socket编程实现tcp服务器_C/C++

1. 需求分析

实现一个回声服务器的C/S(客户端client/服务器server)程序,功能为客户端连接到服务器后，发送一串字符串，服务器接受信息后，返回对应字符串的大写形式给客户端显示。

例如：

客户端发送“this is a webserver example!",

服务器返回"THIS IS A WEBSERVER EXAMPLE!"

2. 项目实现

2.1 服务器端程序echo_server.c

#include <stdio.h>      //printf
#include <stdlib.h>     //exit
#include <unistd.h>     //read, write, close
#include <sys/types.h>  //socket, bind, listen, accept
#include <sys/socket.h> //socket, bind, listen, accept
#include <string.h>     //strerror
#include <ctype.h>      //inet_ntop
#include <arpa/inet.h>  //inet_ntop
#include <errno.h>      //strerror

#define SERVER_PORT 666

//出错处理
void perror_exit(const char* des) {
    fprintf(stderr, "%s error, reason: %s\n", des, strerror(errno));
    exit(1);
}

int main(void){

    int sock;//代表信箱
    int ret;//作为bind和listen的返回值，用于处理出错信息
    struct sockaddr_in server_addr;

    //1.创建套嵌字（信箱）。成功：返回socket的文件描述符，失败：返回-1，设置errno
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sock == -1) {
        perror_exit("create socket");
    }

    //2.清空服务器地址空间（标签），写上地址和端口号
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));

    server_addr.sin_family = AF_INET;//选择协议族IPV4
    //inet_pton(AF_INET, "1.1.1.1", &server_addr.sin_addr.s_addr);//测试出错处理函数perror_exit
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);//监听本地所有IP地址
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);//绑定端口号

    //3. 实现标签贴到收信得信箱上
    ret = bind(sock, (struct sockaddr *)&server_addr,  sizeof(server_addr));
    if(ret == -1) {
        perror_exit("bind");
    }

    //4. 把信箱挂置到传达室，这样，就可以接收信件了（监听客户端）
    ret = listen(sock, 128);
    if(ret == -1) {
        perror_exit("listen");
    }

    //万事俱备，只等来信
    printf("等待客户端的连接\n");

    //5. 处理客户端请求
    int done =1;
    while(done){
        struct sockaddr_in client;
        int client_sock, len, i;
        char client_ip[64];
        char buf[256];

        socklen_t  client_addr_len;
        client_addr_len = sizeof(client);
        client_sock = accept(sock, (struct sockaddr *)&client, &client_addr_len);

        //打印客服端IP地址和端口号
        printf("client ip: %s\t port : %d\n",
                 inet_ntop(AF_INET, &client.sin_addr.s_addr,client_ip,sizeof(client_ip)),
                 ntohs(client.sin_port));
        /*读取客户端发送的数据*/
        len = read(client_sock, buf, sizeof(buf)-1);
        buf[len] = '\0';
        printf("receive[%d]: %s\n", len, buf);

        //转换成大写
        for(i=0; i<len; i++){
            buf[i] = toupper(buf[i]);
        }

        len = write(client_sock, buf, len);

        printf("finished. len: %d\n", len);
        close(client_sock);

    }

    //6. 关闭连接
    close(sock);
    return 0;
}

2.2 客户端程序echo_client.c

#include <stdio.h>      //printf
#include <stdlib.h>     //exit
#include <string.h>     //memset, strlen
#include <unistd.h>     //read, write, close
#include <sys/socket.h> //socket, connect
#include <arpa/inet.h>  //inet_pton

#define SERVER_PORT 666
#define SERVER_IP  "127.0.0.1"
int main(int argc, char *argv[]){//argc表示传入命令的个数，argv表示传入的具体信息

    int sockfd;
    char *message;
    struct sockaddr_in servaddr;
    int n;
    char buf[64];

    //异常处理
    if(argc != 2){
        fputs("Usage: ./echo_client message \n", stderr);
        exit(1);
    }

    message = argv[1];//传入的信息
    printf("message: %s\n", message);

    //1. 创建套嵌字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    memset(&servaddr, '\0', sizeof(struct sockaddr_in));//分配空间

    //定义地址IP和端口
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &servaddr.sin_addr);
    servaddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);

    //2. 连接服务器
    connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

    //3. 读写和服务器的交互信息
    write(sockfd, message, strlen(message));

    n = read(sockfd, buf, sizeof(buf)-1);

    if(n>0){
        buf[n]='\0';
        printf("receive: %s\n", buf);
    }else {
        perror("error!!!");
    }

    printf("finished.\n");

    //4. 关闭连接
    close(sockfd);

    return 0;
}

3. 程序运行方式

我的echo_server.c程序在/share/echo_server文件夹下,echo_client.c程序在/share/echo_client文件夹下。

必须先运行服务器程序，再运行客户端程序。顺序不能反！！

3.1. 运行服务器程序

• 首先，进入echo_server.c所在文件夹
  
  root@lxb-virtual-machine:/# cd /share/echo_server
• 之后，编译程序
  
  root@lxb-virtual-machine:/share/echo_server# gcc echo_server.c -o echo_server
• 最后运行程序
• root@lxb-virtual-machine:/share/echo_server# ./echo_server

全过程截图：

3.2. 运行客户端程序

• 首先，进入echo_client.c所在文件夹
  
  root@lxb-virtual-machine:/# cd /share/echo_client
• 之后，编译程序
  
  root@lxb-virtual-machine:/share/echo_client# gcc echo_client.c -o echo_client
• 最后运行程序
• root@lxb-virtual-machine:/share/echo_client# ./echo_client "this is a webserver example!"

