基于TCP的socket编程
TCP协议通讯流程
下图是基于TCP协议的客户端/服务器程序的一般流程：
服务器调用socket()、bind()、listen()完成初始化后，调用accept()阻塞等待，处于监听端口的状态，客户端调用socket()初始化后，调用connect()发出SYN段并阻塞等待服务器应答，服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect()返回，同时应答一个ACK段，服务器收到后从accept()返回。
数据传输的过程
建立连接后，TCP协议提供全双工的通信服务，但是一般的客户端/服务器程序的流程是由客户端主动发起请求，服务器被动处理请求，一问一答的方式。因此，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。
如果客户端没有更多的请求了，就调用close()关闭连接，就像写端关闭的管道一样，服务器的read()返回0，这样服务器就知道客户端关闭了连接，也调用close()关闭连接。注意，任何一方调用close()后，连接的两个传输方向都关闭，不能再发送数据了。如果一方调用shutdown()则连接处于半关闭状态，仍可接收对方发来的数据。
在学习socket API时要注意应用程序和TCP协议层是如何交互的： 应用程序调用某个socket函数时TCP协议层完成什么动作，比如调用connect()会发出SYN段 应用程序如何知道TCP协议层的状态变化，比如从某个阻塞的socket函数返回就表明TCP协议收到了某些段，再比如read()返回0就表明收到了FIN段
最简单的C/S实例
下面通过最简单的客户端/服务器程序的实例来学习socket API。
server.c的作用是从客户端读字符，然后将每个字符转换为大写并回送给客户端。
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666
int main(int argc, char* argv[]){
struct sockaddr_in servaddr, cliaddr;
socklen_t cliaddr_len;
int listenfd, connfd;
char buf[MAXLINE];
char str[INET_ADDRSTRLEN];
int i, n;
listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
bind(listenfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr));
listen(listenfd, 20);
printf("Accepting connections ...\n");
while (1) {
cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &cliaddr, &cliaddr_len);
n = read(connfd, buf, MAXLINE);
printf("received from %s at PORT %d\n", inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)), ntohs(cliaddr.sin_port));
for (i = 0; i < n; i++)
buf[i] = toupper(buf[i]);
write(connfd, buf, n);
close(connfd);
}
return 0;
}client.c的作用是从命令行参数中获得一个字符串发给服务器，然后接收服务器返回的字符串并打印。
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys / socket.h>
#include <netinet / in.h>
#define MAXLINE 80
#define SERV_PORT 6666
int main(int argc, char *argv[]){
struct sockaddr_in servaddr;
char buf[MAXLINE];
int sockfd, n;
char *str;
if (argc != 2) {
fputs("usage: ./client message\n", stderr);
return -1;
}
str = argv[1];
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
connect(sockfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr));
write(sockfd, str, strlen(str));
n = read(sockfd, buf, MAXLINE);
printf("Response from server:\n");
write(STDOUT_FILENO, buf, n);
close(sockfd);
return 0;
}由于客户端不需要固定的端口号，因此不必调用bind()，客户端的端口号由内核自动分配。注意，客户端不是不允许调用bind()，只是没有必要调用bind()固定一个端口号，服务器也不是必须调用bind()，但如果服务器不调用bind()，内核会自动给服务器分配监听端口，每次启动服务器时端口号都不一样，客户端要连接服务器就会遇到麻烦。
客户端和服务器启动后可以使用netstat命令查看链接情况：
shell
netstat -apn|grep 6666出错处理封装函数
上面的例子不仅功能简单，而且简单到几乎没有什么错误处理，我们知道，系统调用不能保证每次都成功，必须进行出错处理，这样一方面可以保证程序逻辑正常，另一方面可以迅速得到故障信息。
函数封装思想
结合man-page和errno进行封装。在封装的时候起名可以把第一个函数名的字母大写，如socket可以封装成Socket，这样可以按shift+k进行搜索，shift+k搜索函数说明的时候不区分大小写，使用man page也可以查看，man page对大小写不区分。
像accept、read这样的能够引起阻塞的函数，若被信号打断，由于信号的优先级较高，会优先处理信号；信号处理完成后，会使accept或者read解除阻塞，然后返回，此时返回值为 -1，设置errno=EINTR；
errno=ECONNABORTED表示连接被打断，异常。
errno宏
在/usr/include/asm-generic/errno.h文件中包含了errno所有的宏和对应的错误描述信息。
粘包的概念
粘包: 多次数据发送，首尾相连，接收端接收的时候不能正确区分第一次发送多少，第二次发送多少。
粘包问题分析和解决??
