【Linux后端服务器开发】TCP通信设计

目录

一、TCP通信协议的封装

二、TCP多进程通信

三、TCP多线程通信

一、TCP通信协议的封装

简单的TCP一对一通信其实完全可以不进行封装，直接分别写server端和client端的源代码，按照TCP通信协议的规定调用socket接口即可完成，但是在通过TCP协议设计应用层协议的时候，将TCP协议进行封装并且将协议与服务任务进行解耦，是更方便编程和维护的。

对server服务端封装，我们只需要指明服务器的端口号，服务器IP是本机IP，服务器可以接收的IP是任何主机的IP。

对client客户端封装，我们需要指明服务器的ip和端口号，通过服务器的ip和端口号信息，构建sockaddr_in结构体，然后通过sockaddr_in结构体对服务器发起连接请求。

server服务器的类分为两个阶段：

  • 第一个阶段是Init()初始化阶段，创建socket套接字、bind绑定本地网络信息、listen设置监听
  • 第二阶段是Start()进行服务阶段，accept连接客户端、服务任务，在本次封装中，服务任务是简单一对一通信，故我直接将任务代码写在了Start()函数里面，在任务复杂的时候，我们可以再写一个Task()任务阶段，将执行服务和服务任务的具体内容进行解耦

client客户端也分为两个阶段：

  • 第一个阶段是Init()初始化阶段，创建socket套接字，不需要调用bind()函数，由os绑定
  • 第二个阶段是Run()运行阶段，通过服务器的sockaddr_in信息向服务器发起connect请求，连接成功后即可直接进行通信

在网络通信中，需要调用socket套接字的接口完成，这些接口的头文件是：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

Server.h头文件：

#pragma once#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <cstring>
#include <functional>
#include <cerrno>#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>using namespace std;const string g_default_ip = "0.0.0.0";class TcpServer
{
public:TcpServer(const uint16_t port, const string& ip = g_default_ip): _port(port), _ip(ip), _listenfd(0){}void Init(){// 1. 创建socket套接字_listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listenfd < 0){cerr << "socket error " << errno << ": " << strerror(errno) << endl;exit(1);}// 2. bind绑定服务器网络信息struct sockaddr_in local;local.sin_family = AF_INET;local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);local.sin_port = htons(_port);if (bind(_listenfd, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0){cerr << "bind error " << errno << ": " << strerror(errno) << endl;exit(1);}// 3. listen设置监听if (listen(_listenfd, 8) < 0){// 监听的连接队列长度与项目的线程数相关cerr << "listen error " << errno << ": " << strerror(errno) << endl;exit(1);}}void Start(){// 4. accept连接客户端struct sockaddr_in client;socklen_t client_len = sizeof(client);int client_sock = accept(_listenfd, (struct sockaddr*)&client, &client_len);if (client_sock < 0){cerr << "accept error " << errno << ": " << strerror(errno) << endl;exit(1);}// 5. 连接成功，进行通信string client_ip = inet_ntoa(client.sin_addr);uint16_t client_port = ntohs(client.sin_port);while (true){// 5.1 接收信息char recv_buf[1024];int n = read(client_sock, recv_buf, sizeof(recv_buf));if (n > 0)recv_buf[n] = 0;cout << "[" << client_ip << ":" << client_port << "]# " << recv_buf << endl;// 5.2 应答信息char sent_buf[1024];snprintf(sent_buf, sizeof(sent_buf), "服务器已收到信息: %s\n", recv_buf);write(client_sock, sent_buf, sizeof(sent_buf));}}private:string _ip;uint16_t _port;int _listenfd;
};

server.cpp源文件

#include "Server.h"
#include <memory>void Usage()
{cout << "Usage:\n\tserver port" << endl;exit(1);
}int main(int args, char* argv[])
{if (args != 2)Usage();uint16_t port = atoi(argv[1]);unique_ptr<TcpServer> tcp_server(new TcpServer(port));tcp_server->Init();tcp_server->Start();return 0;
}

Client.h头文件：

#pragma once#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <cstring>
#include <functional>
#include <cerrno>#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>using namespace std;class TcpClient
{
public:TcpClient(const uint16_t server_port, const string server_ip): _server_port(server_port), _server_ip(server_ip), _sock(-1){}void Init(){// 1. 创建套接字_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_sock < 0){cerr << "socket error " << errno << ": " << strerror(errno) << endl;exit(1);}// 2. bind绑定，由OS绑定}void Run(){// 3. 向服务器发起连接请求struct sockaddr_in server;server.sin_family = AF_INET;server.sin_addr.s_addr = inet_addr(_server_ip.c_str());server.sin_port = htons(_server_port);if (connect(_sock, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server)) != 0){cerr << "connect error " << errno << ": " << strerror(errno) << endl;exit(1);}// 4. 连接成功，进行通信while (true){// 4.1 发送信息char sent_buf[1024];cout << "请输入信息：";gets(sent_buf);write(_sock, sent_buf, sizeof(sent_buf));// 4.2 接收应答信息char recv_buf[1024];int n = read(_sock, recv_buf, sizeof(recv_buf));if (n > 0)recv_buf[n] = 0;cout << recv_buf << endl;}}private:string _server_ip;uint16_t _server_port;int _sock;
};

client.cpp源文件：

#include "Client.h"
#include <memory>void Usage()
{cout << "Usage:\n\tclient ip port" << endl;exit(1);
}int main(int args, char* argv[])
{if (args != 3)Usage();string server_ip = argv[1];uint16_t server_port = atoi(argv[2]);unique_ptr<TcpClient> tcp_client(new TcpClient(server_port, server_ip));tcp_client->Init();tcp_client->Run();return 0;
}

