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网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器

9月前 作者：梨＋苹 分类：Toy博客 阅读(44) 违法举报

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

简单TCP服务器的实现

  • TCP区别于UDP在于要设置套接字为监控状态，即TCP是面向链接，因此TCP套接字需要设置为监听状态
void initserver()
{
//1.创建套接字
_listensock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(_listensock<0)
{
    logMessage(FATAL,"create listensocket error");
    exit(SOCK_ERR);
}
 logMessage(NORMAL, "create socket success: %d", _listensock);
//2.bind ip和port
struct sockaddr_in local;
local.sin_family=AF_INET;
local.sin_port=htons(_port);
local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
if(bind(_listensock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)//绑定失败
{
    logMessage(FATAL,"bind error");
    exit(BIND_ERR);
}
 logMessage(NORMAL,"bind success");
//3.将套接字设置为监听模式
if(listen(_listensock,0)<0)
{
    logMessage(FATAL,"listen error");
    exit(LISTEN_ERR);
}
logMessage(NORMAL,"listen success");
}

socket函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int socket(int domain, int type, int protocol);

  • domain 表示协议族，常用的有 AF_INET（IPv4）和 AF_INET6（IPv6）。

  • type 表示Socket类型，常用的有 SOCK_STREAM（TCP）和 SOCK_DGRAM（UDP）。

  • protocol 通常可以设置为 0，让系统根据 domain 和 type 来选择合适的协议。

  • 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

  • 应用程序可以像读写文件一样通过socket函数用read/write在网络上收发数据

bind函数原型

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

  • sockfd 是socket描述符。

  • addr 是一个 struct sockaddr 结构体，包含要绑定的IP地址和端口信息。

  • addrlen 是 addr 结构体的长度。因为addr结构体可以接受多种协议的sockaddr结构体，因此要传其结构体的长度

  • bind()成功返回0,失败返回-1。

  • bind()的作用是将参数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addr所描述的地址和端口号;

listen函数原型

int listen(int sockfd, int backlog);
  • sockfd 是socket描述符，指用于进行网络监听的文件描述符
  • backlog 表示等待连接队列的最大长度。
  • listen成功返回0，失败返回-1
  • listen函数将使得sockfd处于监听状态，并且允许backlog个客户端处于连接等待状态，当收到多于backlog个客户端的的连接请求则选择忽略。
  • 实际上listen函数告诉操作系统指定的套接字sockfd处于监听状态，该套接字开始等待其他计算机通过网络与其建立连接，一旦有连接请求到达，操作系统会将连接请求放入连接队列中，连接队列的最大长度为backlog，连接队列是一个存放连接请求的缓冲区，如果队列已满新的连接请求将会被拒绝。即当一个套接字处于监听状态时，它不直接处理数据传输，而是等待其他计算机发起连接。

总的来说initserver函数作用是先创建套接字，然后填充指定的端口号和ip，并将套接字设置为监听状态

void start()
{
    while(true)
    {
        struct sockaddr_in cli;
        socklen_t len=sizeof(cli);
        bzero(&cli,len);

        int sock=accept(_listensock,(struct sockaddr*)&cli,&len);
        if(sock<0)
        {
            logMessage(FATAL,"accept client error");
            continue;
        }
        logMessage(NORMAL,"accept client success");

        cout<<"accept sock: "<<sock<<endl;
        }

accept函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

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

  • sockfd：是一个已经通过 socket 函数创建的套接字描述符，并且是已经处于监听状态，用于监听传入的连接请求。

  • addr：是一个指向 struct sockaddr 结构的指针，用于接收连接请求的客户端的地址信息。

  • addrlen：是一个指向 socklen_t 类型的指针，用于指定 addr 缓冲区的长度，同时也用于返回实际客户端地址结构的大小。

  • accept函数作用是接受传入的连接请求，他会阻塞程序的执行，直到有一个连接请求到达。一旦有连接请求到达，将会创建一个新的套接字，并返回这个新套接字的文件描述符，这个新套接字用于与客户端进行通信，同时addr和 addrlen会填充上客户端的地址信息。

