计算机网络（3） --- 网络套接字TCP

计算机网络（2） --- 网络套接字UDP_哈里沃克的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/m0_63488627/article/details/131977544?spm=1001.2014.3001.5501

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1.TCP

1.服务端接口介绍

1.listen状态

2.accept获取链接

2.客户端接口介绍

2.TCP的服务器和客户端接口实现

1.服务端

1.成员函数

2.接口

start()实现方式

1.单一执行流

2.多进程

3.多线程

4.线程池

3.main函数

2.客户端

1.成员函数

2.接口

3.mian函数

3.守护进程化

1.守护进程

2.代码

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1.TCP

回顾一下UDP套接字，实现很简单，只需要初始化然后再send即可。但是TCP更加复杂

1.服务端接口介绍

1.listen状态

listen状态适用于获取先链接的，第二个参数不能填太大的int类型数据。

2.accept获取链接

 服务器只有先accept获取新链接(客户端传来的套接字)，才能接受到套接字。

1.调用成功返回一个文件描述符， 失败返回-1。这个返回值其实对应的是一个套接字。

2.第一个sockfd其实是接收用的套接字，它不参与到具体的操作内；而返回值返回的套接字才是客户端返回的套接字，这个套接字是用于处理的。

3.由于tcp是面向字节流的，所以接受到的套接字就可以使用read和write进行操作了

4.如果该套接字使用完毕，一定要释放(close)套接字。因为文件描述符的本质是数组，而数组有一定的上限，我们不能只入而不释放，如果不释放会出现文件描述符泄漏。

2.客户端接口介绍

1.connect：发起链接

链接对应服务端的ip和port，表示自己要链接哪个服务端

2.TCP的服务器和客户端接口实现

1.服务端

namespace Server
{enum{USAGE_ERR = 1,SOCKET_ERR,BIND_ERR,LISTEN_ERR,OPEN_ERR};static const uint16_t gport = 8080;static const int gbacklog = 5;class tcpServer{public:tcpServer(const uint16_t &port = gport): _listensock(-1), _port(port){}void initServer(){// 1.创建_listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listensock < 0){logMessage(FATAL, "create listensock error");exit(SOCKET_ERR);}logMessage(NORMAL, "create listensock success");// 2.bindstruct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof local);local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (bind(_listensock, (struct sockaddr *)&local, sizeof local) < 0){logMessage(FATAL, "bind error");exit(BIND_ERR);}logMessage(NORMAL, "bind listensock success");// 3.设置socket，为监听状态if (listen(_listensock, gbacklog)){logMessage(FATAL, "listen error");exit(LISTEN_ERR);}logMessage(NORMAL, "listen listensock success");}void start(){for (;;){// 单线程版，只能有一个执行流，其他的无法进入执行，因为serviceIO死循环// 1.sever获取新链接struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, next"); // accept失败不影响整体的代码，继续访问即可continue;}logMessage(NORMAL, "accept a new link success");std::cout << "sock: " << sock << std::endl;// sock是面向字节流的，后续全部都是文件操作serviceIO(sock);close(sock); //不释放会出现文件描述符泄漏}}void serviceIO(int sock){char buffer[1024];while (true){ssize_t n = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "recv message: " << buffer << std::endl;std::string outbuffer = buffer;outbuffer += "server[echo]";write(sock, outbuffer.c_str(), outbuffer.size());}else if (n == 0){// 代表client退出logMessage(NORMAL, "client quit,me too");break;}}}~tcpServer(){}private:uint16_t _port;int _listensock; // 不是用来通信的，而是用于监听链接的};
}

1.成员函数

uint16_t _port：端口号

int _listensock：监听套接字

2.接口

1.initServer()创建套接字，先初始化监听套接字；生成对应的监听套接字；随后将当前的IP设置为任意IP，并且设置port最后绑定(bind)起来；随后还需要listen监听套接字

2.start()先定义新套接字，accept获取新套接字，执行套接字传输的任务。

start()实现方式

1.单一执行流

        void start(){for (;;){// 1.sever获取新链接struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, next"); // accept失败不影响整体的代码，继续访问即可continue;}logMessage(NORMAL, "accept a new link success");std::cout << "sock: " << sock << std::endl;// sock是面向字节流的，后续全部都是文件操作serviceIO(sock);close(sock); //不释放会出现文件描述符泄漏}}

这样的缺点很明显：只有一个执行流操作服务端，也就意味着客户端只有一个能链接服务端。而且serviceIO()是一个死循环函数，那么只有客户端主动退出才能让其他客户端链接。这是串行的执行逻辑

2.多进程

1.信号版void start(){signal(SIGCHLD, SIG_IGN);for (;;){// 1.sever获取新链接struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, next"); // accept失败不影响整体的代码，继续访问即可continue;}logMessage(NORMAL, "accept a new link success");std::cout << "sock: " << sock << std::endl;// 多进程pid_t id = fork();if (id == 0){// childclose(_listensock);serviceIO(sock);close(sock);exit(0);}close(sock);}}