二、TCP多进程通信

上面对于TCP的封装是实现了一对一的服务器与客户端通信，通信断开代码就运行结束。

但是在业务中，一个服务器通常是需要与多个客户端通信的，并且客户端断开通信时并不会影响服务端的运行。

为了实现一对多的服务，服务器通常会采用多进程或者多线程策略。

多进程相比于多线程，资源开销更大，但是更安全，因为进程之间是完全相互独立的。

要将上面的TCP封装修改成多进程版，我们只需要将Server.h中封装TcpServer类的Start()函数做出修改即可，将其改为可以循环accept接受不同的client连接，每新建一个连接，就创建一个子进程去完成通信任务，然后主进程继续accept等待之后的client连接。

为了使多进程接受连接与任务代码解耦，我们在TcpServer类中新建一个Task()函数。

    void Start(){while (true){// 4. accept连接客户端struct sockaddr_in client;socklen_t client_len = sizeof(client);int client_sock = accept(_listenfd, (struct sockaddr*)&client, &client_len);if (client_sock < 0){cerr << "accept error " << errno << ": " << strerror(errno) << endl;exit(1);}// 5. 连接成功，进行通信, 多进程string client_ip = inet_ntoa(client.sin_addr);uint16_t client_port = ntohs(client.sin_port);if (fork() == 0){// 子进程执行通信任务Task(client_sock, client_ip, client_port);}}}void Task(int client_sock, string client_ip, uint16_t client_port){while (true){// 5.1 接收信息char recv_buf[1024];int n = read(client_sock, recv_buf, sizeof(recv_buf));if (n > 0)recv_buf[n] = 0;cout << "[" << client_ip << ":" << client_port << "]# " << recv_buf << endl;// 5.2 应答信息char sent_buf[1024];snprintf(sent_buf, sizeof(sent_buf), "服务器已收到信息: %s\n", recv_buf);write(client_sock, sent_buf, sizeof(sent_buf));}}

三、TCP多线程通信

TCP通信的多线程和多进程非常相似，在相同的代码处做出修改即可，相比于多进程，多线程的对服务器来说资源开销更小，故在TCP通信中，更推荐使用多线程。

多线程策略和多进程策略总体类似，但是在代码还是存在差异，需要将Task()设置为静态函数，这其实也就是说，需要将Task()函数与TcpServer类再次解耦。当任务非常复杂的时候，我们甚至需要单独写一个Task头文件写通信任务。

在子线程执行与客户端的通信服务的时候，需要将子线程进行detach()线程分离，这样当客户端与服务器通信结束的时候，不会影响主线程，但是需要注意的事，在任务函数中当任务结束的时候，不能再用exit()退出，而是需要将exit()改为return，不然的话exit()会在退出任务的时候将退出信号传递给OS，OS会杀死整个进程。

还有就是此处我们调用C++11的线程库，不仅需要包含<thread>头文件，在编译的时候也要加上线程动态库的选项：-lpthread

makefile：

all: server clientserver: server.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11 -pthreadclient: client.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -rf server client

Server.h代码修改处：

    static void Task(int client_sock, string client_ip, uint16_t client_port){while (true){// 5.1 接收信息char recv_buf[1024];int n = read(client_sock, recv_buf, sizeof(recv_buf));if (n == 0)return;recv_buf[n] = 0;cout << "[" << client_ip << ":" << client_port << "]# " << recv_buf << endl;// 5.2 应答信息char sent_buf[1024];snprintf(sent_buf, sizeof(sent_buf), "服务器已收到信息: %s\n", recv_buf);write(client_sock, sent_buf, sizeof(sent_buf));}}void Start(){while (true){// 4. accept连接客户端struct sockaddr_in client;socklen_t client_len = sizeof(client);int client_sock = accept(_listenfd, (struct sockaddr*)&client, &client_len);if (client_sock < 0){Log_Message(FATAL, "accept error");exit(ACCEPT_ERR);}Log_Message(NORMAL, "accept success");// 5. 连接成功，进行通信, 多线程string client_ip = inet_ntoa(client.sin_addr);uint16_t client_port = ntohs(client.sin_port);thread t(Task, client_sock, client_ip, client_port);    // 创建线程自动执行t.detach();                                             // 线程分离}}

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