  • 在服务器程序中，accept函数会被用在一个循环中，以接受多个客户端的连接请求

start函数作用是阻塞接受客户端发送来的连接请求，使得服务器与客户端建立通信

tcpclient.cc

#include<iostream>
#include<string>
#include<memory>
#include"tcpclient.hpp"
using namespace std;
using namespace client;
static void Usage(string proc)
{
    cout<<"\nUsage :\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n"<<endl;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc!=3)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
    }

string serverip=argv[1];
uint16_t serverport=atoi(argv[2]);

unique_ptr<tcpclient> tc(new tcpclient(serverip,serverport));

tc->initclient();
tc->start();

    return 0;
}

tcpclient.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
using namespace std;
#define NUM 1024
namespace client
{

    class tcpclient
{

public:
tcpclient(const string& ip,const uint16_t& port)
:_sock(-1)
,_port(port)
,_ip(ip)
{}

void initclient()
{
//1.创建sockfd
_sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(_sock<0)
{
   cerr<<"socket create error"<<endl;
   exit(2);
}
//2.绑定 ip port，不显示绑定，OS自动绑定
}

void start()
{
struct sockaddr_in ser;
bzero(&ser,sizeof(ser));
socklen_t len=sizeof(ser);
ser.sin_family=AF_INET;
ser.sin_port=htons(_port);
ser.sin_addr.s_addr=inet_addr(_ip.c_str());
if(connect(_sock,(struct sockaddr *)&ser,len)!=0)
{
    cerr<<"connect error"<<endl;
}else
{
    string msg;
    while(true)
    {
        cout<<"Enter# ";
        getline(cin,msg);
        write(_sock,msg.c_str(),msg.size());
        
        char inbuffer[NUM];
        int n=read(_sock,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1);
        if(n>0)
        {
            cout<<"server return :"<<inbuffer<<endl;
        }else
        {
            break;
        }
    }
}
}

~tcpclient()
{
    if(_sock>=0) close(_sock);
}

private:
int _sock;
uint16_t _port;
string _ip;

};
}

tcpserver.cc

#include"tcpserver.hpp"
#include"log.hpp"
#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<memory>
using namespace Server;
using namespace std;

static void Usage(string proc)
{
    cout<<"\nUsage:\n\t"<<proc<<" local_port\n\n"<<endl;
}

int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc!=2)
{
    Usage(argv[0]);
    exit(USAGE_ERR);
}

uint16_t port=atoi(argv[1]);//将字符串转化为整数

unique_ptr<tcpserver> ts(new tcpserver(port));
ts->initserver();
ts->start();


return 0;
}

tcpserver.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include"log.hpp"
#define NUM 1024

using namespace std;
namespace Server
{
    enum
    {
        USAGE_ERR=1,SOCK_ERR,BIND_ERR,LISTEN_ERR
    };
class tcpserver;
    class ThreadData
    {
public:
ThreadData( tcpserver* self,int psock):_this(self),_psock(psock){}
tcpserver* _this;
int _psock;
    };

class tcpserver
{
 
public:

tcpserver(const  uint16_t& port):_port(port),_listensock(-1){}

void initserver()
{
//1.创建套接字
_listensock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(_listensock<0)
{
    logMessage(FATAL,"create listensocket error");
    exit(SOCK_ERR);
}
 logMessage(NORMAL, "create socket success: %d", _listensock);
//2.bind ip和port
struct sockaddr_in local;
local.sin_family=AF_INET;
local.sin_port=htons(_port);
local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
if(bind(_listensock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)//绑定失败
{
    logMessage(FATAL,"bind error");
    exit(BIND_ERR);
}
 logMessage(NORMAL,"bind success");
//3.将套接字设置为监听模式
if(listen(_listensock,0)<0)
{
    logMessage(FATAL,"listen error");
    exit(LISTEN_ERR);
}
logMessage(NORMAL,"listen success");
}

void start()
{
     // signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    threadPool<Task>::getthpptr()->run();
    while(true)
    {
        struct sockaddr_in cli;
        socklen_t len=sizeof(cli);
        bzero(&cli,len);

        int sock=accept(_listensock,(struct sockaddr*)&cli,&len);
        if(sock<0)
        {
            logMessage(FATAL,"accept client error");
            continue;
        }
        logMessage(NORMAL,"accept client success");

        cout<<"accept sock: "<<sock<<endl;
        // serviceIO(sock);//客户端串行版
        // close(sock);

        //多进程版---
        //一个客户端占用一个文件描述符，原因在于孙子进程执行IO任务需要占用独立的文件描述符,而文件描述符是继承父进程的，而每次客户端进来都要占用新的文件描述符
        //因此若接收多个客户端不退出的话文件描述符会越来越少。
//         pid_t id=fork();//创建子进程
//         if(id==0)//子进程进入
//         {
//             close(_listensock);//子进程不需要用于监听因此关闭该文件描述符
//             if(fork()>0)  exit(0);
// //子进程创建孙子进程，子进程直接退出，让孙子进程担任IO任务，且孙子进程成为孤儿进程被OS领养，
// //除非客户端退出IO任务结束否则该孤儿进程一直运行下去不会相互干扰,即并行完成服务器和客户端的通信

