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Socket程式設計（高併發TCP/UDP）

阿新 • • 發佈：2020-12-28

技術標籤：作業系統+網路

Socket程式設計（TCP/UDP） <sys/socket.h>

如有問題請多多指教，

1.Tcp模式（由客戶端連結伺服器）

2.UDP模式：

3.多執行緒tcp

4.多程序tcp

首先我們需要知道tcp和udp的協議的特點。

1.Tcp模式（由客戶端連結伺服器）

伺服器端 客戶端

socket（） 建立套接字 socket（）建立套接字

bind（） 命名套接字（繫結地址）

listen（）建立監聽佇列

accept（）接收連線（阻塞）connect()發起連線

recv（） 接收資料 send（）傳送資料

Send（）傳送資料 recv（）傳送資料

Close（）關閉連線 close（）關閉連結

對於每一個主機我們都有大端和小端的區別，為啥保證可以正常通訊，我們網路位元組序均使用了大端的方式。現在pc端大多數使用小端模式，因此我們的主機位元組序使用小端。

<netinet/in.h>

unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong)

unsigned short int htons(unsigned short int hostlong)

unsigned long int ntonl(unsigned long int netlong)

unsigned short int ntons (unsigned short int netshort)

例如：

htonl 表示 host to network long 即將長整型主機位元組序的資料轉換成網路位元組序。

ip地址轉換函式

通常，我們習慣用可讀性好的字串來表示ip地址，比如用點分十進位制字串表示IPv4地址，以及用十六進位制字串表示IPv6地址。但程式設計中我們需要將它們轉化成整數方能使用。

用點分十進位制字串表示的IPv4地址和網路位元組序整數表示的IPv4地址之間的轉換：

#include<arpa/inet.h>

int_addr_t inet_addr(const char * strptr);

int inet_aton(const char * cp,struct in_addr* inp);

char * inet_ntoa(struct in_addr in);

inet_addr 將用點分十進位制字串表示的IPv4地址轉換成網路位元組序整數表示的IPv4，失敗時返回 INADDR_NONE；

inet aton 函式和上面的一樣，但是將轉化的字串存放在 inp中，成功返回1，失敗返回0.

inet_ntoa 函式將用網路位元組序整數表示ipv4 轉化成 點分十進位制字串表示的IPv4地址但是要注意的是，該函式中，有靜態變數，因此inet_nota是不可重入的。

函式介紹：

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

失敗返回 -1，成功返回監聽套接字

domain 設定套接字協議族， AF_UNIX UNIX本地域協議簇， AF_INET TCP/IPV4協議簇 AF_INET6 TCP/IPV6協議簇

type 設定套接字服務型別 SOCK_STREAM （流服務） SOCK_UGRAM(資料報)

protocol 一般設定為0，使用預設協議

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

失敗返回-1，成功返回0.

sockfd是監聽套接字描述符，addr是ip地址結構，addrlen是地址長度。

struct sockaddr_in {

short sin_family; //地址族 Socket只能用AF_INET

u_short sin_port; //埠

struct in_addr sin_addr; //IPv4網路地址

char sin_zero[8]; //

};

int listen(int sockfd, int backlog);

成功返回0，失敗返回-1，

sockfd 是監聽套接字，backlog 監聽佇列的最大長度。

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

sockfd 是監聽套接字，addr 是連線的ip地址，addrlen 是長度。

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

sockfd是監聽套接字，addr是被連線的ip地址，addrlen 是長度

ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

sockfd是連線套接字，buf是收到的陣列，len是長度，flags 是標誌位

當返回值為0的時候就代表斷開連結。

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

sockfd是連線套接字，buf是寫入的陣列，len是長度，flags是標誌位

int close(int fd);

fd是套接字

在tcp中，在沒有客戶端連線的時候，我們回阻塞在accept（）函式，等待有人來連線我們。

程式碼如下：

ser.c

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

int main()
{
    //建立套接子
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    assert(sockfd !=-1);
    
    //指定ip + port  
    struct sockaddr_in caddr,saddr;// saddr, ser; caddr,cli
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6000); //網路位元組序列  大端
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    
    int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    assert(res!=-1);
    
    listen(sockfd,5);
    
    while(1)
    {
        int len = sizeof(caddr);
        int c = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
        if( c < 0)
        {
            continue;    
        }

        printf("accept c = %d\n",c);

        char buff[128] = {0};
        while(1)
        {
            int n = recv(c,buff,127,0);
            if(n==0)
            {
                printf("one cli is over\n");
                break;    
            }
            printf("buff=%s\n",buff);
            send(c,"ok",2,0);
        }
        close(c);
    }
    exit(0);
}

cli.c

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

int main()
{
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    assert(sockfd !=-1);

    struct sockaddr_in saddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6000);
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    int res = connect(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    assert(res!=-1);
    while(1)
    {
        char buff[128] = {0};
        printf("input:\n");
        fgets(buff,128,stdin);
        if(strncmp(buff,"end",3)==0)
        {
            break;
        }
        send(sockfd,buff,strlen(buff),0);
        memset(buff,0,128);
        recv(sockfd,buff,127,0);
        printf("buff=%s\n",buff);
        
    }
    close(sockfd);

    exit(0);


