TCP服务器网络编程设计流程详解

一、TCP 服务器设计流程

        TCP连接的服务器模式的程序设计流程主要分为：套接字初始化( socket()函数)，套接字与端口的绑定(bind()函数)，设置服务器的侦听连接(listen()函数)，接受客户端连接(accept()函数)，接收和发送数据（read()函数、write()函数）并进行数据处理及处理完毕的套接字关闭（close()函数)。

1、socket() 函数

#include <sys/types.h>     /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

        socket()函数函数建立一个协议族为domain、协议类型为type、协议编号为 protocol的套接字文件 描述符。如果函数调用成功，会返回一个表示这个套接字的文件描述符，失败的时候返回-1。

        函数socket()的参数domain用于设置网络通信的域,函数socket()根据这个参数选择通信协议的族。 通信协议族在文件sys/socket.h 中定义

函数socket()的参数 type用于设置套接字通信的类型。主要有

函数socket()的参数protocol一般设置为0。

        函数socket()并不总是执行成功，有可能会出现错误，错误的产生有多种原因，可以通过 获 errno 得。通常情况下造成函数 socket()失败的原因是输入的参数错误造成的，例如某个协议不存在等， 这时需要详细检查函数的输入参数。由于函数的调用不一定成功，在进行程序设计的时候，一定要检查返回值。

如果进行TCP编程，我们可以使用如下代码建立一个流式套接字：

	//初始化socket套接字server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (-1 == server_fd){//perror 根据error的值打印出错的原因perror("socket() error");return 0;}

2、bind() 函数

        bind() 函数用于绑定一个地址端口，在建立套接字文件描述符成功后，需要对套接字进行地址和端 口的绑定，才能进行数据的接收和发送操作。

bind() 函数原型如下：

#include <sys/types.h>  /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd,  const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

        bind() 函数的第一个参数sockfd是socket() 函数创建的文件描述符。bind() 函数的第二个参数addr指向一个结构为sockaddr参数的指针，sockaddr中包含了端口和IP地址的信息。在进行地址绑定的时候，需要先将地址结构中的IP地址、端口、类型等结构struct sockaddr中的域进行设置后才能进行绑定，这样进行绑定后才能将套接字文件描述符与地址等结合在一起。

struct sockaddr 结构体的原型如下：

struct sockaddr{
sa_family_t     sa_family://用地址簇中的哪个协议
char    sa_data[14];
}

        如果通过struct sockaddr 结构体设置IP地址、端口号等信息会非常复杂，在进行TCP编程时， 我们使用struct sockaddr_in结构体：

struct in_addr{   //IP 地址结构
_be32          s_addr;
}；
struct sockaddr_in {
_kernel_sa_family_t          sin_family;    /* Address family
_be16           sin_port;       /* Port number
struct in_addr          sin_addr;   /* Internet address

/* Pad to size of 'struct sockaddr'.*/
unsigned char          _pad[_SOCK_SIZE_-sizeof(short int)  -  sizeof(unsigned short int)  - sizeof(struct in_addr)]；
}；

        bind() 函数的第三个参数addrlen是struct sockaddr 结构体的长度，所以一般设置为：sizeof (struct sockaddr 结构体)；

我们可以通过如下代码绑定一个地址端口：

struct sockaddr_in in;
in.sin_family = AF_INET;
//设置端口号
in.sin_port = htons(8888);
//设置IP地址，使用自己设备的IP地址
in.sin_addr.s_addr = inet_addr("172.26.141.165");//将一个点分十进制的IP转换成一个长整型数int ret;
ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&in, sizeof(struct sockaddr));
if (-1 == ret)
{//perror 根据error的值打印出错的原因perror("bind() error");return 0;
}

        在上面的代码中我们对对口号进行赋值时使用了htons()函数，这个函数的功能是将主机字节序转换 成网络字节序，inet_addr也是将主机字节序转换成网络字节序。

（1）转换函数:

将主机字节序转换成网络字节序：

        htons()：表示对于short类型的变量，从主机字节序转换为网络字节序

        htonl()：表示对于long 类型的变量，从主机字节序转换为网络字节序

将网络字节序转换成主机字节序：

        ntohs()：表示对于short类型的变量，从网络字节序转换为主机字节序

        ntohl()：表示对于long类型的变量，从网络字节序转换为主机字节序

3、listen() 函数

listen()函数可以监听本地端口，listen函数原型如下：

#include <sys/types.h>   /* See NOTES*/
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

