Socket 编程 TCP

news2025/6/4 10:24:51

目录

1. TCP socket API 详解

1.1 socket

1.2 bind

1.3 listen

1.4 accept

1.5 read&&write

1.6 connect

1.7 recv

1.8 send

1.9 popen

1.10 fgets

2. EchoServer

3. 多线程远程命令执行

4. 引入线程池版本翻译

5. 验证TCP - windows作为client访问Linux

6. connect的断线重连

1. TCP socket API 详解

下面介绍程序中用到的socket API，这些函数都在sys/socket.h中。

1.1 socket

// main socket
NAME
       socket - create an endpoint for communication

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>

       int socket(int domain, int type, int protocol);
// domain：域，表示要进行网络通信，AF_INET
// type：套接字类型，TCP就填SOCK_STREM（流式套接字），UDP就填SOCK_DGRAM（数据包套接字）
// protocol：设置为0，默认就是TCP Socket

// 返回值
RETURN VALUE
       On success, a file descriptor for the new socket is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.
// 跟UDP一样，成功就是新的文件描述符，失败就返回-1

1.2 bind

// man bind
NAME
       bind - bind a name to a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>

       int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                socklen_t addrlen);
// 填充当前服务器本地的socket信息，文件信息和网络信息关联起来。

// 返回值
RETURN VALUE
       On success, zero is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.
// 如果成功了0被返回，否则-1被返回

1.3 listen

TCP的有连接和UDP的无连接

UDP叫面向数据报，无连接的，TCP叫面向字节流，有连接的，怎么证明UDP是无连接的呢？

只要我客户端一启动，随时就可以向服务器发消息，所以我们直接创建套接字之后，直接sendto就可以向服务器发消息了，没有所谓的连接，而TCP叫做面向连接的协议，即有连接，所以我们对应的TCP，要面向连接，如果我们的客户端（c）连接服务器（s），也叫cs模式，如果c向s发起对应的请求，就先的建立连接，连接建立成功才能通信，这就是TCP的特点，而客户点要连服务器，是不是要求这个服务器随时随地等待被连接。所以TCP是建立连接的，一定会存在协商的过程，所以tcp需要将socket设置为监听状态。

// man listen
NAME
       listen - listen for connections on a socket
       // 意思就是再等别人随时随地来连接我

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>

       int listen(int sockfd, int backlog);
// sockfd：设置的文件描述符
// backlog：服务器所对应的操作系统中所对应的全连接的个数，不建议为0，也不能太长，8，4，14，32都可以，具体设置多大，按照自己的需求来做，backlog是积压的意思，就类似于排队，但是排队也不能排太长

// 返回值
RETURN VALUE
       On success, zero is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.
// 成功了返回0，失败了-1被返回

1.4 accept

// man accept
NAME
       accept, accept4 - accept a connection on a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>

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

       #define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
       #include <sys/socket.h>

       int accept4(int sockfd, struct sockaddr *addr,
                   socklen_t *addrlen, int flags);

// 从指定的文件描述符当中获取新连接，获取新的客户端，当别人连接你的时候，第一件是就是要知道谁来连我，
// sockfd：套接字
// addr && addrlen：输出型参数，其实就相当于给我们传进来缓冲区，当我们再进行获取新连接，这个上面所对应的sockaddr的客户端的地址就会直接给我们返回。这两个参数就等同于recvfrom，recvfrom的后两个参数。

// 返回值
RETURN VALUE
       On success, these system calls return a nonnegative integer that is a file descriptor for the accepted socket.  On error, -1 is returned, errno is set appropriately, and addrlen is left unchanged.
// 如果成功就返回非0，失败-1返回。没有人连接就会阻塞。
// 成功后，这些系统调用将返回一个非负整数，该整数是所接受套接字的文件描述符，
// 正真提供服务的是由accept的返回值来定的。而sockfd是专门用来获取新连接的。

1.5 read&&write

读和写我们用的是read和write，因为我们的accept返回的是一个文件描述符，而且TCP是面向字节流的，管道和文件也是面向字节流的，所以TCP套接字，在我们获得了新的文件描述符之后，TCP套接字往后的处理都跟我们之前学习文件跟管道一样，我们可以调用read和write这样的文件接口来直接对网络进行读和写。

