《Linux网络编程》2.Socket编程(UDP/TCP)

Yupureki:个人主页✨个人专栏:《C》 《算法》《Linux系统编程》《高并发内存池》《MySQL数据库》《个人在线OJ平台》《Linux网络编程》Yupureki的简介:目录1. UDP编程1.1 常用接口1.1.1 socket() – 创建套接字1.1.2 bind() – 绑定地址和端口1.1.3 send() / write() - 数据发送1.1.4 recv() / read()- 数据接收1.2 C封装UDPServer1.3 客户端和服务器构建2. TCP编程2.1 常用接口2.2.1 listen() – 监听连接2.2.2 accept() – 接受连接2.2.3 connect() – 发起连接客户端使用2.2 C封装InetAddr2.3 C封装TCPServer2.4 客户端和服务器构建1. UDP编程UDPUser Datagram Protocol是无连接的传输层协议1.1 常用接口1.1.1socket()– 创建套接字#include sys/socket.h int socket(int domain, int type, int protocol);功能创建一个新的套接字返回文件描述符。参数domain协议族常用AF_INETIPv4、AF_INET6IPv6、AF_UNIX本地通信。type套接字类型常用SOCK_STREAMTCP、SOCK_DGRAMUDP。protocol通常设为 0让系统自动选择协议TCP 或 UDP。返回值成功返回非负文件描述符失败返回 -1 并设置errno。socket会返回一个文件描述符这个文件描述符指向一个文件缓冲区我们往这个缓冲区输入的数据会被系统发送到远端主机上。因此socket编程本质就是进程间通信1.1.2bind()– 绑定地址和端口int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);功能将套接字与本地 IP 地址和端口绑定。服务端必须调用客户端通常不调用由系统自动分配。参数sockfdsocket()返回的描述符。addr指向sockaddr_inIPv4或sockaddr_in6结构的指针包含 IP 和端口。addrlen地址结构的长度。返回值0 成功-1 失败。sockaddr是一个通用的地址结构体它本身不直接使用而是作为bind()、connect()、accept()等函数的参数类型允许这些函数接收不同协议族的地址结构。但使用的时候一般是sockaddr_instruct sockaddr_in { sa_family_t sin_family; // AF_INET in_port_t sin_port; // 端口号网络字节序 struct in_addr sin_addr; // IPv4 地址网络字节序 char sin_zero[8]; // 填充使大小与 sockaddr 一致 };大小16 字节与sockaddr相同便于类型转换。使用时先填充sockaddr_in然后强制转换为(struct sockaddr*)传递给函数。1.1.3send()/write() - 数据发送ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);发送数据flags通常为 0。成功返回发送的字节数失败返回 -1。1.1.4recv()/read()- 数据接收ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);接收数据成功返回接收的字节数0 表示对方关闭连接失败返回 -1。1.2 C封装UDPServer我们用C封装Socket接口实现一个简易的UdpServer#pragma once #include sys/types.h #include sys/socket.h #include netinet/in.h #include arpa/inet.h #include cstring #include iostream #define DEFAULT_PORT 8080 #define MAXNUM 1024 class UdpServer { public: UdpServer(uint16_t port DEFAULT_PORT)//指定本地端口号 :_port(port) {} void init()//初始化-1.创建套接字 2.绑定套接字 { //创建套接字 _sockfd socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); if(_sockfd 0) exit(1); //初始化sockaddr_i struct sockaddr_in local; bzero(local,sizeof(local)); local.sin_family AF_INET; local.sin_port htons(_port); local.sin_addr.s_addr INADDR_ANY; //绑定套接字 int n bind(_sockfd,(struct sockaddr*)local,sizeof(local)); if(n ! 0) exit(1); } void start()//服务器启动 { char buffer[MAXNUM]; //客户端的信息 struct sockaddr_in peer; socklen_t len 0; while(1) { char buffer[MAXNUM]; //接受数据 int n recvfrom(_sockfd,buffer,sizeof(buffer) - 1,0,(struct sockaddr*)peer,len); if(n 0) { buffer[n] \0; std::coutbufferstd::endl; } } } private: uint16_t _port; int _sockfd -1; };1.3 客户端和服务器构建client.cpp:启动客户端时需要知道我们服务器的ip地址和端口号这样才能知道给哪个服务器发送数据如果客户端和服务器都是本地启动的客户端填的ip地址可以是127.0.0.1表示本地环回地址只在本地查找对应的端口号客户端和服务器都需要创建套接字并绑定#include iostream #include sys/types.h #include sys/socket.h #include netinet/in.h #include arpa/inet.h #include cstring #include string int main(int argc,char* argv[])//指定服务器的ip地址和端口号 { if(argc ! 