当listen()函数成功运行时，返回值为0;当运行失败时，它的返回值为-1，并且设置errno值：

        在了解listen函数的第二个参数之前，我们先了解下Linux内核协议栈是如何管理tcp连接的： linux内核会为一个tcp连接管理使用 两个队列 ，分别是：

        半连接队列：用来保存SYN_SENT和SYN_RECV两个状态的连接。也就是三次握手还没有完成， 连接还没建立的连接。

        全连接队列：用来保存保存ESTABLISHED状态的连接。三次握手已经完成的连接。

        全连接队列存放三次握手成功的连接，如果当服务器不调用accept函数，没有将全连接队列的请求 拿出来，当该队列满的时候，客户端的连接就无法再过来，而是存放在半连接队列中，所以当全连接 满时，服务器会处于SYN_RECV状态，客户端处于SYN_SENT状态。

        listen函数的第二个参数backlog指定的是全连接队列的长度（在不同的系统上有不同的实现，大部 分Linux中实际的长度是backlog + 1）。

Linux中全连接队列的最大长度是128，也可以通过修改Linux系统参数对长度进行修改。

我们可以通过如下代码监听：

listen(server_fd, 30);

4、accept() 函数

        accept() 函数从“全连接队列”中取出一个节点，然后为该TCP连接创建一个新的文件描述符，该文件描述符可以用于与连接的客户端进行通信，因此“ accept函数的返回是在TCP三次握手之后“。如果“全连接队列”为空（没有新的客户端连接服务端），accept函数会阻塞。

accept()函数的原型：

#include <sys/types.h>   /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

        通过accept()函数可以得到成功连接客户端的IP地址、端口和协议族等信息，这个信息是通过参数 addr 获得的。当accept()函数返回的时候，会将客户端的信息存储在参数addr中。参数addrlen表示第2个参数( addr)所指内容的长度,可以使用sizeof(struct sockaddr_in)来获得。需要注意的是，在 accept中 addrlen参数是一个指针而不是结构，accept()函数将这个指针传给TCP/IP协议栈。 accept()函数返回连接服务端的客户端的文件描述符，如果失败返回值为-1，并且设置errno值：

使用代码示例：

int cli_fd;//表示连接到的服务端的客户端的文件描述符
struct sockaddr_in cli_addr;
socklen_t len;while(1)
{len = sizeof(struct sockaddr);cli_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &len);printf("[ip: %s, port: %d] %s\n", inet_ntoa(cli.sin_addr), ntohs(cli.sin_port));
}

5、数据的接收

读取客户端的数据可以使用以下三个函数：

1）read() 数据接收函数

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

        read()函数从套接字sockfd中接收数据放到缓冲区buf中，buf的长度为len。 第1个参数sockfd是套接口文件描述符，它是由系统调用socket()返回的。第2个参数buf是一个指针, 指向接收网络数据的缓冲区。第3个参数len表示接收缓冲区的大小，以字节为单位。

使用示例代码：

char buf[1024];
//读取客户端发送的数据
memset(buf, 0, sizeof(buf));
int ret;
ret = read(cli_fd, buf, sizeof(buf)-1); //阻塞
//如果客户端主动断开了连接，read函数解除阻塞，并且返回0
if (0 == ret)
{close(cli_fd);return NULL;
}printf("cli: %d,  %s\n", cli_fd, buf)

2）recv() 数据接收函数

recv()函数用于接收数据，函数原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

前三个跟read函数一致，recv()函数的参数flags用于设置接收数据的方式，可选择的值及含义在下表中列出(flags 的值可以是表中值的按位或生成的复合值)。