// //孙子进程
// serviceIO(sock);
// close(sock);
// exit(0);
//         }
//         //父进程
//         pid_t ret=waitpid(id,nullptr,0);
//         if(ret<0)
//         {
//             cout << "waitsuccess: " << ret << endl;
//         }

//多线程版
// pthread_t pid;
// ThreadData* th=new ThreadData(this,sock);
// pthread_create(&pid,nullptr,start_routine,th);

threadPool<Task>::getthpptr()->push(Task(sock,serviceIO));
    }
}

// static void* start_routine(void* args)
// {
//     pthread_detach(pthread_self());
//     ThreadData* ret=static_cast<ThreadData*>(args);
//     ret->_this->serviceIO(ret->_psock);
//     close(ret->_psock);
//     delete ret;
//     return nullptr;
// } 

// void serviceIO(int sock)
// {
//     char inbuffer[NUM];
//     while(true)
//     {
//         ssize_t n=read(sock,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1);
//         if(n>0)
//         {
//             inbuffer[n]=0;
//             cout<<"recv message: "<<inbuffer<<endl;
//             string outb=inbuffer;
//             string outbuffer=outb+"[server echo]";

//             write(sock,outbuffer.c_str(),outbuffer.size());

//         }
// else
// {
//     logMessage(NORMAL,"client quit,i quit yep");
//     break;
// }
//     }

// }

~tcpserver(){}

private:
int _listensock;//用于监听服务器的sock文件描述符
uint16_t _port;//端口号
};

}
1. 单进程版：客户端串行版
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include"log.hpp"
#define NUM 1024

using namespace std;
namespace Server
{
    enum
    {
        USAGE_ERR=1,SOCK_ERR,BIND_ERR,LISTEN_ERR
    };

class tcpserver
{
 
public:

tcpserver(const  uint16_t& port):_port(port),_listensock(-1){}

void initserver()
{
//1.创建套接字
_listensock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(_listensock<0)
{
    logMessage(FATAL,"create listensocket error");
    exit(SOCK_ERR);
}
 logMessage(NORMAL, "create socket success: %d", _listensock);
//2.bind ip和port
struct sockaddr_in local;
local.sin_family=AF_INET;
local.sin_port=htons(_port);
local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
if(bind(_listensock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)//绑定失败
{
    logMessage(FATAL,"bind error");
    exit(BIND_ERR);
}
 logMessage(NORMAL,"bind success");
//3.将套接字设置为监听模式
if(listen(_listensock,0)<0)
{
    logMessage(FATAL,"listen error");
    exit(LISTEN_ERR);
}
logMessage(NORMAL,"listen success");
}

void start()
{
    while(true)
    {
        struct sockaddr_in cli;
        socklen_t len=sizeof(cli);
        bzero(&cli,len);

        int sock=accept(_listensock,(struct sockaddr*)&cli,&len);
        if(sock<0)
        {
            logMessage(FATAL,"accept client error");
            continue;
        }
        logMessage(NORMAL,"accept client success");

        cout<<"accept sock: "<<sock<<endl;
         serviceIO(sock);//客户端串行版
         close(sock);
    }
}


void serviceIO(int sock)
{
    char inbuffer[NUM];
    while(true)
    {
        ssize_t n=read(sock,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1);
        if(n>0)
        {
            inbuffer[n]=0;
            cout<<"recv message: "<<inbuffer<<endl;
            string outb=inbuffer;
            string outbuffer=outb+"[server echo]";

            write(sock,outbuffer.c_str(),outbuffer.size());

        }
else
{
    logMessage(NORMAL,"client quit,i quit yep");
    break;
}
    }

}

~tcpserver(){}

private:
int _listensock;//用于监听服务器的sock文件描述符
uint16_t _port;//端口号
};

}

注意：客户端串行給服务器发数据是在哪里堵塞？由于阻塞在accept函数处，即accept等待客户端接入是阻塞式等待。accept函数接收了一个连接请求后，后来的客户端连接请求需要在accept函数处等待，当上一个客户端退出后，服务器才能accept当前客户端发送来的连接请求成功，才能接收当前客户端的数据。即服务器串行接收处理客户端发送来的数据

