TCP网络套接字

引言

前面我们已经介绍了udp套接字的相关编写，本文主要介绍TCP套接字的相关接口和一些相关知识，方便大家后续对TCP的进一步理解。

示例代码

1、TCPserver.hpp

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include "Log.hpp"
#include <unistd.h>
#include <functional>
#include "InetAddr.hpp"
class TcpServer;
class ThreadDate
{
public:~ThreadDate(){}ThreadDate(int _sockfd, struct sockaddr_in _add, TcpServer *_self) : sockfd(_sockfd), addr(_add), self(_self){}public:TcpServer *self;int sockfd;struct sockaddr_in addr;
};
using task_t = std::function<void *(void *)>;
using fun = std::function<std::string(std::string)>;
class TcpServer
{const static int defaultfd = -1;const int backlog = 16;public:TcpServer(int port, fun _function) : _port(port), fun_t(_function), _listensockfd(defaultfd), _isrunning(false){}void Init_Server(){_listensockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listensockfd < 0){LOG(FATAL, "socket create failed")}struct sockaddr_in server;bzero(&server, sizeof(server));server.sin_port = htons(_port);server.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);server.sin_family = AF_INET;int n = bind(_listensockfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));if (n < 0){LOG(FATAL, "bind failed")exit(1);}LOG(INFO, "bind success")n = ::listen(_listensockfd, backlog);if (n < 0){LOG(FATAL, "listen failed")}}void Server(int sockfd, struct sockaddr_in &peer){Inetaddr addr(peer);std::string clientaddr = "[" + addr.Ip() + " : " + std::to_string(addr.Port()) + "]";while (true){char inbuffer[1024];ssize_t n = read(sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1);if (n > 0){inbuffer[n] = 0;std::cout << clientaddr << inbuffer << std::endl;std::string echo_string = "[server echo]# ";echo_string += inbuffer;write(sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size());}else if (n == 0){// client 退出&&关闭连接了LOG(INFO, "%s quit\n", clientaddr.c_str());break;}else{LOG(ERROR, "read error\n", clientaddr.c_str());break;}sleep(5);break;}// while (true)// {//     if(CheckClose(sockfd,peer))//     {//         LOG(INFO,"client close")//         ::close(sockfd);//         return;//     }//     ssize_t count = 1024;//     std::string result;//     while (true)//     {//         char buffer[1024];//         memset(buffer, 0, sizeof(buffer));//         count = read(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1);//         if (count > 0)//         {//             // std::cout << client_infor << buffer << std::endl;//             // fflush(stdout);//             result += buffer;//         }//         else if (count == 0)//         {//             // LOG(INFO, "client close...")//             //::close(sockfd);//             break;//         }//         else//         {//             LOG(ERROR, "read fail")//         }//     }//     std::string Re = fun_t(result);//     write(sockfd, Re.c_str(), count);// }}static void *Hand_task(void *arg){ThreadDate *thread = static_cast<ThreadDate *>(arg);thread->self->Server(thread->sockfd, thread->addr);return nullptr;}void Loop(){_isrunning = true;while (true){struct sockaddr_in peer;memset(&peer, 0, sizeof(peer));socklen_t len = sizeof(peer);int sockfd = ::accept(_listensockfd, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sockfd < 0){LOG(WARNING, "accept fail")//     LOG(INFO, "accept success")//     pid_t id = fork();//     if (id == 0)//     {//         ::close(_listensockfd);//         pid_t rid = fork();//         if (rid == 0)//         {//             Server(sockfd, peer);//         }//         exit(0);//     }//     waitpid(id, nullptr, 0);//     ::close(sockfd);// }}else{pthread_t thread;ThreadDate *th = new ThreadDate(sockfd, peer, this);pthread_create(&thread, nullptr, Hand_task, th);}}_isrunning = false;}~TcpServer(){::close(_listensockfd);}private:int _listensockfd;int _port;bool _isrunning;//表示是否运行fun fun_t;
};

