Linux socket 搭建TCP服务器（C语言）

LinuxC 搭建简单的TCP服务器

1. 问题

​ 在标题之前，先提几个问题，方便下次查看理解。

1. 什么是TCP
2. TCP服务器需要用到哪些函数
3. 如何简单的搭建一个TCP服务器

2. 什么是TCP

​ TCP 是一种传输层协议，可以提供可靠的数据传输服务。它是面向连接的，具有可靠性、流量控制、拥塞控制以及双工通信的特点。

3. TCP 服务器需要用到哪些函数

1. socket

int socket(int domain, int type, int protocol); //声明  int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   //示例 

​ socket 作用是用来创建一个文件描述符也成为套接字描述符，用于根据我们指定的协议族、数据类型和协议来分配一个套接字描述符以及它所用到的资源。函数调用失败返回-1，调用成功返回正整数。

​ 参数说明：

• domain：指定协议族，常用的有 AF_INET（IPv4 地址）和 AF_INET6（IPv6 地址）、AF_LOCAL、AF_ROUTE 等。
• type：指定套接字类型，有3种类型，常用的有 SOCK_STREAM（流式套接字，用于 TCP 协议）和 SOCK_DGRAM（数据报套接字，用于 UDP 协议）。第三种为 SOCK_RAW ,为原始类型，允许对底层协议（如 IP， ICMP）进行直接访问。
• protocol：指定协议，通常设置为 0，表示让系统根据 domain 和 type 自动选择合适的协议。

​ 底层逻辑：

​ socket() 函数的底层逻辑主要涉及创建一个套接字数据结构，注册到内核中，为该套接字分配一个唯一的文件描述符，并返回该文件描述符。具体步骤如下：

1. 创建套接字数据结构：根据指定的通信域、套接字类型和协议，创建一个套接字数据结构，用于表示一个通信端点。
2. 分配文件描述符：在内核中分配一个文件描述符，用于标识这个套接字。
3. 注册到内核中：将套接字数据结构注册到内核的套接字表中，以便内核能够识别和管理这个套接字。
4. 返回文件描述符：将分配的文件描述符返回给调用者，以便后续对套接字的操作。

2. bind

// 声明 int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);  // 示例 struct sockaddr_in serveraddr; memset(&serveraddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); serveraddr.sin_family = AF_INET; serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); serveraddr.sin_port = htons(2048);  if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(struct sockaddr))) {     perror("bind");     return -1; } 

​ bind() 函数用于将一个本地地址（包括 IP 地址和端口号）绑定到一个套接字上，以便后续对该套接字的操作可以与指定的地址相关联。当你调用 bind() 函数时，你正在告诉操作系统将特定的 IP 地址和端口号绑定到一个套接字上。这样做的目的是为了让该套接字在网络上可以被唯一标识，并且只有特定地址和端口号的数据才能发送到这个套接字上。

​ 参数说明：

• sockfd：要绑定地址的套接字文件描述符。
• addr：指向包含要绑定地址的结构体的指针，通常是 struct sockaddr 类型的指针，需要根据套接字类型进行类型转换。
• addrlen：指定地址结构体的长度。

3. listen

​ listen()函数用于将一个套接字描述符标记为被动套接字（socket()函数创建的套接字为主动属性），用于监听连接请求，等待客户端的连接。所以它的作用是设置套接字为监听状态，等待客户端的连接请求。

// 声明 int listen(int sockfd, int backlog);  // 示例 listen(sockfd, 10); 

​ 参数说明：

• sockf：要设置为监听状态的套接字文件描述符。
• backlog：待连接队列的最大长度，即允许等待连接的客户端数量。

4. accept

// 声明 int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);  struct sockaddr_in clientaddr; socklen_t len = sizeof(clientaddr); int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len); 

​ accept()函数用于从已监听的的套接字中接收一个连接请求，创建一个新的连接套接字，并返回新的套接字连接符。如果已完成连接队列为空，则线程进入阻塞状态。如果accept函数执行成功，则返回由内核自动生成的套接字描述符，表示服务器已与客户端已经建立连接；若执行错误则返回-1。

​ 参数说明：

• sockfd：已监听的套接字描述符（由 socket()函数返回的套接字描述符）
• addr：一个 sockaddr 的结构体，用于存放发起连接请求的客户端协议地址
• addrlen：指向存放客户端地址信息结构体长度的指针。

5. recv

// 声明 int recv(int sockfd, char * buf, int len, int flags);  // 示例 char buffer[128] = {0}; int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0); 