1.直接忽略子进程阻塞的状态，这样操作系统会自动回收

2.只要子进程自动回收，那么父进程就不需要等待，直接不断的按照需求新建子进程，而子进程执行结束不需要管理也不会有内存泄漏问题

3.在父进程处close(sock)的做法是为了不让文件描述符泄漏，子进程的close不影响父进程，如果父进程不弄，子进程把自己的套接字关闭不代表父进程的套接字也被关闭了

2.waitpid版void start(){for (;;){// 1.sever获取新链接struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, next"); // accept失败不影响整体的代码，继续访问即可continue;}logMessage(NORMAL, "accept a new link success");std::cout << "sock: " << sock << std::endl;// 多进程pid_t id = fork();if (id == 0){// childclose(_listensock);if (fork() > 0)exit;// 孙子进程变为孤儿进程serviceIO(sock);close(sock);exit(0);}close(sock);// fatherpid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0); //子进程进去直接死亡回收，不需要管理if (ret > 0)std::cout << "wait success: " << ret << std::endl;}}

1.父进程先非阻塞等待

2.子进程中创建孙子进程，孙子进程执行接收的文件，子进程直接退出，让父进程回收。此时孙子进程变成孤儿进程托付给操作系统，操作系统管理孙子进程的结束。

多进程展现的问题就是消费太多资源，本来一个执行流能解决的事情却创造了调度执行流的基本单位进程来实现，而且拷贝需要时间，成本过大。

3.多线程

    class ThreadData{public:ThreadData(tcpServer *self, int sock): _self(self), _sock(sock){}public:tcpServer *_self;int _sock;};void start(){for (;;){// 1.sever获取新链接struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, next"); // accept失败不影响整体的代码，继续访问即可continue;}logMessage(NORMAL, "accept a new link success");std::cout << "sock: " << sock << std::endl;// 多线程pthread_t tid;ThreadData *td = new ThreadData(this, sock);pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, td);}}static void *threadRoutine(void *args){pthread_detach(pthread_self());ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);td->_self->serviceIO(td->_sock);delete td;close(td->_sock);return nullptr;}

1.创造线程，让子线程进行接收执行。当然为了不需要串行执行，在threadRoutine()中，优先将当前线程进行线程分离。这样主线程就不需要回收子线程，子线程结束操作系统就会自动回收。

2.执行后需要将当前的文件描述符回收，由于函数是线程的公共资源，所以threadRoutine内就能影响到。

4.线程池

//线程池
using namespace ThreadNs;const int gnum = 10;template <class T>
class ThreadPool;template <class T>
class ThreadData
{
public:ThreadData(ThreadPool<T> *tp, const std::string &n): threadpool(tp), name(n){}public:ThreadPool<T> *threadpool;std::string name;
};template <class T>
class ThreadPool
{
private:static void *handlerTask(void *args){ThreadData<T> *td = static_cast<ThreadData<T> *>(args);while (true){T t;{// td->threadpool->lockQueue();LockGuard lockguard(td->threadpool->mutex());while (td->threadpool->isQueueEmpty()){td->threadpool->threadWait();}t = td->threadpool->pop();}// td->threadpool->unlockQueue();std::cout << td->name << "处理完了任务: " << t.toTaskString() << "并处理完成，结果是： " << t();}return nullptr;}ThreadPool(const int &_num = gnum): _num(gnum){pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);pthread_cond_init(&_cond, nullptr);for (int i = 0; i < _num; i++){_threads.push_back(new Thread());}}void operator=(const ThreadPool &) = delete;ThreadPool(const ThreadPool &) = delete;public:static ThreadPool<T> *getInstance(){if (_tp == nullptr){_singleton_lock.lock();if (_tp == nullptr){_tp = new ThreadPool<Task>();}_singleton_lock.unlock();}return _tp;}// void lockQueue()// {//     pthread_mutex_lock(&_mutex);// }// void unlockQueue()// {//     pthread_mutex_unlock(&_mutex);// }bool isQueueEmpty(){return _task_queue.empty();}void threadWait(){pthread_cond_wait(&_cond, &_mutex);}T pop(){T t = _task_queue.front();_task_queue.pop();return t;}pthread_mutex_t *mutex(){return &_mutex;}public:void run(){for (const auto &t : _threads){ThreadData<T> *td = new ThreadData<T>(this, t->threadname());t->start(handlerTask, td);std::cout << t->threadname() << " start ..." << std::endl;}}void push(const T &in){// pthread_mutex_lock(&_mutex);LockGuard lockguard(&_mutex);_task_queue.push(in);pthread_cond_signal(&_cond);// pthread_mutex_unlock(&_mutex);}~ThreadPool(){pthread_mutex_destroy(&_mutex);pthread_cond_destroy(&_cond);for (const auto &t : _threads)delete t;}private:int _num;std::vector<Thread *> _threads;std::queue<T> _task_queue;pthread_mutex_t _mutex;pthread_cond_t _cond;static ThreadPool<T> *_tp;static std::mutex _singleton_lock;
};template <class T>
ThreadPool<T> *ThreadPool<T>::_tp = nullptr;
static std::mutex _singleton_lock;
/void start(){// 线程池初始化ThreadPool<Task>::getInstance()->run();for (;;){// 1.sever获取新链接struct sockaddr_in peer;socklen_t len = sizeof peer;int sock = accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);if (sock < 0){logMessage(ERROR, "accept error, next"); // accept失败不影响整体的代码，继续访问即可continue;}logMessage(NORMAL, "accept a new link success");std::cout << "sock: " << sock << std::endl;// 4.线程池ThreadPool<Task>::getInstance()->push(Task(sock, serviceIO));}}

