长度，这是一个输入输出型参数。
返回值说明：
- 获取连接成功将返回一个套接字的文件描述符，获取连接失败返回-1，同时错误码会被设置。
accept函数获取连接是从监听套接字当中获取的，如果accept函数获取连接成功，此时会返回一个套接字对应的文件描述符。
监听套接字与accept函数返回的套接字的作用：
- 监听套接字：用于获取客户端发来的连接请求。
accept函数会不断从监听套接字当中获取新连接。 accept函数返回的套接字：用于为本次accept获取到的连接提供网络数据传输的。监听套接字的任务只是不断获取新连接，而真正为这些连接提供数据传输的套接字是accept函数返回的套接字，而不是监听套接字。
accept函数获取连接时可能会失败，但由于TCP服务器不会因为获取某个连接失败而退出，因此服务端获取连接失败后应该继续重新获取连接。
// tcp_server.hpp class TcpServer { public: TcpServer(uint16_t port,int quit = true) :_port(port), _quit(quit) {} void Init() { // ... } void Start() { _quit = false; struct sockaddr_in client; socklen_t len = sizeof(client); while (!_quit) { memset(&client, 0, len); // 1. 获取连接 int sockfd = 0; sockfd = accept(_listen_fd, (struct sockaddr*)&client, &len); if (sockfd < 0) { std::cerr << "连接失败，正在尝试重连..." << std::endl; sleep(1); continue; } else { // 2.进行业务处理 std::string ip = inet_ntoa(client.sin_addr); uint16_t port = ntohs(client.sin_port); std::string name = ip + " - " + std::to_string(port); std::cout << "获取连接成功! " << sockfd << " 来自监听套接字：" << _listen_fd << " | " << name << std::endl; Service(sockfd); } } } // 业务处理 void Service(int sockfd) { // ... } ~TcpServer() { // ... } private: int _listen_fd; // 监听套接字 uint16_t _port; // 端口号 bool _quit; // 表示连接是否退出 };
3、服务端处理请求
现在TCP服务器已经能够获取连接请求了，下面当然就是要对获取到的请求进行处理了，具体怎么处理由你决定，我们这里就假设我们的处理是要进行回声处理，服务端将将客户端发来的数据重新发回给客户端。
由于TCP服务器是面向字节流的，所以我们读取数据的函数可以使用流式接口read，该函数的函数原型如下：
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
参数说明：
fd：特定的文件描述符，表示从该文件描述符中读取数据。buf：数据的存储位置，表示将读取到的数据存储到该位置。count：数据的个数，表示从该文件描述符中读取数据的字节数。
返回值说明：
- 如果返回值大于0，则表示本次实际读取到的字节个数。
- 如果返回值等于0，则表示对端已经把连接关闭了。
- 如果返回值小于0，则表示读取时遇到了错误。
同理TCP服务器写入数据的函数可以使用流式接口write，该函数的函数原型如下：
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
参数说明：
fd：特定的文件描述符，表示将数据写入该文件描述符对应的套接字。buf：需要写入的数据。count：需要写入数据的字节个数。
返回值说明：
- 写入成功返回实际写入的字节数，写入失败返回-1，同时错误码会被设置。
服务端读取数据是从accept创建的套接字中读取的，而写入数据的时候也是写入accept创建的套接字的。也就是说这里为客户端提供服务的套接字，既可以读取数据也可以写入数据，这就是TCP全双工的通信的体现。
在从服务套接字中读取客户端发来的数据时，如果调用read函数后得到的返回值为0，或者读取出错了，此时就应该直接将服务套接字对应的文件描述符关闭。因为文件描述符本质就是数组的下标，因此文件描述符的资源是有限的，如果我们一直占用，那么可用的文件描述符就会越来越少，因此服务完比以后后要及时关闭对应的文件描述符，否则会导致文件描述符泄漏。
// tcp_server.hpp class TcpServer { // 回调函数的类型，外部传入一个回调函数，让服务器执行此函数完成任务！ using func_t = std::function<std::string(std::string)>; public: TcpServer(uint16_t port, func_t func, int quit = true) :_port(port), _func(func), _quit(quit) {} void Init() { // ... } void Start() { // ... } void Service(int sockfd) { char buf[1024]; while (true) { int num = read(sockfd, buf, sizeof(buf) - 1); if (num > 0) { buf[num] = '\0'; // 调用回调函数进行业务处理 std::string message = _func(buf); std::cout << "receive message : " << buf << std::endl; write(sockfd, message.c_str(), message.size()); } else if (num == 0) { close(sockfd); std::cout << "对方关闭了写端， 我也关闭了。" << std::endl; break; } else { close(sockfd); std::cerr << "read fail: " << strerror(errno) << std::endl; break; } } } ~TcpServer() { // ... } private: int _listen_fd; // 监听套接字 uint16_t _port; // 端口号 bool _quit; // 表示连接是否退出 func_t _func; // 业务的处理函数 };
服务端的主函数代码：