上表中的值的具体说明：

MSG_DONTWAIT：这个标志将单个IO操作设为非阻塞方式，而不需要在套接字 上打开非阻塞标志，执行IO操作，然后关闭非阻塞标志。

MSG_ERRQUEUE：该错误的传输依赖于所使用的协议。

MSG_OOB：这个标志可以接收带外数据，而不是接收一般数据。

MSG_PEEK：这个标志用于查看可读的数据，在recv()函数执行后，内核不会将这些数据丢弃。 MSG_TRUNC：在接收数据后，如果用户的缓冲区大小不足以完全复制缓冲区中的数据，则将 数据截断，仅靠复制用户缓冲区大小的数据。其他的数据会被丢弃。

MSG_WAITALL：这个标志告诉内核在没有读到请求的字节数之前不使读操作返回。

示例代码：

char buf[1024];
//读取客户端发送的数据
memset(buf, 0, sizeof(buf));
int ret;
ret = recv(cli_fd, buf, sizeof(buf)-1,MSG_DONTWAIT); 
if (0 == ret)
{close(cli_fd);return NULL;
}printf("cli: %d,  %s\n", cli_fd, buf)

3）recvfrom() 数据接收函数

ssize_t recvfrom(int sockfd,  void *buf,  size_t len,  int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

        第四个参数保存接收的客户端的相关信息，但是因为TCP是基于连接的传输协议，在调用accept函数 时就能够获取客户端的信息，所以recvfrom一般用于udp通信。

6、数据的发送：

1) write()函数用于发送数据，函数原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

 ssize_t  write(int sockfd, const void *buf, size_t len);

参数：

        sockfd：TCP Socket 描述符。

        buf：要发送的数据缓冲区。

        count：要发送的字节数。

示例代码：

write(cli_fd, "hello", sizeof("hello"));

2) send()函数, 原型如下

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

参数：

        sockfd：TCP Socket 描述符。

        buf：要发送的数据缓冲区。

        len：要发送的字节数。

        flags：可选的标志参数，用于控制发送行为，如 MSG_DONTWAIT、MSG_NOSIGNAL 等。

示例代码：

send(cli_fd, "hello", sizeof("hello"), MSG_DONTWAIT)

7、使用线程的示例TCP服务器编程代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>        
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>#define dbgout(arg...) \do{ \char b__[1024]; \sprintf(b__, arg);\fprintf(stdout, "[%s,%s,%d] %s", __FILE__, __func__, __LINE__, b__); \} while (0)//线程函数
void* func(void* arg)
{//线程分离pthread_detach(pthread_self());int cli_fd = (int)arg;char buf[1024];while (1){//读取客户端发送的数据memset(buf, 0, sizeof(buf));int ret;ret = read(cli_fd, buf, sizeof(buf) - 1);//默认阻塞//如果客户端主动断开了连接，read函数解除阻塞，并且返回0if (0 == ret){dbgout("%d cli closed",cli_fd);close(cli_fd);pthread_exit(0);}if (ret > 0){printf("cli_fd: %d, %s\n", cli_fd, buf);}ret = send(cli_fd, "ok", strlen("ok"), MSG_DONTWAIT);dbgout("send: %d\n", ret);}
}int main(int argc, char* argv[])
{int server_fd;//初始化socket套接字server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (-1 == server_fd){//perror 根据error的值打印出错的原因perror("socket() error");return 0;}//绑定地址和端口struct sockaddr_in in;in.sin_family = AF_INET;//设置端口号in.sin_port = htons(8888);//设置地址in.sin_addr.s_addr = inet_addr("172.26.141.165");int ret;ret = bind(server_fd, (struct sockaddr*)&in, sizeof(struct sockaddr));if (-1 == ret){//perror 根据error的值打印出错的原因perror("bind() error");return 0;}//监听客户端的连接请求listen(server_fd, 30);int cli_fd;//表示连接到的服务端的客户端的文件描述符struct sockaddr_in cli_addr;socklen_t len;while (1){len = sizeof(struct sockaddr);cli_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &len);unsigned short port;char ip[16] = { 0 };//将网络字节序的端口号转换成主机字节序port = ntohs(cli_addr.sin_port);//将网络字节序的32位IP地址转换成主机字节序的字符串strcpy(ip, inet_ntoa(cli_addr.sin_addr));printf("new client: %s %d\n", ip, port);//创建一个线程读取和处理连接到服务端的客户端的数据pthread_t t;pthread_create(&t, NULL, func, (void*)cli_fd);}return 0;
}