2、TCPclient.cc

#include <iostream>
#include <sys/types.h> /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string>
#include <netinet/in.h>
#include <cstring>
#include "Log.hpp"
void Usage()
{std::cout << "./client ip port" << std::endl;
}int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){Usage();return 1;}struct sockaddr_in client;bzero(&client, sizeof(client));client.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);client.sin_port = htons(std::stoi(argv[2]));client.sin_family = AF_INET;socklen_t len = sizeof(client);int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sockfd < 0){LOG(FATAL, "socket fail")return 1;}int rcount = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&client, len);if (rcount != 0){LOG(FATAL, "connect fail....")return 1;}LOG(INFO, "connect success")while (true){std::string message;printf("please enter: ");std::getline(std::cin, message);ssize_t n = ::send(sockfd, message.c_str(), message.size(), 0);if (n > 0){printf("[server] : ");char buffer[1024];memset(buffer,0, sizeof(buffer));ssize_t rnum = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (rnum < 0){LOG(ERROR, "recv fail")continue;}if (rnum == 0){break;}std::cout << buffer;}else{LOG(ERROR, "send fail")break;}std::cout << std::endl;}::close(sockfd);return 0;
}

3、TCPserver.cc

#include "TcpServer.hpp"
#include <memory>void Usage(std::string proc)
{std::cout << "Usage:\n\t" << proc << " local_port\n" << std::endl;
}// ./tcpserver port
int main(int argc, char *argv[])
{if(argc != 2){Usage(argv[0]);return 1;}EnableScreen();uint16_t port = std::stoi(argv[1]);std::unique_ptr<TcpServer> tsvr = std::make_unique<TcpServer>(port);tsvr->InitServer();tsvr->Loop();return 0;
}

相关文件

InetAddr.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>class InetAddr
{
private:void GetAddress(std::string *ip, uint16_t *port){*port = ntohs(_addr.sin_port);*ip = inet_ntoa(_addr.sin_addr);}public:InetAddr(const struct sockaddr_in &addr) : _addr(addr){GetAddress(&_ip, &_port);}std::string Ip(){return _ip;}bool operator == (const InetAddr &addr){// if(_ip == addr._ip)if(_ip == addr._ip && _port == addr._port) // 方便测试{return true;}return false;}struct sockaddr_in Addr(){return _addr;}uint16_t Port(){return _port;}~InetAddr(){}private:struct sockaddr_in _addr;std::string _ip;uint16_t _port;
};

Log.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <stdarg.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>
#include <fstream>
enum Level
{INFO = 0,DEBUG,WARNING,ERROR,FATAL};
std::string Level_tostring(int level)
{switch (level){case INFO:return "INFO";case DEBUG:return "DEBUG";case WARNING:return "ERROR";case ERROR:return "ERROR";case FATAL:return "FATAL";default:return "Unkown";}
}pthread_mutex_t _glock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
bool _is_save = false;
const std::string filename = "log.txt";void SaveLog(const std::string context)
{std::ofstream infile;infile.open(filename,std::ios::app);if(!infile.is_open()){std::cout << "open file failed" << std::endl;}else{infile << context;}infile.close();
}
std::string Gettime()
{time_t cur_time = time(NULL);struct tm *time_data = localtime(&cur_time);if (time_data == nullptr){return "None";}char buffer[1024];snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%d-%d-%d %d:%d:%d",time_data->tm_year + 1900,time_data->tm_mon + 1,time_data->tm_mday,time_data->tm_hour,time_data->tm_min,time_data->tm_sec);return buffer;
}
void LogMessage(std::string filename, int line, bool issave, int level, const char *format, ...)
{std::string levelstr = Level_tostring(level);std::string time = Gettime();// 可变参数char buffer[1024];va_list args;va_start(args, format);vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), format, args);va_end(args);std::string context = "[" + levelstr + "]" + "[" + time + "]" + "[" + "line : " + std::to_string(line) + "]" + "[" + filename + "]" + ": " + buffer;pthread_mutex_lock(&_glock);if(!issave){std::cout << context << std::endl;}else{SaveLog(context);}pthread_mutex_unlock(&_glock);
}#define LOG(level, format, ...)                                          \do                                                                   \{                                                                    \LogMessage(__FILE__, __LINE__, _is_save, level, format, ##__VA_ARGS__); \} while (0);
#define EnableFile()    \do                  \{                   \_is_save = true; \} while (0);
#define EnableScreen()   \do                   \{                    \_is_save = false;\} while (0);

