LinuxC 搭建簡單的TCP服務(wù)器

1. 問題

? 在標(biāo)題之前，先提幾個(gè)問題，方便下次查看理解。

1. 什么是TCP
2. TCP服務(wù)器需要用到哪些函數(shù)
3. 如何簡單的搭建一個(gè)TCP服務(wù)器

2. 什么是TCP

? TCP 是一種傳輸層協(xié)議，可以提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。它是面向連接的，具有可靠性、流量控制、擁塞控制以及雙工通信的特點(diǎn)。

3. TCP 服務(wù)器需要用到哪些函數(shù)

1. socket

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

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   //示例

? socket 作用是用來創(chuàng)建一個(gè)文件描述符也成為套接字描述符，用于根據(jù)我們指定的協(xié)議族、數(shù)據(jù)類型和協(xié)議來分配一個(gè)套接字描述符以及它所用到的資源。函數(shù)調(diào)用失敗返回-1，調(diào)用成功返回正整數(shù)。

? 參數(shù)說明：

• domain：指定協(xié)議族，常用的有 AF_INET（IPv4 地址）和 AF_INET6（IPv6 地址）、AF_LOCAL、AF_ROUTE 等。
• type：指定套接字類型，有3種類型，常用的有 SOCK_STREAM（流式套接字，用于 TCP 協(xié)議）和 SOCK_DGRAM（數(shù)據(jù)報(bào)套接字，用于 UDP 協(xié)議）。第三種為 SOCK_RAW ,為原始類型，允許對(duì)底層協(xié)議（如 IP， ICMP）進(jìn)行直接訪問。
• protocol：指定協(xié)議，通常設(shè)置為 0，表示讓系統(tǒng)根據(jù) domain 和 type 自動(dòng)選擇合適的協(xié)議。

? 底層邏輯：

? socket() 函數(shù)的底層邏輯主要涉及創(chuàng)建一個(gè)套接字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，注冊(cè)到內(nèi)核中，為該套接字分配一個(gè)唯一的文件描述符，并返回該文件描述符。具體步驟如下：

1. 創(chuàng)建套接字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：根據(jù)指定的通信域、套接字類型和協(xié)議，創(chuàng)建一個(gè)套接字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于表示一個(gè)通信端點(diǎn)。
2. 分配文件描述符：在內(nèi)核中分配一個(gè)文件描述符，用于標(biāo)識(shí)這個(gè)套接字。
3. 注冊(cè)到內(nèi)核中：將套接字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)注冊(cè)到內(nèi)核的套接字表中，以便內(nèi)核能夠識(shí)別和管理這個(gè)套接字。
4. 返回文件描述符：將分配的文件描述符返回給調(diào)用者，以便后續(xù)對(duì)套接字的操作。

2. bind

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

// 示例
struct sockaddr_in serveraddr;
memset(&serveraddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
serveraddr.sin_family = AF_INET;
serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serveraddr.sin_port = htons(2048);

if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(struct sockaddr)))
{
    perror("bind");
    return -1;
}

? bind() 函數(shù)用于將一個(gè)本地地址（包括 IP 地址和端口號(hào)）綁定到一個(gè)套接字上，以便后續(xù)對(duì)該套接字的操作可以與指定的地址相關(guān)聯(lián)。當(dāng)你調(diào)用 bind() 函數(shù)時(shí)，你正在告訴操作系統(tǒng)將特定的 IP 地址和端口號(hào)綁定到一個(gè)套接字上。這樣做的目的是為了讓該套接字在網(wǎng)絡(luò)上可以被唯一標(biāo)識(shí)，并且只有特定地址和端口號(hào)的數(shù)據(jù)才能發(fā)送到這個(gè)套接字上。

? 參數(shù)說明：

• sockfd：要綁定地址的套接字文件描述符。
• addr：指向包含要綁定地址的結(jié)構(gòu)體的指針，通常是 struct sockaddr 類型的指針，需要根據(jù)套接字類型進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換。
• addrlen：指定地址結(jié)構(gòu)體的長度。