- 方案1: 包头+数据
- 如4位的数据长度+数据 -----------> 00101234567890
- 其中0010表示数据长度, 1234567890表示10个字节长度的数据
- 另外，发送端和接收端可以协商更为复杂的报文结构，这个报文结构就相当于双方约定的一个协议
- 方案2: 添加结尾标记
- 如结尾最后一个字符为\n $等
- 方案3: 数据包定长
- 如发送方和接收方约定，每次只发送128个字节的内容，接收方接收定长128个字节就可以了
为使错误处理的代码不影响主程序的可读性，我们把与socket相关的一些系统函数加上错误处理代码包装成新的函数，做成一个模块wrap.c：
wrap.c代码解读和分析
要求能看懂代码。会使用即可
wrap.c
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
void perr_exit(const char *s){
perror(s);
return -1;
}
int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr){
int n;
again:
if ((n = accept(fd, sa, salenptr)) < 0) {
if ((errno == ECONNABORTED) || (errno == EINTR))
goto again;
else
perr_exit("accept error");
}
return n;
}
int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen){
int n;
if ((n = bind(fd, sa, salen)) < 0)
perr_exit("bind error");
return n;
}
int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen){
int n;
if ((n = connect(fd, sa, salen)) < 0)
perr_exit("connect error");
return n;
}
int Listen(int fd, int backlog){
int n;
if ((n = listen(fd, backlog)) < 0)
perr_exit("listen error");
return n;
}
int Socket(int family, int type, int protocol){
int n;
if ((n = socket(family, type, protocol)) < 0)
perr_exit("socket error");
return n;
}
ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes){
ssize_t n;
again:
if ((n = read(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
if (errno == EINTR)
goto again;
else
return -1;
}
return n;
}
ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes){
ssize_t n;
again:
if ((n = write(fd, ptr, nbytes)) == -1) {
if (errno == EINTR)
goto again;
else
return -1;
}
return n;
}
int Close(int fd){
int n;
if ((n = close(fd)) == -1)
perr_exit("close error");
return n;
}
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n){
size_t nleft;
ssize_t nread;
char *ptr;
ptr = vptr;
nleft = n;
while (nleft > 0) {
if ((nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {
if (errno == EINTR)
nread = 0;
else
return -1;
} else if (nread == 0)
break;
nleft -= nread;
ptr += nread;
}
return n - nleft;
}
ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n){
size_t nleft;
ssize_t nwritten;
const char *ptr;
ptr = vptr;
nleft = n;
while (nleft > 0) {
if ((nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0) {
if (nwritten < 0 && errno == EINTR)
nwritten = 0;
else
return -1;
}
nleft -= nwritten;
ptr += nwritten;
}
return n;
}
static ssize_t my_read(int fd, char *ptr){
static int read_cnt;
static char *read_ptr;
static char read_buf[100];
if (read_cnt <= 0) {
again:
if ((read_cnt = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) < 0) {
if (errno == EINTR)
goto again;
return -1;
} else if (read_cnt == 0)
return 0;
read_ptr = read_buf;
}
read_cnt--;
*ptr = *read_ptr++;
return 1;
}
ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen){
ssize_t n, rc;
char c, *ptr;
ptr = vptr;
for (n = 1; n < maxlen; n++) {
if ((rc = my_read(fd, &c)) == 1) {
*ptr++ = c;
if (c == '\n')
break;
} else if (rc == 0) {
*ptr = 0;
return n - 1;
} else
return -1;
}
*ptr = 0;
return n;
}wrap.h
#ifndef __WRAP_H_
#define __WRAP_H_
void perr_exit(const char *s);
int Accept(int fd, struct sockaddr *sa, socklen_t *salenptr);
int Bind(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
int Connect(int fd, const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