2. 多进程版：客户端并行版

tcpserver.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include"log.hpp"
#define NUM 1024

using namespace std;
namespace Server
{
    enum
    {
        USAGE_ERR=1,SOCK_ERR,BIND_ERR,LISTEN_ERR
    };
class tcpserver
{
 
public:

tcpserver(const  uint16_t& port):_port(port),_listensock(-1){}

void initserver()
{
//1.创建套接字
_listensock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(_listensock<0)
{
    logMessage(FATAL,"create listensocket error");
    exit(SOCK_ERR);
}
 logMessage(NORMAL, "create socket success: %d", _listensock);
//2.bind ip和port
struct sockaddr_in local;
local.sin_family=AF_INET;
local.sin_port=htons(_port);
local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
if(bind(_listensock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)//绑定失败
{
    logMessage(FATAL,"bind error");
    exit(BIND_ERR);
}
 logMessage(NORMAL,"bind success");
//3.将套接字设置为监听模式
if(listen(_listensock,0)<0)
{
    logMessage(FATAL,"listen error");
    exit(LISTEN_ERR);
}
logMessage(NORMAL,"listen success");
}

void start()
{
     // signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    while(true)
    {
        struct sockaddr_in cli;
        socklen_t len=sizeof(cli);
        bzero(&cli,len);

        int sock=accept(_listensock,(struct sockaddr*)&cli,&len);
        if(sock<0)
        {
            logMessage(FATAL,"accept client error");
            continue;
        }
        logMessage(NORMAL,"accept client success");

        cout<<"accept sock: "<<sock<<endl;

                //多进程版---
        //一个客户端占用一个文件描述符，原因在于孙子进程执行IO任务需要占用独立的文件描述符,而文件描述符是继承父进程的，而每次客户端进来都要占用新的文件描述符
        //因此若接收多个客户端不退出的话文件描述符会越来越少。
        pid_t id=fork();//创建子进程
        if(id==0)//子进程进入
        {
            close(_listensock);//子进程不需要用于监听因此关闭该文件描述符
            if(fork()>0)  exit(0);
// //子进程创建孙子进程，子进程直接退出，让孙子进程担任IO任务，且孙子进程成为孤儿进程被OS领养，
// //除非客户端退出IO任务结束否则该孤儿进程一直运行下去不会相互干扰,即并行完成服务器和客户端的通信

// //孙子进程
serviceIO(sock);
close(sock);
exit(0);
        }
        //父进程
         // close(sock);//父进程不使用文件描述符就关闭
        pid_t ret=waitpid(id,nullptr,0);
        if(ret<0)
        {
            cout << "waitsuccess: " << ret << endl;
        }
    }
}
void serviceIO(int sock)
{
    char inbuffer[NUM];
    while(true)
    {
        ssize_t n=read(sock,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1);
        if(n>0)
        {
            inbuffer[n]=0;
            cout<<"recv message: "<<inbuffer<<endl;
            string outb=inbuffer;
            string outbuffer=outb+"[server echo]";

            write(sock,outbuffer.c_str(),outbuffer.size());

        }
else
{
    logMessage(NORMAL,"client quit,i quit yep");
    break;
}
    }

}
~tcpserver(){}
private:
int _listensock;//用于监听服务器的sock文件描述符
uint16_t _port;//端口号
};

}

  • 父进程fork创建子进程，创建完后waitpid等待回收子进程。子进程fork创建孙子进程，创建完后直接退出。导致孙子进程成为孤儿进程，进而被OS领养。因此除非客户端退出IO任务，否则孤儿进程将一直运行下去不会干扰到其他进程，即并行完成服务器和客户端的通信

  • 注意的是服务器accept一次客户端的连接请求，就需要申请一个文件描述符，而文件描述符是有上限的，如果大量的客户端请求连接成功并且不结束的话，会造成文件描述符泄露。

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因此在父进程那里需要关闭不使用的文件描述符

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

  • 父进程这里回收子进程，不能使用非阻塞等待，原因在于非阻塞等待的本质是轮询，而这里使用后会导致父进程会在accept函数处阻塞等待客户端发送连接请求，那么父进程就无法回收子进程了。因此waitpid的返回值用ret接收，等待回收成功就打印日志，失败则跳过
  • 当子进程图退出或者被中止时子进程会发送17号信号SIGCHILD给父进程，父进程可以通过忽略17号信号SIGCHILD的方式来不阻塞等待回收子进程（这种方法对于linux环境可用，其余不保证）
signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
netstat查看网络信息

netstat 是一个用于查看网络连接和网络统计信息的命令行工具。它可以用来显示当前系统上的网络连接、路由表、接口统计信息等等。在 Linux 系统中，netstat 命令的用法如下：

netstat [options]