3. listen

? listen()函數(shù)用于將一個(gè)套接字描述符標(biāo)記為被動(dòng)套接字（socket()函數(shù)創(chuàng)建的套接字為主動(dòng)屬性），用于監(jiān)聽連接請(qǐng)求，等待客戶端的連接。所以它的作用是設(shè)置套接字為監(jiān)聽狀態(tài)，等待客戶端的連接請(qǐng)求。

// 聲明
int listen(int sockfd, int backlog);

// 示例
listen(sockfd, 10);

? 參數(shù)說明：

• sockf：要設(shè)置為監(jiān)聽狀態(tài)的套接字文件描述符。
• backlog：待連接隊(duì)列的最大長度，即允許等待連接的客戶端數(shù)量。

4. accept

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

struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t len = sizeof(clientaddr);
int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);

? accept()函數(shù)用于從已監(jiān)聽的的套接字中接收一個(gè)連接請(qǐng)求，創(chuàng)建一個(gè)新的連接套接字，并返回新的套接字連接符。如果已完成連接隊(duì)列為空，則線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)。如果accept函數(shù)執(zhí)行成功，則返回由內(nèi)核自動(dòng)生成的套接字描述符，表示服務(wù)器已與客戶端已經(jīng)建立連接；若執(zhí)行錯(cuò)誤則返回-1。

? 參數(shù)說明：

• sockfd：已監(jiān)聽的套接字描述符（由 socket()函數(shù)返回的套接字描述符）
• addr：一個(gè) sockaddr 的結(jié)構(gòu)體，用于存放發(fā)起連接請(qǐng)求的客戶端協(xié)議地址
• addrlen：指向存放客戶端地址信息結(jié)構(gòu)體長度的指針。

5. recv

// 聲明
int recv(int sockfd, char * buf, int len, int flags);

// 示例
char buffer[128] = {0};
int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0);

? recv()函數(shù)用于接收已連接套接字發(fā)送的數(shù)據(jù)。從接收緩沖區(qū)中復(fù)制數(shù)據(jù)，如果成功則返回復(fù)制的字節(jié)數(shù)，失敗返回-1，對(duì)端斷開連接返回0。

? 參數(shù)說明：

• sockfd：要接收數(shù)據(jù)的套接字描述符
• buf：指向存放接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針
• len：接收緩沖區(qū)的長度
• flags：接受操作的標(biāo)志位，通常為0，可以通過 ‘|’操作符連接到一起

6. send

// 聲明
int send(int sockfd, const void* buf, int len, int flags)

// 示例
char buffer[128] = {0};
int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0);
if (recv_count == 0)
{
    close(clientfd);
}
send(clientfd, buffer, recv_count, 0);

? send() 函數(shù)用于向已連接的套接字發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)TCP連接的套接字都有一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)（buf 是存放數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，不是發(fā)送緩沖區(qū)），調(diào)用send函數(shù)的過程是內(nèi)核將用戶的數(shù)據(jù)復(fù)制至TCP套接字的發(fā)送緩沖區(qū)的過程。send函數(shù)被調(diào)用時(shí)，檢查TCP套接字中是否有發(fā)送數(shù)據(jù)。

? 如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則比較發(fā)送緩沖區(qū)長度和 send函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)的長度 len，如果len大于套接字緩沖區(qū)長度，則返回錯(cuò)誤-1；如果發(fā)送緩沖區(qū)的大小足夠大，將數(shù)據(jù)發(fā)送至TCP發(fā)送緩沖區(qū)，send函數(shù)將數(shù)據(jù)復(fù)制到發(fā)送緩沖區(qū)中。

? 如果有數(shù)據(jù)還未發(fā)送，則比較該緩沖區(qū)剩余空間和len的大小，如果len大于剩余空間，則一致等待，直到發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送完為止；如果len小于發(fā)送緩沖區(qū)剩余空間的大小，則將發(fā)送的數(shù)據(jù)復(fù)制到該緩沖區(qū)中。

? send函數(shù)發(fā)送成功時(shí)，返回實(shí)際復(fù)制的字節(jié)數(shù)，發(fā)送失敗時(shí)，返回-1，另一端關(guān)閉連接時(shí)，返回0。