​ recv()函数用于接收已连接套接字发送的数据。从接收缓冲区中复制数据，如果成功则返回复制的字节数，失败返回-1，对端断开连接返回0。

​ 参数说明：

• sockfd：要接收数据的套接字描述符
• buf：指向存放接收数据缓冲区的指针
• len：接收缓冲区的长度
• flags：接受操作的标志位，通常为0，可以通过 ‘|’操作符连接到一起

6. send

// 声明 int send(int sockfd, const void* buf, int len, int flags)  // 示例 char buffer[128] = {0}; int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0); if (recv_count == 0) {     close(clientfd); } send(clientfd, buffer, recv_count, 0); 

​ send() 函数用于向已连接的套接字发送数据，每个TCP连接的套接字都有一个发送缓冲区（buf 是存放数据的缓冲区，不是发送缓冲区），调用send函数的过程是内核将用户的数据复制至TCP套接字的发送缓冲区的过程。send函数被调用时，检查TCP套接字中是否有发送数据。

​ 如果没有数据发送，则比较发送缓冲区长度和 send函数发送数据的长度 len，如果len大于套接字缓冲区长度，则返回错误-1；如果发送缓冲区的大小足够大，将数据发送至TCP发送缓冲区，send函数将数据复制到发送缓冲区中。

​ 如果有数据还未发送，则比较该缓冲区剩余空间和len的大小，如果len大于剩余空间，则一致等待，直到发送缓冲区中的数据发送完为止；如果len小于发送缓冲区剩余空间的大小，则将发送的数据复制到该缓冲区中。

​ send函数发送成功时，返回实际复制的字节数，发送失败时，返回-1，另一端关闭连接时，返回0。

​ 参数说明：

• sockfd：发送端套接字描述符
• buf：待发送数据的缓冲区
• len：待发送数据的字节长度
• flags：发送操作的标志位

4. 如何搭建一个简单的服务器

1. 创建服务器sockfd

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 

​ 利用 socket函数创建一个套接字描述符，设置协议族，指定为TCP（SOCK_STREAM）

2. 绑定客户端IP和port

struct sockaddr_in serveraddr; memset(&serveraddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in)); serveraddr.sin_family = AF_INET; serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); serveraddr.sin_port = htons(2048);  if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(struct sockaddr))) {     perror("bind");     return -1; } 

​ 利用bind函数将sockfd与IP和端口绑定，此处 IP 任意（INADDR_ANY)端口为2048。

3. 将sockfd设置为监听模式

listen(sockfd, 10); 

​ listen函数将客户端设置为监听状态，监听客户端连接，设置最大连接为10个。

4. 接受客户端连接

struct sockaddr_in clientaddr; socklen_t len = sizeof(clientaddr); int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len); 

​ 利用accept函数从已监听的的套接字中接收一个连接请求。返回客户端套接字描述符clientfd。

5. 通信

while (1) {     char buffer[128] = {0};     int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0);     if (recv_count == 0)     {         break     }     send(clientfd, buffer, recv_count, 0); } close(clientfd); 

​ recv函数实现接受客户端信息，send发送信息给客户端。close函数回收clientfd文件资源

5. 实现并发

​ 如果按照上述程序将代码组合起来，实现的TCP服务器仅能与一台客户机进行连接通信。为了实现并发功能，需要用到多线程的方法。

1. 线程回调函数

void* client_thread(void *arg) {     int clientfd = *(int *)arg;     while (1)     {         char buffer[128] = {0};         int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0);         if (recv_count == 0)         {             break;         }         send(clientfd, buffer, recv_count, 0);     } } close(clientfd); 

​ 该函数为线程的回调函数，函数输入一个客户端clientfd

2. 根据客户端连接请求创建线程

while (1) {     struct sockaddr_in clientaddr;     socklen_t len = sizeof(clientaddr);     int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);      pthread_t tid;     pthread_create(&tid, NULL, client_thread, &clientfd); } 

​ 每当客户端有新的连接请求时，accept都会返回一个新的clientfd，然后pthread_create创建一个新线程，在该线程中服务器与该客户端进行通信。

6. 总结

​ TCP 是一种传输层协议，可以提供可靠的数据传输服务。

​ 在TCP服务器中用到了六个函数socket、bind、listen、accept、recv和send。

​ 实现TCP服务器仅需将上述六个函数按顺序运用即可。我们还利用多线程的方法实现了一定量的并发，但是依旧存在一些问题，它是一线程一请求的形式，如果请求过多，服务器将会资源耗尽，因此无法实现大的并发量。想要实现超大并发，可以使用IO多路复用的功能。此处不做介绍，请听下回分解。