一些常用的选项包括：

  • -a：显示所有的连接，包括监听中和已建立的连接。
  • -t：显示 TCP 协议的连接。
  • -u：显示 UDP 协议的连接。
  • -n：以数字形式显示 IP 地址和端口号，而不是尝试进行 DNS 解析。
  • -p：显示与连接关联的进程信息。
  • -r：显示路由表。
  • -l：仅显示监听中的连接。
  • -atun：显示所有的TCP和UDP连接

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

注意一下：这里出现了两个连接,原因在于服务器和客户端在同一台主机上，即服务器和客户端完成了本地环回，因此能看到两个连接。

3.多线程版：并行执行

tcpserver.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include"log.hpp"
#define NUM 1024

using namespace std;
namespace Server
{
    enum
    {
        USAGE_ERR=1,SOCK_ERR,BIND_ERR,LISTEN_ERR
    };
class tcpserver;
    class ThreadData
    {
public:
ThreadData( tcpserver* self,int psock):_this(self),_psock(psock){}
tcpserver* _this;
int _psock;
    };

class tcpserver
{
 
public:

tcpserver(const  uint16_t& port):_port(port),_listensock(-1){}

void initserver()
{
//1.创建套接字
_listensock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
if(_listensock<0)
{
    logMessage(FATAL,"create listensocket error");
    exit(SOCK_ERR);
}
 logMessage(NORMAL, "create socket success: %d", _listensock);
//2.bind ip和port
struct sockaddr_in local;
local.sin_family=AF_INET;
local.sin_port=htons(_port);
local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;
if(bind(_listensock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)//绑定失败
{
    logMessage(FATAL,"bind error");
    exit(BIND_ERR);
}
 logMessage(NORMAL,"bind success");
//3.将套接字设置为监听模式
if(listen(_listensock,0)<0)
{
    logMessage(FATAL,"listen error");
    exit(LISTEN_ERR);
}
logMessage(NORMAL,"listen success");
}

void start()
{
    while(true)
    {
        struct sockaddr_in cli;
        socklen_t len=sizeof(cli);
        bzero(&cli,len);

        int sock=accept(_listensock,(struct sockaddr*)&cli,&len);
        if(sock<0)
        {
            logMessage(FATAL,"accept client error");
            continue;
        }
        logMessage(NORMAL,"accept client success");

        cout<<"accept sock: "<<sock<<endl;
        //多线程版
pthread_t pid;
ThreadData* th=new ThreadData(this,sock);
pthread_create(&pid,nullptr,start_routine,th);
    }
}
 static void* start_routine(void* args)
{
    pthread_detach(pthread_self());//线程分离后让OS自动回收新线程
    ThreadData* ret=static_cast<ThreadData*>(args);
    ret->_this->serviceIO(ret->_psock);
    close(ret->_psock);
    delete ret;
    return nullptr;
}    
    
void serviceIO(int sock)
{
    char inbuffer[NUM];
    while(true)
    {
        ssize_t n=read(sock,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1);
        if(n>0)
        {
            inbuffer[n]=0;
            cout<<"recv message: "<<inbuffer<<endl;
            string outb=inbuffer;
            string outbuffer=outb+"[server echo]";

            write(sock,outbuffer.c_str(),outbuffer.size());

        }
else
{
    logMessage(NORMAL,"client quit,i quit yep");
    break;
}
    }

}
~tcpserver(){}
private:
int _listensock;//用于监听服务器的sock文件描述符
uint16_t _port;//端口号
};

}
  • 服务器接收一个客户端的连接请求，就申请一个新线程，多线程下可以让服务器接收多个线程
log.hpp
#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include<ctime>
#include <sys/types.h>
 #include <unistd.h>
 #include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
using namespace std;
#define DEBUG   0
#define NORMAL  1
#define WARNING 2
#define ERROR   3
#define FATAL   4

