Linux C++实现一服务器与多客户端之间的通信

通过网络查找资料得到的都是一些零碎不成体系的知识点，无法融会贯通。而且需要筛选有用的信息，这需要花费大量的时间。所以把写代码过程中用到的相关知识的博客链接附在用到的位置，方便回顾。

1.程序流程

• 服务器端：socker()建立套接字，绑定（bind）并监听（listen），用accept（）等待客户端连接。
• 客户端：socker()建立套接字，连接（connect）服务器，连接上后使用send()和recv（），在套接字上写读数据，直至数据交换完毕，close()关闭套接字。

2.实现

具体实现上使用select函数Linux Select

在收发信息的时候，端口是会被占用的，也就是处于阻塞状态。例如这个例子UDP 组播 实例，只能实现一对一的通信。

在Linux中，我们可以使用select函数实现I/O端口的复用，传递给 select函数的参数会告诉内核：

• 我们所关心的文件描述符

• 对每个描述符，我们所关心的状态。(我们是要想从一个文件描述符中读或者写，还是关注一个描述符中是否出现异常)

• 我们要等待多长时间。(我们可以等待无限长的时间，等待固定的一段时间，或者根本就不等待)

从 select函数返回后，内核告诉我们一下信息：

• 对我们的要求已经做好准备的描述符的个数

• 对于三种条件哪些描述符已经做好准备.(读，写，异常)

有了这些返回信息，我们可以调用合适的I/O函数(通常是 read 或 write)，并且这些函数不会再阻塞.

select函数介绍

select函数原型如下：

int select (int maxfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件句柄(socket 句柄)的状态变化的。程序会停在select这里等待，直到被监视的文件句柄有一个或多个发生了状态改变。返回：做好准备的文件描述符的个数，超时为0，错误为 -1.

具体参数的解释

1. intmaxfdp是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1，不能错。

说明：对于这个原理的解释可以看下边fd_set的详细解释，fd_set是以位图的形式来存储这些文件描述符。maxfdp也就是定义了位图中有效的位的个数。

1. fd_set*readfds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的读变化的，即我们关心是否可以从这些文件中读取数据了，如果这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读；如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。

2. fd_set*writefds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的写变化的，即我们关心是否可以向这些文件中写入数据了，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化。

3. fd_set*errorfds同上面两个参数的意图，用来监视文件错误异常文件。

4. structtimeval* timeout是select的超时时间，这个参数至关重要，它可以使select处于三种状态，第一，若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止；第二，若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值；第三，timeout的值大于0，这就是等待的超时时间，即 select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回，返回值同上述。

详细解释

首先我们先看一下最后一个参数。它指明我们要等待的时间：

struct timeval{
        long tv_sec;   /*秒 */
        long tv_usec;  /*微秒 */
    }

tv_sec 代表多少秒

tv_usec 代表多少微秒 1000000 微秒 = 1秒

有三种情况：

timeout == NULL 等待无限长的时间。等待可以被一个信号中断。当有一个描述符做好准备或者是捕获到一个信号时函数会返回。如果捕获到一个信号， select函数将返回 -1,并将变量 erro设为 EINTR。

timeout->tv_sec == 0 &&timeout->tv_usec == 0不等待，直接返回。加入描述符集的描述符都会被测试，并且返回满足要求的描述符的个数。这种方法通过轮询，无阻塞地获得了多个文件描述符状态。

timeout->tv_sec !=0 ||timeout->tv_usec!= 0 等待指定的时间。当有描述符符合条件或者超过超时时间的话，函数返回。在超时时间即将用完但又没有描述符合条件的话，返回 0。对于第一种情况，等待也会被信号所中断。

中间的三个参数 readset, writset, exceptset,指向描述符集。这些参数指明了我们关心哪些描述符，和需要满足什么条件(可写，可读，异常)。一个文件描述集保存在 fd_set 类型中。fd_set类型变量每一位代表了一个描述符。我们也可以认为它只是一个由很多二进制位构成的数组。如下图所示：



Linux: fd_set用法

对于 fd_set类型的变量我们所能做的就是声明一个变量，为变量赋一个同种类型变量的值，或者使用以下几个宏来控制它：

#include <sys/select.h>
int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset);
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

FD_ZERO宏将一个 fd_set类型变量的所有位都设为 0，使用FD_SET将变量的某个位置位。清除某个位时可以使用 FD_CLR，我们可以使用FD_ISSET来测试某个位是否被置位。