3) { std::coutformat:__FILE__ ip portstd::endl; exit(1); } //创建套接字 int sockfd socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); //初始化sockaddr_in struct sockaddr_in sock; bzero(sock,sizeof(sock)); uint16_t port atoi(argv[2]); sock.sin_family AF_INET; sock.sin_port htons(port); sock.sin_addr.s_addr inet_addr(argv[1]); //启动客户端:本地键盘输入数据传给服务器 while(1) { std::coutEnter-; std::string s;std::getline(std::cin,s); ssize_t n sendto(sockfd,s.c_str(),s.size(),0,(struct sockaddr*)sock,sizeof(sock)); } return 0; }server.cpp:服务器启动时需要指定本地端口号#include server.hpp int main(int argv,char* argc[]) { if(argv ! 2) { std::coutformat: __FILE__ portstd::endl; exit(1); } uint16_t port atoi(argc[1]); UdpServer udp(port); udp.init(); udp.start(); return 0; }测试:2. TCP编程2.1 常用接口TCP编程使用的接口很多和UDP相似也有部分不一样服务器绑定套接字后需要监听(listen)当有客户端访问后需要接受(accept)socket返回的文件描述符的意义不再是把缓冲区的数据发送给远端了。而是作为监听套接字启动监听状态当发现有客户端连接后会使用accpet函数接受连接此时返回的文件描述符才指向输入缓冲区客户端需要主动连接(connect)客户端2.2.1listen()– 监听连接int listen(int sockfd, int backlog);功能将套接字转为被动监听状态等待客户端连接。参数sockfd已绑定的监听套接字。backlog未完成连接队列的最大长度通常设为 5~128。返回值0 成功-1 失败。2.2.2accept()– 接受连接int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);功能从监听套接字的完成连接队列中取出第一个连接并创建一个新的套接字用于与客户端通信。参数sockfd监听套接字。addr输出参数返回客户端的地址信息可为 NULL。addrlen输入输出参数传入地址结构长度返回实际长度。返回值成功返回新的连接套接字描述符失败返回 -1。2.2.3connect()– 发起连接客户端使用int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);功能客户端主动连接服务器。参数sockfd客户端套接字。addr服务器地址。addrlen地址长度。返回值0 成功-1 失败。2.2 C封装InetAddr网络编程中我们需要频繁进行网络字节序和主机字节序之间的转换频繁使用sockaddr_in因此为了方便我们设计一个InetAddr类其中包含代表网络字节序的sockaddr_in和本地字节序的ip地址和port端口号#pragma once #include sys/types.h #include sys/socket.h #include netinet/in.h #include arpa/inet.h #include iostream #include cstring class InetAddr{ public: InetAddr(struct sockaddr_in addr)//网络字节序转主机字节序 :_addr(addr) { _port ntohs(addr.sin_port); char buffer[64]; inet_ntop(AF_INET,addr.sin_addr,buffer,sizeof(_addr)); _ip buffer; } InetAddr(std::string ip,uint16_t port)//主机字节序转网络字节序 :_port(port),_ip(ip) { memset(_addr,0,sizeof(_addr)); _addr.sin_family AF_INET; _addr.sin_port htons(_port); inet_pton(AF_INET,_ip.c_str(),_addr.sin_addr); } InetAddr(uint16_t port)//默认本地环回 :_port(port),_ip(00.00.00.00) { memset(_addr,0,sizeof(_addr)); _addr.sin_family AF_INET; _addr.sin_port htons(_port); _addr.sin_addr.s_addr INADDR_ANY; } const struct sockaddr_in get_addr() { return _addr; } struct sockaddr_in* get_addr_ptr() { return _addr; } std::string get_string() { return _ip : std::to_string(_port); } std::string get_ip() { return _ip; } uint16_t get_port() { return _port; } private: uint16_t _port; std::string _ip; struct sockaddr_in _addr; };2.3 C封装TCPServer在封装TCPServer前我们需要清楚一个概念:行使一个业务的服务器只能有一个不能复制。