3.main函数

using namespace std;
using namespace Server;static void Usage(string proc)
{cout << "Usage:\n\t" << proc << " local_ip local_port\n\n";
}int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2){Usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}uint16_t port = atoi(argv[1]);std::unique_ptr<tcpServer> tsvr(new tcpServer(port));tsvr->initServer();tsvr->start();return 0;
}

1. 一旦启动，就会进入LISTEN状态

2.客户端

#define NUM 1024namespace Client
{class tcpClient{public:tcpClient(const std::string &serverip, const uint16_t &serverport): _serverip(serverip), _serverport(serverport), _sock(-1){}void initClient(){// 1.创建socket_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_sock < 0){std::cerr << "socket error: " << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;exit(2);}// 2.client要不要bind[必须要的]，client要不要显示的bind，不需要// 3.客户端不需要listen// 4.也不需要accept}void start(){// 5.要发起链接struct sockaddr_in server;memset(&server, 0, sizeof server);server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(_serverport);server.sin_addr.s_addr = inet_addr(_serverip.c_str());if (connect(_sock, (struct sockaddr *)&server, sizeof server) != 0){std::cerr << "connect error: " << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;}else{std::string msg;while (true){std::cout << "Enter# ";std::getline(cin, msg);write(_sock, msg.c_str(), msg.size());char buffer[NUM];int n = read(_sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << "server回显的信息: " << buffer << std::endl;}else{break;}}}}~tcpClient(){if (_sock >= 0)close(_sock);}private:int _sock;std::string _serverip;uint16_t _serverport;};
}

1.成员函数

int _sock：套接字
std::string _serverip：server的IP地址
uint16_t _serverport：server发PORT

2.接口

3.mian函数

static void Usage(string proc)
{cout << "Usage:\n\t" << proc << " server_ip server_port\n\n";
}int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){Usage(argv[0]);exit(1);}uint16_t serverport = atoi(argv[2]);std::string serverip = argv[1];std::unique_ptr<tcpClient> tcli(new tcpClient(serverip, serverport));tcli->initClient();tcli->start();return 0;
}

在同一个服务器运行客户端和服务端

1.ESTABLISHED：指的是客户端被服务端所接收了

2.tcp的Server查到的是服务器的链接

3.tcp的Client查到的是客户端的链接

4.两端都是全双工的

3.守护进程化

1.守护进程

1.xshell在操作系统下会生成一个会话，此时bash充当前台任务，其他都是后台任务

2.前台任务有且只能有一个，而后台任务能允许有多个

3.所有的作业可以前后台转换。先fg转换，再ctrl+Z切换后台暂停，最后bg使得暂停任务重新开始

4.这些任务可能受到用户的登录和注销的影响的，我们需要将作业自称独立会话，和终端设备无关，这样的进程为守护进程

1.setsid：将非组员的进程独立成一个会话，并且该进程变成此会话的组长

2.不能是原先就是组长的进程

/dev/null：黑洞文件，信息重定向到该文件默认数据全部清空丢弃。

2.代码

#define DEV "/dev/null"void daemonself(const char *currPath = nullptr)
{// 1.让调用进程忽略异常信号signal(SIGPIPE, SIG_IGN);// 2.如何让自己不是组长，setsidif (fork() > 0)exit(0);// 守护进程 -- 精灵进程，孤儿进程的一种pid_t n = setsid();assert(n != -1);// 3.守护进程脱离终端，关闭或者重定向以前进程默认打开文件 012int fd = open(DEV, O_RDWR);if (fd >= 0){dup2(fd, 0);dup2(fd, 1);dup2(fd, 2);close(fd);}else{close(0);close(1);close(2);}// 4.可选：进程执行路径发生变化if (currPath)chdir(currPath);
}

1.让调用进程忽略异常信号：不出现进程错误的问题使得守护过程终止

2.让自己不是组长(setsid)：守护化的条件就是进程不能是会话的组长，要想不是，上面的处理方式是fork一个子进程，当前进程直接释放，使得fork的子进程变成孤儿进程，孤儿进程托付给操作系统，此时的组长是bash，那么就可以进行setsid了

3.守护进程脱离终端，关闭或者重定向以前进程默认打开文件 012：不直接关闭，将/dev/null这个黑洞文件重定向到012中。

4.可选：进程执行路径发生变化。将当前进程执行的路径换掉。

5.此时服务端的main函数逻辑为：

int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 2){Usage(argv[0]);exit(USAGE_ERR);}uint16_t port = atoi(argv[1]);std::unique_ptr<tcpServer> tsvr(new tcpServer(port));tsvr->initServer();// 守护进程化daemonself();tsvr->start();return 0;
}