UDP不敢用read和write，因为UDP是面向数据报的，报文类型上是不一样的，至于什么是面向数据报，什么是面向字节流，单纯在应用层上编写代码是感受不到的，到TCP和UDP的原理时才能感受的到。

void HandlerRequest(int sockfd) // TCP也是全双工
    {
        char inbuffer[4096];
        while(true)
        {
            size_t n = ::read(sockfd,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1);
            if(n > 0)
            {
                LOG(LogLevel::INFO) << inbuffer;
                inbuffer[n] = 0;
                std::string echo_str = "server echo# ";
                echo_str += inbuffer;

                ::write(sockfd,echo_str.c_str(),echo_str.size());
            }
        }
    }
    void Start()
    {
        _isrunning = true;
        while(_isrunning)
        {
            // 不能直接读数据
            // 1. 获取新连接
            struct sockaddr_in peer;
            socklen_t peerlen;
            int sockfd = ::accept(_listensockfd,CONV(&peer),&peerlen);
            if(sockfd < 0)
            {
                LOG(LogLevel::WARNING) << "accept error: " << strerror(errno);
                continue;// 失败了不是报错，而是回头重新来
            }

            // 获取连接成功了
            LOG(LogLevel::INFO) << "accept success,sockfd id : " << sockfd;

            // version-0
            HandlerRequest(sockfd);
        }
        _isrunning = false;
    }

1.6 connect

// man connect
NAME
       connect - initiate a connection on a socket

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
       #include <sys/socket.h>

       int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
                   socklen_t addrlen);
// sockfd：客户端所创建的套接字
// addr && addrlen：访问目标服务器所对应的IP地址和端口号，

// 返回值
RETURN VALUE
       If the connection or binding succeeds, zero is returned.  On error, -1 is returned, and  errno  is  set  appropri‐ately.
// 创建套接字成功，返回值就是0，否则就是-1.

1.7 recv

// man recv
NAME
       recv, recvfrom, recvmsg - receive a message from a socket

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

       ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
// 从指定的文件描述符读取数据到buffer，长度是len，flage就是读取的标志位，默认设置为0就可以了，因为在我们当前的代码中，设置为0就表示的是阻塞的，他比read就多了一个flags，这是专门在套接字当中为我们处理IO接口，

1.8 send

// man send
NAME
       send, sendto, sendmsg - send a message on a socket

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

       ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
// 把特定缓冲区指定长度通过该文件描述符发出去，他也多了一个flags参数。

不管是read、write、recv还是end，他们的返回值的意思都是一样的，所以可以平滑过渡。

1.9 popen

// man popen
#include <stdio.h>
NAME
       popen, pclose - pipe stream to or from a process

SYNOPSIS
       #include <stdio.h>
       FILE *popen(const char *command, const char *type);
       int pclose(FILE *stream);
// 它的底层其实就是帮我们做了这几件事情
/*
1. 执行 Shell 命令
启动一个新的子进程，运行指定的命令行程序（如 ls, grep, python 等）。
2. 建立单向管道
根据模式（读或写），创建一个管道：
读模式（"r"）：从子进程的输出（如 stdout）读取数据。
写模式（"w"）：向子进程的输入（如 stdin）写入数据。
3. 返回文件流指针
返回一个 FILE* 指针，可通过标准文件操作函数（如 fread, fgets, fprintf）与子进程交互。
*/
// 1. pipe
// 2. fork + dup2(pipe[1],1) + exec*,执行结果给父进程,pipe[0]
// 3. return
// 返回值是FILE*的，其实就是把管道封装起来，封装成一个文件了。

// 返回值
RETURN VALUE
       popen(): on success, returns a pointer to an open stream that can be used to read or write to  the  pipe;  if  the fork(2) or pipe(2) calls fail, or if the function cannot allocate memory, NULL is returned.
       // 成功的话就返回一个文件流，失败返回空

       pclose(): on success, returns the exit status of the command; if wait4(2) returns an error, or some other error is detected, -1 is returned.

       Both functions set errno to an appropriate value in the case of an error.
       