因此我们设计一个类这个类作为基类不允许被复制使得他的派生类也不能复制。我们把这个类放进comm.hpp。同时为了代码的正规性我们设计统一的退出码#pragma once #include sys/types.h #include sys/socket.h #include netinet/in.h #include arpa/inet.h #include cstring #include InetAddr.hpp #include cstdlib #include functional #include unistd.h #include string #define CONV(x) ((struct sockaddr*)(x)) #define DEFAULT_BACKLOG 8 #define MAXNUM 1024 enum ExitCode{ SOCKET 0, BIND, LISTEN, ACCEPT, FORMAT, CONNECT, }; class nocopy{ public: nocopy() {} ~nocopy() {} nocopy(const nocopy) delete; const nocopy operator(const nocopy) delete; };server.hpp:这个TCPServer我们期望他实现:初始化和绑定socket套接字设置监听状态接受客户端的连接请求连接成功后使用回调函数实现对应的业务#pragma once #include com.hpp class TcpServer : public nocopy { private: using func_t void(*)(int ,InetAddr, bool); public: TcpServer(uint16_t port,func_t func) :_port(port),_func(func) {} void init() { _listensockfd socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); if(_listensockfd 0) exit(ExitCode::SOCKET); InetAddr addr(_port); int n bind(_listensockfd,CONV(addr.get_addr()),sizeof(struct sockaddr_in)); if(n 0) exit(ExitCode::BIND); n listen(_listensockfd,DEFAULT_BACKLOG); if(n 0) exit(ExitCode::LISTEN); } void run() { _isrunning true; while(_isrunning) { struct sockaddr_in tmp; memset(tmp,0,sizeof(tmp)); socklen_t len sizeof(tmp); int fd accept(_listensockfd,CONV(tmp),len); if(fd 0) exit(ExitCode::ACCEPT); InetAddr peer(tmp); _func(fd,peer,_isrunning);//回调函数 } } private: uint16_t _port; int _listensockfd; bool _isrunning false; func_t _func; };2.4 客户端和服务器构建client.cpp:客户端需要主动连接服务器(未连接成功前不可发送数据)#include com.hpp int main(int argv,char* argc[]) { if(argv ! 3) { std::coutformat: ./__FILE__ ip portstd::endl; exit(ExitCode::FORMAT); } InetAddr addr(argc[1],atoi(argc[2])); std::coutuser:addr.get_string()std::endl; int sockfd socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); socklen_t len sizeof(struct sockaddr_in); ssize_t n connect(sockfd,CONV(addr.get_addr()),len); if(n 0) exit(ExitCode::CONNECT); while(1) { std::coutEnter-; std::string s;std::cins; int n write(sockfd,s.c_str(),sizeof(s)); if (n 0) continue; } return 0; }server.cpp:服务器需要设置好回调函数#include server.hpp void func(int fd,InetAddr addr, bool isrunning) { while (isrunning) { char buffer[MAXNUM]; ssize_t n read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1); if (n 0) continue; else if(n 0) break; buffer[n] \0; std::coutclient say: bufferstd::endl; } } int main(int argv,char* argc[]) { if(argv ! 2) { std::coutformat: ./__FILE__ portstd::endl; exit(ExitCode::FORMAT); } uint16_t port atoi(argc[1]); TcpServer tsvr(port, func); tsvr.init(); tsvr.run(); }拓展:我们目前实现的TCPServer有个很严重的问题:单线程/单进程服务器只能接受一个客户端的请求并处理数据当多个客户端同时访问时无法连接。因此实际业务中TCPServer的构建都是多线程/多进程服务器