当声明了一个文件描述符集后，必须用FD_ZERO将所有位置零。之后将我们所感兴趣的描述符所对应的位置位，操作如下：

fd_set rset;
int fd;
FD_ZERO(&rset);
FD_SET(fd, &rset);
FD_SET(stdin, &rset);

select返回后，用FD_ISSET测试给定位是否置位：

if(FD_ISSET(fd, &rset)   

{ ... }

关于select模型

理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。

（1）执行fd_set set;FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。

（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)

（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011

（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待

（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。注意：没有事件发生的fd=5被清空。

基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：

（1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。据说可调，另有说虽然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。

（2）将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，一是用于再select返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始 select前都要重新从array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。

（3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。

这种实现方式是有缺点的，一是能监听的端口数量有限，二是采用轮询的方法当套接字多了以后效率很低。三是需要有一个存储大量fd的数据结构，用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大

关于上面所说的I/O，select相关的问题这篇博客说的很明白Linux Select

网络字节转换inet_aton、inet_nota、inet_addr

C++基础--htons(),htonl(),ntohs(),ntohl()

3.实现代码

Socket原理及实践（Java/C/C++)

sockaddr详解

C语言网络编程：bind函数详解

c++ Socket学习——使用listen(),accept(),write(),read()函数

STDIN_FILENO

C语言文件操作之fgets（）因为gets()的不安全，所以使用fgets（）代替

socklen_t 类型

socket编程之accept()函数

服务器端：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#define BACKLOG 5     //完成三次握手但没有accept的队列的长度
#define CONCURRENT_MAX 8   //应用层同时可以处理的连接
#define SERVER_PORT 11332
#define BUFFER_SIZE 1024
#define QUIT_CMD ".quit"
int client_fds[CONCURRENT_MAX];  //声明一个数组来存储状态
int main(int argc, const char * argv[])
{
    char input_msg[BUFFER_SIZE];  //限定最大值
    char recv_msg[BUFFER_SIZE];
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    bzero(&(server_addr.sin_zero), 8);
    //创建socket
    int server_sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(server_sock_fd == -1)
    {
        perror("socket error");
        return 1;
    }
    //绑定socket
    int bind_result = bind(server_sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if(bind_result == -1)
    {
        perror("bind error");
        return 1;
    }
    //listen
    if(listen(server_sock_fd, BACKLOG) == -1)
    {
        perror("listen error");
        return 1;
    }
    //fd_set
    fd_set server_fd_set;  /*fd_set实际上是一long类型的数组，每一个数组元素都能与一打开的文件句柄 (不管是socket句柄，还是其他文件或命名管道或设备句柄) 建立联系，建立联系的工作由程序员完成，当调用select()时，由内核根据IO状态修改fe_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一socket或文件可读。*/
    int max_fd = -1;
    struct timeval tv;  //超时时间设置
    while(1)
    {
        tv.tv_sec = 20;
        tv.tv_usec = 0;
        FD_ZERO(&server_fd_set);
        FD_SET(STDIN_FILENO, &server_fd_set);
        if(max_fd <STDIN_FILENO)  //STDIN_FILENO 标准输入设备的文件描述符（键盘）
        {
            max_fd = STDIN_FILENO;
        }
        //printf("STDIN_FILENO=%d\n", STDIN_FILENO);
    //服务器端socket
        FD_SET(server_sock_fd, &server_fd_set);
       // printf("server_sock_fd=%d\n", server_sock_fd);
        if(max_fd < server_sock_fd)
        {
            max_fd = server_sock_fd;
        }
    //客户端连接
        for(int i =0; i < CONCURRENT_MAX; i++)
        {
            //printf("client_fds[%d]=%d\n", i, client_fds[i]);
            if(client_fds[i] != 0)
            {
                FD_SET(client_fds[i], &server_fd_set);
                if(max_fd < client_fds[i])
                {
                    max_fd = client_fds[i];
                }
            }
        }
        int ret = select(max_fd + 1, &server_fd_set, NULL, NULL, &tv);
        if(ret < 0)
        {
            perror("select 出错\n");
            continue;
        }
        else if(ret == 0)
        {
            printf("select 超时\n");
            continue;
        }
        else
        {
            //ret 为未状态发生变化的文件描述符的个数
            if(FD_ISSET(STDIN_FILENO, &server_fd_set))
            {
                printf("发送消息：\n");
                bzero(input_msg, BUFFER_SIZE);
                fgets(input_msg, BUFFER_SIZE, stdin);
                //输入“.quit"则退出服务器
                if(strcmp(input_msg, QUIT_CMD) == 0)
                {
                    exit(0);
                }
                for(int i = 0; i < CONCURRENT_MAX; i++)
                {
                    if(client_fds[i] != 0)
                    {
                        printf("client_fds[%d]=%d\n", i, client_fds[i]);
                        send(client_fds[i], input_msg, BUFFER_SIZE, 0);
                    }
                }
            }
            if(FD_ISSET(server_sock_fd, &server_fd_set))
            {
                //有新的连接请求
                struct sockaddr_in client_address;
                socklen_t address_len;
                int client_sock_fd = accept(server_sock_fd, (struct sockaddr *)&client_address, &address_len);
                printf("new connection client_sock_fd = %d\n", client_sock_fd);
                if(client_sock_fd > 0)
                {
                    int index = -1;
                    for(int i = 0; i < CONCURRENT_MAX; i++)
                    {
                        if(client_fds[i] == 0)
                        {
                            index = i;
                            client_fds[i] = client_sock_fd;
                            break;
                        }
                    }
                    if(index >= 0)
                    {
                        printf("新客户端(%d)加入成功 %s:%d\n", index, inet_ntoa(client_address.sin_addr), ntohs(client_address.sin_port));
                    }
                    else
                    {
                        bzero(input_msg, BUFFER_SIZE);
                        strcpy(input_msg, "服务器加入的客户端数达到最大值,无法加入!\n");
                        send(client_sock_fd, input_msg, BUFFER_SIZE, 0);
                        printf("客户端连接数达到最大值，新客户端加入失败 %s:%d\n", inet_ntoa(client_address.sin_addr), ntohs(client_address.sin_port));
                    }
                }
            }
            for(int i =0; i < CONCURRENT_MAX; i++)
            {
                if(client_fds[i] !=0)
                {
                    if(FD_ISSET(client_fds[i], &server_fd_set))
                    {
                        //处理某个客户端过来的消息
                        bzero(recv_msg, BUFFER_SIZE);
                        long byte_num = recv(client_fds[i], recv_msg, BUFFER_SIZE, 0);
                        if (byte_num > 0)
                        {
                            if(byte_num > BUFFER_SIZE)
                            {
                                byte_num = BUFFER_SIZE;
                            }
                            recv_msg[byte_num] = '\0';
                            printf("客户端(%d):%s\n", i, recv_msg);
                        }
                        else if(byte_num < 0)
                        {
                            printf("从客户端(%d)接受消息出错.\n", i);
                        }
                        else
                        {
                            FD_CLR(client_fds[i], &server_fd_set);
                            client_fds[i] = 0;
                            printf("客户端(%d)退出了\n", i);
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
    return 0;
}