#define NUM 1024
#define LOG_STR "./logstr.txt"
#define LOG_ERR "./log.err"
const char* to_str(int level)
{
    switch(level)
    {
        case DEBUG: return "DEBUG";
        case NORMAL: return "NORMAL";
        case WARNING: return "WARNING";
        case ERROR: return "ERROR";
        case FATAL: return "FATAL";
        default: return nullptr;
    }
}

void logMessage(int level, const char* format,...)
{
    // [日志等级] [时间戳/时间] [pid] [messge]
    // [WARNING] [2023-05-11 18:09:08] [123] [创建socket失败]

    // 暂定
  //  std::cout << message << std::endl;

char logprestr[NUM];
snprintf(logprestr,sizeof(logprestr),"[%s][%ld][%d]",to_str(level),(long int)time(nullptr),getpid());//把后面的内容打印进logprestr缓存区中

char logeldstr[NUM];
va_list arg;
va_start(arg,format); 
vsnprintf(logeldstr,sizeof(logeldstr),format,arg);//arg是logmessage函数列表中的...

  cout<<logprestr<<logeldstr<<endl;

//  FILE* str=fopen(LOG_STR,"a");
//  FILE* err=fopen(LOG_ERR,"a");//以追加方式打开文件，若文件不存在则创建
 
//  if(str!=nullptr||err!=nullptr)//两个文件指针都不为空则创建文件成功
//  {
//   FILE* ptr=nullptr;
//   if(level==DEBUG||level==NORMAL||level==WARNING)
//   {
//     ptr=str;
//   }
//    if(level==ERROR||level==FATAL)
//   {
//     ptr=err;
//   }
//   if(ptr!=nullptr)
//   {
//     fprintf(ptr,"%s-%s\n",logprestr,logeldstr);
//   }
//   fclose(str);
//   fclose(err);
 //}

}

可变参数列表

  • va_list是(char*)重命名的类型，定义可以访问可变参数的变量。

  • va_start(ap, v) ap是定义的可变参数变量，v是形参中可变参数前第一个参数名，其作用是使ap指向可变参数部分。

  • va_arg(ap, t) ap是定义的可变参数变量，t是可变参数的类型，根据类型，访问可变参数列表中的数据。

  • va_end(ap) ap是定义的可变参数变量，使ap变量置空，作为结束使用。

vsnprintf函数原型

#include <stdio.h>
int vsnprintf(char *str, size_t size, const char *format, va_list ap);

  • str是一个指向字符数组（缓冲区）的指针，用于存储格式化后的数据

  • size是缓冲区的大小，限制了写入的最大字符数，包括终止的 null 字符

  • format格式化字符串，类似于 printf 函数中的格式化字符串

  • ap是一个 va_list 类型的变量，用于存储可变参数列表的信息，并且要注意OS对参数压栈的顺序是从右向左

  • vsnprintf 函数根据指定的 format 格式化字符串将数据写入 str 缓冲区，但不会超出指定的缓冲区大小。它会在写入数据后自动在缓冲区末尾添加一个 null 终止字符，确保结果是一个合法的 C 字符串。

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

守护进程

守护进程（Daemon）是在计算机系统中以后台方式运行的一类特殊进程。它通常在操作系统启动时被初始化，并在整个系统运行期间保持活动状态，不需要与用户交互。守护进程通常用于执行系统任务、服务管理以及提供后台服务，如网络服务、定时任务等。

守护进程特点如下：

  1. 后台运行，守护进程在后台运行，不与用户交互，没有控制终端。
  2. 独立性：它通常独立于用户会话，即使用户注销或关闭终端，守护进程也会继续运行。
  3. 没有标准输入输出：守护进程通常没有标准输入和输出，因为它们不与用户交互。它们通常将输出写入日志文件。
  4. 分离自身：守护进程会通过一系列操作来与终端、会话和控制组脱离连接，以确保它不会意外地被控制终端关闭。

一个服务器中可以具有多个会话，例如一个服务器上有一个root用户和多个普通用户，当普通用户登录上服务器时即成为一个会话。

一个会话具有多个后台任务，但只能具有一个前台任务（bash）。

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

  • jobs查看任务可以看到任务1是./tcpserver，任务2是sleep 1000 | sleep 2000 | sleep 3000 &，任务3是sleep 4000 | sleep 5000 &，且三个任务后面都带&，在进程或任务后带&作用是将该任务放到后台运行
  • sleep 1000 、sleep 2000 、sleep 3000 、sleep 4000、sleep 5000的父进程都是16853即bash；而 sleep 1000 、sleep 2000 、sleep 3000的PGID相同，都是sleep 1000的pid，即 sleep 1000 、sleep 2000 、sleep 3000属于同一组，同一个组要协同起来完成同一个作业。第一个任务的pid是组长的pid即sleep 1000的pid；而小组16858和小组17070的SID都是16853，即这两个小组属于同一个会话（bash），要完成的是同一个任务；
fg、bg