}

2.UDP模式：

伺服器 客戶端

socket（）建立套接字 socket（）建立套接字

bind（）命名套接字

recvfrom（） 收到資料 sendto() 傳送資料

sendto() 傳送資料 recvfrom（） 收到資料

close（） 關閉 close（） 關閉

socket（） bind（） close（） 函式和 tcp的操作一樣，不一樣的是 收發資料

ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

sockfd 是監聽套接字，buf是傳送的資料，len 是長度， flags 是標誌位，

dest_addr是對方的ip地址，addrlen是ip地址的長度。

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

sockfd是監聽套接字，buf是陣列，len 是長度，flags是標誌位，src_addr是對方的ip地址，addrlen是ip長度。

程式碼：

ser.c

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


int main()
{
    int sockfd =  socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    assert(sockfd!=-1);
    
    struct sockaddr_in saddr,caddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6000);
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    int res = bind(sockfd,(struct sockaddr* )&saddr,sizeof(saddr));
    
    while(1)
    {
        int len = sizeof(caddr);
        char buff[128] = {0};
        int n = recvfrom(sockfd,buff,127,0,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
        printf("recv:%s\n",buff);
        sendto(sockfd,"ok",2,0,(struct sockaddr*)&caddr,sizeof(caddr));    
    }
    exit(0);
}

cli.c

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


int main()
{
    int sockfd =  socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    assert(sockfd!=-1);
    
    struct sockaddr_in saddr,caddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6000);
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    int res = bind(sockfd,(struct sockaddr* )&saddr,sizeof(saddr));
    
    while(1)
    {
        char buff[128]={0};
        printf("input:\n");
        fgets(buff,128,stdin);

        if(strncmp(buff,"end",3)==0)
        {
            break;    
        }

        sendto(sockfd,buff,strlen(buff),0,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(caddr));
        memset(buff,0,128);
        int len = sizeof(saddr);
        recvfrom(sockfd,buff,127,0,(struct sockaddr*)&saddr,&len);
        printf("recv:%s\n",buff);
            
    }

    close(sockfd);
    exit(0);
}

思考：

如果我們每次只接收一個位元組的資料，如果我們傳送hello tcp 和 udp 的結果是怎樣的呢？

在tcp 中

在udp中

3.多執行緒tcp

在tcp 中，當有一個客戶端連線伺服器的時候，我們會進入到迴圈的收發過程中，這時候當我們在去連結其他的客戶端的時候，就會發生阻塞，一直等待當我們正在收發的客戶端斷開連線後，才會連線入我們新的客戶端。這時候我們可以將連線的過程寫道主執行緒中，每次連線一個那我們就去將這個連線後的操作，交給一個執行緒去操作，以此保證不阻塞的操作。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
int create_socket();
//多執行緒處理高併發問題

void *fun(void *arg)
{
    int c= (int )arg;
    while(1)
    {
        char buff[128] = {0};
        int n= recv(c,buff,127,0);
        if(n<=0)
        {
            break;
        }

        printf("recv(%d)=%s\n",c,buff);
        send(c,"ok",2,0);
    }

    printf("one cli is over\n");
    close(c);
}
int main()
{
    int sockfd = create_socket();
    assert(sockfd != -1);
    
    while(1)
    {
        struct sockaddr_in caddr;
        int len = sizeof(caddr);
        int c = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
        if(c<0)
        {
            continue;
        }

        pthread_t id;
        pthread_create(&id,NULL,fun,(void *)c);
    }
}

int create_socket()
{
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sockfd == -1)
    {
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in saddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6000);
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    if(res==-1)
    {
        return -1;    
    }

    listen(sockfd,5);

    return sockfd;
}

4.多程序tcp

多程序的思想和多執行緒一樣，但是在程序複製的時候，也會複製描述符，我們將沒有用的描述符進行關閉，在當我們某一個客戶端斷開連線的時候，這個程序就要結束，這時候就會變成僵死程序，我們需要用訊號進行處理。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

void sig_fun(int sig)
{
    wait(NULL);
}

int create_socket();
//多程序處理高併發問題
int main()
{
    int sockfd = create_socket();
    assert(sockfd != -1);
    
    signal(SIGCHLD,sig_fun);    
    while(1)
    {
        struct sockaddr_in caddr;
        int len = sizeof(caddr);
        int c = accept(sockfd,(struct sockaddr*)&caddr,&len);
        if(c<0)
        {
            continue;
        }
        pid_t pid = fork();
        assert(pid!=-1);

        if(pid == 0)
        {
            close(sockfd);
            while(1)
            {
                char buff[128] = {0};
                int n= recv(c,buff,127,0);
                if(n<=0)
                {
                    break;
                }

                printf("recv=%s\n",buff);
                send(c,"ok",2,0);
            }
            close(c);
            printf("onr cli is over\n");
            exit(0);
        }
        close(c);
    }
}

int create_socket()
{
    int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    if(sockfd == -1)
    {
        return -1;
    }

    struct sockaddr_in saddr;
    memset(&saddr,0,sizeof(saddr));
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(6000);
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    int res = bind(sockfd,(struct sockaddr*)&saddr,sizeof(saddr));
    if(res==-1)
    {
        return -1;    
    }

    listen(sockfd,5);

    return sockfd;
}

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