阅读量:2
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。
- 什么是TCP
- TCP服务器需要用到哪些函数
- 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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