  1. fg 作业号：将作业放到前台

  2. bg 作业号：将作业放到后台，或者继续执行后台作业

  3. ctrl+Z将前台任务暂停并把作业放到后台

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  • 用户登录时服务器就需要为此创建一些后台作业和前台作业（命令行）来服务用户，而用户注销或退出服务器也会影响其前台作业和后台作业。而服务器程序不能受到用户登录和注销的影响。
  • 我们可以使得服务器程序自成会话，自成进程组，那么该程序就与终端设备无关，不能再收到用户登录和注销的影响了。该类进程被称为守护进程
setsid

在Unix和类Unix系统中，setsid 是一个用于创建新会话的系统调用函数。会话（Session）是一组相关的进程组合，通常由一个控制终端和一些子进程组成。setsid 函数的主要作用是将调用它的进程从当前会话中分离出来，并创建一个新的会话。

 #include <unistd.h>
pid_t setsid(void);
  • 创建新会话：调用 setsid 的进程会成为一个新的会话的组长（Session Leader）。新会话不再与之前的控制终端相关联。但该进程在调用setsid函数之前不能是组长。
  • 分离终端：调用 setsid 的进程不再与任何控制终端关联，无法重新获得控制终端。
  • 成为新进程组的组长：新会话中的第一个进程（调用 setsid 的进程）会成为新的进程组的组长。

daemon.hpp

#pragma once

#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <cstdlib>
#include <cassert>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define DEV "/dev/null"
void daemonSelf(const char *currPath = nullptr)
{
    // 1. 让调用进程忽略掉异常的信号
signal(SIGPIPE,SIG_IGN);//选择忽略SIGPIPE信号
    // 2. 如何让自己不是组长，setsid
if(fork()>0)
exit(0);//父进程退出
    // 子进程 -- 守护进程，精灵进程，本质就是孤儿进程的一种！
pid_t ret=setsid();
assert(ret!=-1);
    // 3. 守护进程是脱离终端的，关闭或者重定向以前进程默认打开的文件
int fd=open(DEV,O_RDWR);
if(fd>=0)
{
    //dup2(oldfd,newfd):将oldfd的内容填充到newfd中，这样输入到newfd的内容被重定向到oldfd
    dup2(fd,0);
    dup2(fd,1);
    dup2(fd,2);
}else
{
    close(0);
    close(1);
    close(2);
}
    // 4. 可选：进程执行路径发生更改
if(currPath) chdir(currPath);//更改currPath的路径
}
  • /dev/null 是一个特殊的设备文件，它被用作数据丢弃点，向它写入的数据会被丢弃，从它读取数据会立即返回EOF（End of File）
  • SIGPIPE的触发场景：当一个进程向一个已经关闭写端的管道（或者套接字）写数据时、当进程向一个已经收到 RST 包（连接重置）的套接字发送数据时，该进程就会向父进程发送SIGPIPE信号来进行进程终止。对SIGPIPE进行忽略行为避免了进程向/dev/null中写入数据并出现错误导致的进程终止
  • 父进程创建子进程，父进程作为组长，父进程退出后，子进程能够自己成为组长即能够成为守护进程
  • dup2(oldfd,newfd):将oldfd的内容填充到newfd中，这样输入到newfd的内容被重定向到oldfd。在代码中是将输入文件描述符012的内容重定向到fd即/dev/null中

tcpserver.cc

#include"tcpserver.hpp"
#include"log.hpp"
#include"daemon.hpp"
#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<memory>
using namespace Server;
using namespace std;

static void Usage(string proc)
{
    cout<<"\nUsage:\n\t"<<proc<<" local_port\n\n"<<endl;
}

int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc!=2)
{
    Usage(argv[0]);
    exit(USAGE_ERR);
}

uint16_t port=atoi(argv[1]);//将字符串转化为整数

unique_ptr<tcpserver> ts(new tcpserver(port));
ts->initserver();
daemonSelf();
ts->start();

return 0;
}

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

TCP协议通信流程

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

首先需要服务器初始化

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

服务器初始化：

  • 调用socket, 创建文件描述符，该文件描述符用于监听；
  • 调用bind, 将当前的文件描述符和ip/port绑定在一起; 如果这个端口已经被其他进程占用了, 就会bind失败;
  • 调用listen, 声明当前这个文件描述符作为一个服务器的文件描述符, 该文件描述符处于监听状态，等待客户端发起连接；
  • 调用accecpt, 并阻塞, 等待客户端连接过来;
建立连接的过程（通常称为三次握手）