// 一个线程执行fork就相当于当前进程创建子进程。

1.10 fgets

// man fgets
NAME
       fgetc, fgets, getc, getchar, ungetc - input of characters and strings
SYNOPSIS
       #include <stdio.h>
       char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
// 返回值
RETURN VALUE
       fgets() returns s on success, and NULL on error or when end of file occurs while no characters have been read.
       // 读取失败返回NULL

2. EchoServer

Linux: This repository is specifically designed to store Linux code - Gitee.comhttps://gitee.com/Axurea/linux/tree/master/2025_05_26_EchoServer

3. 多线程远程命令执行

Linux: This repository is specifically designed to store Linux code - Gitee.comhttps://gitee.com/Axurea/linux/tree/master/2025_05_28_CommandServerTcp

4. 引入线程池版本翻译

  • 上篇UDP部分写过类似的设计方案。
  • 后面我们还会涉及http相关内容，到时候在引入线程池会更方便，也很合理。

5. 验证TCP - windows作为client访问Linux

Linux: This repository is specifically designed to store Linux code - Gitee.comhttps://gitee.com/Axurea/linux/tree/master/2025_05_28_Tcp_WindowsClient&&LinxuServer

注意：一定要开放云服务器对应的端口号，在你的阿里云或者腾讯云、华为云的网站后台中开放。

我们可以发现tcp client（windows）和tcp server（Linux）可以通信。

WinSock2.h是Windows Sockets API（应用程序接口）的头文件，用于在Windows平台上进行网络编程。它包含了Windows Sockets 2（WinSock2）所需的数据类型、函数声明和结构定义，使得开发者能够创建和使用套接字（sockets）进行网络通信。
在编写使用Winsock2的程序时，需要在源文件中包含WinSock2.h头文件。这样，编译器就能够识别并理解Winsock2中定义的数据类型和函数，从而能够正确的编译和链接网络相关的代码。
此外，与WinSock2.h头文件相对应的是ws2_32.lib库文件。在链接阶段，需要将这个库文件链接到程序中，以确保运行时能够找到并调用Winsock2 API中实现的函数。
在WinSock2.h中定义了一些重要的数据类型和函数，如：
WSADATA：保存初始化Winsock库时返回的信息。
SOCKET：表示一个套接字描述符，用于在网络中唯一标识一个套接字。
sockaddr_in：IPv4地址结构体，用于存储IP地址和端口号等信息。
socket()：创建一个套接字。
bind()：将套接字与本地地址绑定。
listen()：将套接字设置为监听模式，等待客户端的连接请求。
accept()：接受客户端的连接请求，并返回一个新的套接字描述符，用于与客户端
进行通信。


WSAStartup函数是Windows Sockets API的初始化函数，它用于初始化Winsock库。该函数在应用程序或DLL调用任何Windows套接字函数之前必须首先执行，它扮演着初始化的角色。
以下是WSAStartup函数的一些关键的：
它接受两个参数：wVersionRequested和IpWSAData。wVersionRequested用于指定所请求的Winsock版本，通常使用MAKEWORD（major,minor）宏，其中major和minor分别标识请求的主版本号和次版本号。IpWSAData是一个指向WSAData结构的指针用于接收初始化信息。
如果函数调用成功，它会返回0：否则，返回错误代码。
WSAStartup函数的主要作用是向操作系统说明我们将使用哪个版本的Winsock库，从而使得该库文件能与当前的操作系统协同工作。成功调用该函数后，Winsock库的状态会被初始化，应用程序就可以使用Winsock提供的一系列套接字服务，如地址家族识别、地址转换、名字查询和连接控制等。这些服务使得应用程序可以与底层的网络协议栈进行交互，实现网络通信。
在调用WSAStartup函数后，如果应用程序完成了对请求的Socket库的使用，应调用
WSAStartup函数后，如果应用程序完成了对请求的Socket库的使用，应调用WSACleanup
函数来解除与Socket库的绑定并释放所占用的系统资源。

6. connect的断线重连

客户端会面临服务器崩溃的情况，我们可以试着写一个客户端重连的代码，模拟并理解一些客户端行为，比如游戏客户端等。

采用状态机，实现一个简单的tcp client可以实现重连的效果。

Linux: This repository is specifically designed to store Linux code - Gitee.comhttps://gitee.com/Axurea/linux/tree/master/2025_05_28_TcpClientConnect

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