// tcp_server.cpp #include <iostream> #include <memory> #include "tcp_server.hpp" // 使用手册 static void Usage(std::string proc) { std::cout << "usage\n\t" << proc << " 端口" << std::endl; } // 回声处理 std::string echo(std::string message) { return message; } int main(int argc, char* argv[]) { if (argc != 2) { Usage(argv[0]); exit(USAGE_ERR); } uint16_t server_port = atoi(argv[1]); std::unique_ptr<TcpServer> up(new TcpServer(server_port, echo)); up->Init(); up->Start(); return 0; }
4、客户端进行连接
对于TCP客户端的编写与UDP客户端类似，不同的是我们TCP的客户端想要进行网络通信首先要进行connect连接服务器。
// tcp_client enum { USAGE_ERR = 1, SOCKET_ERR, BIND_ERR, LISTEN_ERR, ACCEPT_ERR, CONNECT_ERR }; // 使用手册 static void Usage(std::string proc) { std::cout << "usage\n\t" << proc << " IP 端口" << std::endl; } int main(int argc, char* argv[]) { if (argc != 3) { Usage(argv[0]); exit(USAGE_ERR); } uint16_t port = atoi(argv[2]); // 1.填充结构体 struct sockaddr_in server; socklen_t len = sizeof(server); memset(&server, 0, len); server.sin_family = AF_INET; server.sin_port = htons(port); inet_pton(AF_INET, argv[1], &server.sin_addr.s_addr); // 2.创建套接字 int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); if (sockfd < 0) { std::cerr << "socket fail: " << strerror(errno) << std::endl; exit(SOCKET_ERR); } // 3. 进行连接 // ... // 4.开始通信 // ... return 0; }
发起连接请求的函数叫做connect，该函数的函数原型如下：
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
参数说明：
sockfd：特定的套接字，表示通过该套接字发起连接请求。addr：对端网络相关的属性信息，包括协议家族、IP地址、端口号等。addrlen：传入的addr结构体的长度。
返回值说明：
- 连接或绑定成功返回0，连接失败返回-1，同时错误码会被设置。
客户端是不需要我们自己进行绑定操作，当客户端向服务端发起连接请求时，系统会给客户端随机指定一个端口号进行绑定，此外当我们连接失败时，不需要直接退出，我们可以尝试重新连接，如果实在是连接不上我们才退出。
int main(int argc, char* argv[]) { if (argc != 3) { Usage(argv[0]); exit(USAGE_ERR); } uint16_t port = atoi(argv[2]); // 1.填充结构体 // ... // 2.创建套接字 // ... // 3. 进行连接 int count = 5; while (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server, len) != 0) { std::cout << "连接失败，正在尝试重连...，剩余重连次数 :" << count-- << std::endl; if (count < 0) { std::cerr << "connect fail: " << strerror(errno) << std::endl; exit(CONNECT_ERR); } // 避免此时网络拥堵，短时间内连接过快消耗了所有的连接次数。 sleep(1); } // 4.开始通信 return 0; }
5、客户端发起通信
由于我们实现的是一个简单的回声服务器，因此当客户端连接到服务端后，客户端就可以向服务端发送数据了，这里我们可以让客户端将用户输入的数据发送给服务端，发送时调用write函数向套接字当中写入数据即可。
当客户端将数据发送给服务端后，由于服务端读取到数据后还会进行回显，因此客户端在发送数据后还需要调用read函数读取服务端的响应数据，然后将该响应数据进行打印，以确定双方通信无误。
int main(int argc, char* argv[]) { // ... // 4.开始通信 std::string message; char buf[1024]; while (true) { std::cout << "please enter >> "; std::getline(std::cin, message); // 写 ssize_t num = write(sockfd, message.c_str(), message.size()); if (num < 0) { std::cerr << "write fail: " << strerror(errno) << std::endl; } // 读 num = read(sockfd, buf, sizeof(buf)); if (num > 0) { buf[num] = '\0'; std::cout << "server echo >> " << buf << std::endl; } else if(num == 0) { std::cout << " server quit !" << std::endl; break; } else { std::cerr << "read fail: " << strerror(errno) << std::endl; break; } } close(sockfd); return 0; }
6、通信测试
我们先让服务端先运行，./tcp_server 端口号，然后让客户端再运行./tcp_client IP地址 端口号之后我们就可以进行网络通信了。
注意：我们现在所写的TCP服务器只能够服务一个客户端，因为当服务端的主执行流去执行Service了，就没有办法accept新的连接了，所以我们还要使用多进程或多线程来完善我们的服务端，这里我们就不咋完善了，有兴趣的话你可以将服务器改成多线程版本，给更多的客户端提供服务。