建立连接的过程（内含三次握手）

  • 客户端调用socket，创建文件描述符；
  • 客户端调用connect，向指定地址端口的服务器发起请求；（请求的过程中会进行三次握手）
  • connect会发出SYN段給服务器并阻塞等待服务器应答；（第一次握手）
  • 服务器收到客户端的SYN段后，会应答一个SYN-ACK段表示"同意建立连接"；（第二次握手）
  • 客户端收到SYN-ACK后，会从connet()返回，同时发送一个应答ACK段給服务器；（第三次握手）
  • 服务器收到客户端发来的ACK段后，会从accpet()返回，返回（分配）一个新的文件描述符connfd用于与客户端通信
  • 可以看到三次握手由connect()发起请求开始，并由connect()返回结束，因此客户端在调用connect()时本质就是通过某种方式与服务器进行三次握手

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

**对于建链接的3次握手，**主要是要初始化Sequence Number 的初始值。通信的双方要互相通知对方自己的初始化的Sequence Number（缩写为ISN：Inital Sequence Number）——所以叫SYN，全称Synchronize Sequence Numbers。也就上图中的 x 和 y。这个号要作为以后的数据通信的序号，以保证应用层接收到的数据不会因为网络上的传输的问题而乱序（TCP会用这个序号来拼接数据）。来自陈浩大佬对于三次握手的部分诠释

  • 连接建立成功后会被accpet获取到，此时客户端和服务器就能进行通信了。要注意的是，连接建立是三次握手做的事，三次握手是TCP底层的工作，而accep要做的是把底层已经建立好的连接拿到用户层，即accept本身不参于三次握手这个过程（不参与建立连接），accpet会阻塞等待获取建立好的连接，若连接没有建立好会进行等待。
数据传输的过程

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

  • 建立连接后,TCP协议提供全双工的通信服务; 所谓全双工的意思是, 在同一条连接中, 同一时刻, 通信双方 可以同时写数据; 其原因在于服务器和客户端的应用层和传输层都有两个缓冲区，一个是发送缓冲区另一个是接收缓冲区，那么服务器和客户端进行发送和读取并不会互相影响。相对的概念叫做半双工, 同一条连接在同一时刻, 只能由一方来写数据;

  • 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

断开连接的过程

网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器,网络,网络,tcp/ip,服务器

  • 如果客户端没有更多的请求了, 就调用close()关闭连接, 客户端会向服务器发送FIN段；(第一次握手)
  • 此时服务器收到FIN后, 会回应一个ACK, 同时read会返回0 ；(第二次握手)
  • read返回之后, 服务器就知道客户端关闭了连接, 也调用close关闭连接, 这个时候服务器会向客户端发送 一个FIN; (第三次握手）
  • 客户端收到FIN, 再返回一个ACK给服务器; (第四次握手）

  • 这个断开连接的过程, 通常称为四次挥手

  • 对于4次挥手其实你仔细看是2次，因为TCP是全双工的，所以，发送方和接收方都需要Fin和Ack。只不过，有一方是被动的，所以看上去就成了所谓的4次挥手。如果两边同时断连接，那就会就进入到CLOSING状态，然后到达TIME_WAIT状态。

当客户端不与服务器通信时需要断开连接的原因文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-683136.html

  • 其实，网络上的传输是没有连接的，包括TCP也是一样的。而TCP所谓的“连接”，其实只不过是在通讯的双方维护一个“连接状态”，让它看上去好像有连接一样。所以，TCP的状态变换是非常重要的。若通信结束不及时断开连接，即占用着操作系统的资源不使用，会导致系统的资源越来越少。
  • 服务器能够与多个客户端建立连接，意味着服务器会收到大量的连接，因此操作系统要对这些连接进行管理，即"先组织再管理"，在服务端就需要维护连接相关的数据结构，把这些数据结构组织起来，那么对连接的管理转变为对数据结构的管理。
  • 操作系统需要维护这些连接相关的数据结构，势必需要消耗资源，而不通信的连接不断开，会导致操作系统的资源浪费。而TCP与UDP的区别之一在于TCP需要对连接相关的资源进行管理。

到了这里，关于网络字节序——TCP接口及其实现简单TCP服务器的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！

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