全过程截图：

4. 分析

首先我们进行感性的分析，用来理解各个步骤的用意。之后我们需要对里面涉及到的函数进行具体的分析。

4.1 李华写信模型

我们在高中英语经常遇到的一道作文题就是“你是李华，请给国外的笔友Andy写信”，而我们网络通信也可以类比于“李华与国外笔友通信”的模型。这里我们将“李华”比作客户端，“国外笔友Andy”作为服务器端。

4.1.1 Andy应该怎么做呢？

为了使“李华同学”与“国外笔友”能够交流，首先需要统一语言，同时约定好寄信方式，邮局寄信还是电子邮件之类的，（这就是“socket套嵌字”）。之后Andy准备好一个信箱，之后找一张标签纸（server_addr），整理干净这张标签纸（bzero函数），往上面写上自己的地址和门牌号，一切准备好后，将贴好标签纸的信箱挂到外面（listen函数），这样大家都能给Andy寄信。最后Andy只需要时不时去看看信箱有没有信，有的话把信的内容读出来(read函数），之后再写封回信寄回去（write函数）。

4.1.2 李华应该怎么做？

李信作为写信人就比较简单了，首先还是使用统一的寄信方式，往信封上写上自己要寄的地址和门牌号，也就是Andy家的地址和门牌号，之后与Andy联系上（connect函数)。接下来就可以给Andy写信(write函数），读Andy的回信（read函数）。收到回信，不想再和Andy通信了，这时就把两个人的联系断开（close函数）。

4.2 程序流程图

4.3 具体函数解析

4.3.1 socket函数

1. 所属头文件

   #include <sys/socket.h>

2. 函数定义

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

3. 参数含义

   • domain:
     
     AF_INET 这是大多数用来产生socket的协议，使用TCP或UDP来传输，用IPv4的地址
     
     AF_INET6 与上面类似，不过是来用IPv6的地址
     
     AF_UNIX 本地协议，使用在Unix和Linux系统上，一般都是当客户端和服务器在同一台及其上的时候使用
   • type:
     
     SOCK_STREAM 这个协议是按照顺序的、可靠的、数据完整的基于字节流的连接。这是一个使用最多的socket类型，这个socket是使用TCP来进行传输。
     
     SOCK_DGRAM 这个协议是无连接的、固定长度的传输调用。该协议是不可靠的，使用UDP来进行它的连接。
     
     SOCK_SEQPACKET该协议是双线路的、可靠的连接，发送固定长度的数据包进行传输。必须把这个包完整的接受才能进行读取。
     
     SOCK_RAW socket类型提供单一的网络访问，这个socket类型使用ICMP公共协议。（ping、traceroute使用该协议）
     
     SOCK_RDM 这个类型是很少使用的，在大部分的操作系统上没有实现，它是提供给数据链路层使用，不保证数据包的顺序
   • protocol:
     
     传0 表示使用默认协议。
   • 返回值：
     
     成功：返回指向新创建的socket的文件描述符，失败：返回-1，设置errno

4.3.2 bind函数

1. 所属头文件

   #include <sys/socket.h>

2. 函数定义

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

3. 参数含义

   • sockfd:
     
     socket文件描述符
   • addr:
     
     IP地址加端口号
   • addrlen:
     
     addr的长度
   • 返回值：
     
     成功：返回0，失败：返回-1，设置errno

4.3.3 listen函数

1. 所属头文件

   #include <sys/socket.h>

2. 函数定义

   int listen(int sockfd, int backlog);

3. 参数含义

   • sockfd:
     
     socket文件描述符
   • backlog:
     
     在Linux 系统中，它是指排队等待建立3次握手队列长度
   • 返回值：
     
     成功：返回0，失败：返回-1，设置errno

4.3.4 accept函数

1. 所属头文件

   #include <sys/socket.h>

2. 函数定义

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

3. 参数含义

   • sockfd:
     
     socket文件描述符
   • addr:
     
     IP地址加端口号
   • addrlen:
     
     addr的长度
   • 返回值：
     
     成功：返回一个新的socket文件描述符，失败：返回-1，设置errno

4.3.5 connect函数

1. 所属头文件

   #include <sys/socket.h>

2. 函数定义

   int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

3. 参数含义

   • sockfd:
     
     socket文件描述符
   • addr:
     
     IP地址加端口号
   • addrlen:
     
     addr的长度
   • 返回值：
     
     成功：返回一个新的socket文件描述符，失败：返回-1，设置errno

4.3.6 出错处理函数

1. 所属头文件

   #include <errno.h>
   #include <string.h>
   

2. 函数定义

   char *strerror(int errnum);

3. 参数含义

   • errnum:
     
     错误编号的值，一般取 errno 的值
   • 返回值：
     
     错误原因

5.感谢

感谢bilibili的Martin老师的视频: C语言/C++服务器开发】小白实现第一个服务器入门项目 网络通信与Socket 编程详解&源码分享,本篇博客也是基于Martin老师这个视频所做的。