相关代码问题

1、如何处理多个请求

在TcpServer中，我是用了多线程处理请求，如果我们使用单线程处理请求，很容易导致一个请求一直在循环等待，其他请求根本得不到处理的情况出现。所以这里我们需要将请求的处理函数设置成多进程或者是多线程的，由于这里转发消息属于一种短时服务，所以我们可以优先使用多线程，当然也可以使用多进程。

多线程代码比较简单，这里不详细介绍，而多进程想要对请求进行灵活地处理，就必须对文件描述符进行合理地管理。这里我们可以创建多个进程，让每个进程管理一个fd。其中父进程我们可以让其管理listensockfd，然后把其他请求生成的fd关闭，这样可以避免误操作，然后让孙子进程对请求生成地fd进行管理。父进程必须要对子进程进行wait，但是这样就会造成一个问题，每次循环结束后，子进程直接被回收了，请求生成的fd直接被关闭了。为了解决这个问题，我们可以将孙子进程管理请求生成的fd，由于子进程被wait，孙子进程会直接被系统领养，就会一直处理请求。

示例：TCPserver中loop接口中的实现方式

                    pid_t id = fork();if (id == 0){::close(_listensockfd);pid_t rid = fork();if (rid == 0){Server(sockfd, peer);}exit(0);}waitpid(id, nullptr, 0);::close(sockfd);}

当然，这里我们也可以使用线程池或者是进程池的方式，提前申请创建一批线程或者进程。

2、上述接收数据部分存在的问题

TCP协议是面向连接的，这种协议在通信时较udp会比较安全，但是也存在一些缺点。例如，在tcp协议中，数据并不是向udp协议通信一样，一整个直接发过来，所以上述的代码是存在一定错误的。Tcp协议并不能保证一次性接收的信息就是整条信息，所以需要我们人工对其进行识别。

3、Tcp支持全双工的原因

在前面文件的部分种，我们了解到，其实文件通过系统调用向磁盘中写入是一个拷贝的过程，就是找出数据根据对应进程的文件描述符表中对应文件描述符，再由系统调用将数据拷贝到内核缓冲区中，由内核决定何时将缓冲区中的内容刷入对应的磁盘中。根据Linux系统一切皆文件的理念，我们可以得知当我们将数据交由系统调用后，数据被拷贝到发送缓冲区中，发送时机由内核(TCP协议)决定*(怎么发、错了怎么办都和上层没有关系)*，整个过程其实就是将数据从一台主句的发送缓冲区发送到另一台主机的接收缓冲区，相当是两个OS进行通信，对于接收方也是同理。

数据经过协议栈在不同主机进行相互拷贝，所以应用层的用户并不用细节，只需要将数据交由下层协议，让下层协议将数据拷贝到不同主机之间。

而我们的缓冲区中没有数据时，使用read、recv等接口就会阻塞，等待数据的发送过来。从另外一个角度看，其实缓冲区就像是我们前面学习的生产者消费者模型，只不过这里生产者变成了用户，消费者变成了OS。

当缓冲区被写满时，对应的系统调用接口会被阻塞，其本质就是用户层在进行同步，确保数据能够准确地发送给对端。
在这里插入图片描述