int Listen(int fd, int backlog);
int Socket(int family, int type, int protocol);
ssize_t Read(int fd, void *ptr, size_t nbytes);
ssize_t Write(int fd, const void *ptr, size_t nbytes);
int Close(int fd);
ssize_t Readn(int fd, void *vptr, size_t n);
ssize_t Writen(int fd, const void *vptr, size_t n);
ssize_t my_read(int fd, char *ptr);
ssize_t Readline(int fd, void *vptr, size_t maxlen);
#endif基于TCP的字母大小写转换
自己分别编写服务端和客户端程序，实现两个程序之间的通信。服务端将客户端发来的字母转换为大写字母返回给客户端
server.c
#include <arpa/inet.h>
#include <ctype.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[]) {
// 1.创建socket通信文件描述符
int sfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sfd < 1) {
perror("socket error");
return -1;
}
// 2.绑定IP地址及端口
struct sockaddr_in myaddr;
myaddr.sin_family = AF_INET;
myaddr.sin_port = htons(8888);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &myaddr.sin_addr.s_addr);
int retbind = bind(sfd, (struct sockaddr *) &myaddr, sizeof(myaddr));
if (retbind < 0) {
perror("bind error");
return -1;
}
// 3.监听socket通信文件描述符有没有客户端进行连接
listen(sfd, 20);
struct sockaddr_in othaddr;
bzero(&othaddr, sizeof(othaddr));
int othlen = sizeof(othaddr);
// 4.接收客户端的连接，并且生成通信文件描述符
int afd = accept(sfd, (struct sockaddr *) &othaddr, &othlen);
if (afd < 0) {
perror("accept error");
return -1;
}
// 5.对接收到或者要发送的数据进行处理
char buf[1024];
int ret = 1;
int i = 0;
bzero(&buf, sizeof(buf));
while (1) {
ret = read(afd, buf, sizeof(buf));
if (ret <= 0) {
printf("read error or client closed. ret=[%d]\n", ret);
break;
}
printf("ret=[%d],buf=[%s]\n", ret, buf);
for (i = 0; i < ret; i++) {
buf[i] = toupper(buf[i]);
}
write(afd, buf, ret);
}
// 6.通信完成后关闭使用过的文件描述符
close(sfd);
close(afd);
return 0;
}client.c
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char* argv[]) {
// 1.创建socket通信文件描述符
int cfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (cfd < 0) {
perror("socket error");
return -1;
}
// 2.连接服务端
struct sockaddr_in clientaddr;
clientaddr.sin_family = AF_INET;
clientaddr.sin_port = htons(8888);
inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &clientaddr.sin_addr);
//int len = sizeof(clientaddr);
int cret = connect(cfd, (struct sockaddr *) &clientaddr, sizeof(clientaddr));
if (cret < 0) {
perror("socket error");
return -1;
}
// 3.对接收到或要发送到数据进行处理
char buf[1024];
int ret = 1;
while (1) {
bzero(&buf, sizeof(buf));
ret = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf));
write(cfd, buf, ret);
bzero(&buf, sizeof(buf));
ret = read(cfd, buf, sizeof(buf));
if (ret <= 0) {
printf("read error or server closed. ret=[%d]\n", ret);
break;
}
printf("ret=[%d],buf=[%s]\n", ret, buf);
}
// 4.关闭使用过的文件描述符
close(cfd);
return 0;
}让服务端无视TIME_WAIT
使用setsockopt函数在服务端bind之前修改socket的属性，
函数原型
cpp
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);函数参数
sockfd：socket返回的文件描述符level：固定设置为SOL_SOCKEToptname：要修改哪个属性，可以使用man 7 socket查看支持修改的属性，这里固定设置为SO_REUSEADDRoptval：要修改成什么样，1为真，0为假。这里设置为真optlen：optval的大小，这里直接sizeof(int)即可
返回值
- 成功：
0 - 失败：
-1，并设置errno
所以在bind之前加入这几句代码即可
cpp
int optval = 1;
// int ret = setsockopt(sockFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));
int ret = setsockopt(sockFd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(int));
if (ret == -1){
perror("setsockopt");
return -1;
}