客户端

connect函数详解

Linux下Socket网络编程send和recv使用注意事项

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#define BUFFER_SIZE 1024  

int main(int argc, const char * argv[])
{
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(11332);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    bzero(&(server_addr.sin_zero), 8);  

    int server_sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(server_sock_fd == -1)
    {
    perror("socket error");
    return 1;
    }
    char recv_msg[BUFFER_SIZE];
    char input_msg[BUFFER_SIZE];  

    if(connect(server_sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in)) == 0)
    {
    fd_set client_fd_set;
    struct timeval tv;  

    while(1)
    {
        tv.tv_sec = 20;
        tv.tv_usec = 0;
        FD_ZERO(&client_fd_set);
        FD_SET(STDIN_FILENO, &client_fd_set);
        FD_SET(server_sock_fd, &client_fd_set);  

       select(server_sock_fd + 1, &client_fd_set, NULL, NULL, &tv);
        if(FD_ISSET(STDIN_FILENO, &client_fd_set))
        {
            bzero(input_msg, BUFFER_SIZE);
            fgets(input_msg, BUFFER_SIZE, stdin);
            if(send(server_sock_fd, input_msg, BUFFER_SIZE, 0) == -1)
            {
                perror("发送消息出错!\n");
            }
        }
        if(FD_ISSET(server_sock_fd, &client_fd_set))
        {
            bzero(recv_msg, BUFFER_SIZE);
            long byte_num = recv(server_sock_fd, recv_msg, BUFFER_SIZE, 0);
            if(byte_num > 0)
            {
            if(byte_num > BUFFER_SIZE)
            {
                byte_num = BUFFER_SIZE;
            }
            recv_msg[byte_num] = '\0';
            printf("服务器:%s\n", recv_msg);
            }
            else if(byte_num < 0)
            {
            printf("接受消息出错!\n");
            }
            else
            {
            printf("服务器端退出!\n");
            exit(0);
            }
        }
        }
    //}
    }
    return 0;
}