? 參數(shù)說明：

• sockfd：發(fā)送端套接字描述符
• buf：待發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)
• len：待發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)長度
• flags：發(fā)送操作的標(biāo)志位

4. 如何搭建一個(gè)簡單的服務(wù)器

1. 創(chuàng)建服務(wù)器sockfd

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

? 利用 socket函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)套接字描述符，設(shè)置協(xié)議族，指定為TCP（SOCK_STREAM）

2. 綁定客戶端IP和port

struct sockaddr_in serveraddr;
memset(&serveraddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
serveraddr.sin_family = AF_INET;
serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
serveraddr.sin_port = htons(2048);

if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(struct sockaddr)))
{
    perror("bind");
    return -1;
}

? 利用bind函數(shù)將sockfd與IP和端口綁定，此處 IP 任意（INADDR_ANY)端口為2048。

3. 將sockfd設(shè)置為監(jiān)聽模式

listen(sockfd, 10);

? listen函數(shù)將客戶端設(shè)置為監(jiān)聽狀態(tài)，監(jiān)聽客戶端連接，設(shè)置最大連接為10個(gè)。

4. 接受客戶端連接

struct sockaddr_in clientaddr;
socklen_t len = sizeof(clientaddr);
int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);

? 利用accept函數(shù)從已監(jiān)聽的的套接字中接收一個(gè)連接請(qǐng)求。返回客戶端套接字描述符clientfd。

5. 通信

while (1)
{
    char buffer[128] = {0};
    int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0);
    if (recv_count == 0)
    {
        break
    }
    send(clientfd, buffer, recv_count, 0);
}
close(clientfd);

? recv函數(shù)實(shí)現(xiàn)接受客戶端信息，send發(fā)送信息給客戶端。close函數(shù)回收clientfd文件資源

5. 實(shí)現(xiàn)并發(fā)

? 如果按照上述程序?qū)⒋a組合起來，實(shí)現(xiàn)的TCP服務(wù)器僅能與一臺(tái)客戶機(jī)進(jìn)行連接通信。為了實(shí)現(xiàn)并發(fā)功能，需要用到多線程的方法。

1. 線程回調(diào)函數(shù)

void* client_thread(void *arg)
{
    int clientfd = *(int *)arg;
    while (1)
    {
        char buffer[128] = {0};
        int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0);
        if (recv_count == 0)
        {
            break;
        }
        send(clientfd, buffer, recv_count, 0);
    }
}
close(clientfd);

? 該函數(shù)為線程的回調(diào)函數(shù)，函數(shù)輸入一個(gè)客戶端clientfd

2. 根據(jù)客戶端連接請(qǐng)求創(chuàng)建線程

while (1)
{
    struct sockaddr_in clientaddr;
    socklen_t len = sizeof(clientaddr);
    int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);

    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, client_thread, &clientfd);
}

? 每當(dāng)客戶端有新的連接請(qǐng)求時(shí)，accept都會(huì)返回一個(gè)新的clientfd，然后pthread_create創(chuàng)建一個(gè)新線程，在該線程中服務(wù)器與該客戶端進(jìn)行通信。

6. 總結(jié)

? TCP 是一種傳輸層協(xié)議，可以提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

? 在TCP服務(wù)器中用到了六個(gè)函數(shù)socket、bind、listen、accept、recv和send。

? 實(shí)現(xiàn)TCP服務(wù)器僅需將上述六個(gè)函數(shù)按順序運(yùn)用即可。我們還利用多線程的方法實(shí)現(xiàn)了一定量的并發(fā)，但是依舊存在一些問題，它是一線程一請(qǐng)求的形式，如果請(qǐng)求過多，服務(wù)器將會(huì)資源耗盡，因此無法實(shí)現(xiàn)大的并發(fā)量。想要實(shí)現(xiàn)超大并發(fā)，可以使用IO多路復(fù)用的功能。此處不做介紹，請(qǐng)聽下回分解。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-854356.html

到了這里，關(guān)于Linux socket 搭建TCP服務(wù)器（C語言）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！