【Linux】网络编程——TcpServer
一、Tcp Socket 常见的API介绍
相比于之前所学习的UDP，TCP是较为麻烦一下的，因为TCP协议比UDP协议要难一点，而且TCP需要先建立一条连接才能继续通信，而UDP是直接进行通信。下面来看一看，TCP要使用的API函数接口，顺便复习一下：
1.1 socket函数
函数的原型：
函数的功能：
socket函数的主要功能是创建一个套接字，用于网络通信。创建的套接字可以用于各种网络操作，如连接到远程服务器、接收和发送数据等。成功创建的套接字用于建立和管理网络连接或进行数据传输。函数的参数：
domain: 套接字的协议族。常见的值有：
AF_INET：用于 IPv4 地址。AF_INET6：用于 IPv6 地址。AF_UNIX或AF_LOCAL：用于本地进程间通信（IPC）。
type: 套接字的类型，指定了套接字的传输方式。常见的值有：
SOCK_STREAM：面向连接的套接字，使用 TCP 协议，提供可靠的数据传输。SOCK_DGRAM：无连接的套接字，使用 UDP 协议，提供不可靠的数据传输。SOCK_RAW：原始套接字，通常用于访问更底层的协议。
protocol: 套接字所使用的协议。对于大多数应用，设置为0表示自动选择合适的协议（通常是与type相关的默认协议）。如果需要指定具体协议，可以用如下值：
IPPROTO_TCP：与SOCK_STREAM配合使用，表示使用 TCP 协议。IPPROTO_UDP：与SOCK_DGRAM配合使用，表示使用 UDP 协议。函数的返回值：
- 成功: 返回一个非负的整型文件描述符，表示创建的套接字。
- 失败: 返回 -1，并且设置
errno以指示错误原因。常见的错误包括ENOMEM（内存不足）、EAFNOSUPPORT（地址族不支持）、EPROTONOSUPPORT（协议不支持）等。
1.2 Bind函数
函数的原型：
函数的功能：
bind函数将指定的地址（如 IP 地址和端口号）分配给一个已创建的套接字。对于服务器应用，这通常是设置套接字监听特定端口的步骤。函数的参数：
sockfd: 套接字文件描述符，由socket函数返回。addr: 指向struct sockaddr结构体的指针，包含要绑定的地址信息。addrlen:addr参数所指向的地址结构体的大小，以字节为单位。函数的返回值：
- 成功: 返回 0。
- 失败: 返回 -1，并设置
errno以指示错误原因，如EADDRINUSE（地址已在使用中）、EADDRNOTAVAIL（地址不可用）等。
1.3 listen函数
函数的原型：
函数的功能：
listen函数的主要功能是将套接字设置为被动模式，以便它可以接收传入的连接请求。调用listen后，套接字会进入“监听”状态，等待客户端发起连接请求。函数的参数：
sockfd: 套接字描述符。这个描述符是之前通过socket函数创建的，并且在调用bind函数后用来标识套接字。
backlog: 指定在套接字上允许的最大未完成连接队列的长度。这个队列用于存放尚未被accept函数接受的连接请求。当连接请求的数量超过这个值时，新连接请求可能会被拒绝或忽略。函数的返回值：
- 成功: 如果成功，返回
0。- 失败: 如果调用失败，返回
-1，并设置errno以指示错误原因。常见的错误代码包括EBADF（无效的套接字描述符）、ENOTSOCK（描述符不是一个套接字）、EADDRINUSE（地址已被使用）等。
1.4 accept函数
函数的原型：
函数的功能：
accept函数的主要功能是从已监听的套接字中接受一个传入的连接请求，创建一个新的套接字用于与客户端进行通信。调用accept函数后，服务器可以通过返回的新套接字与客户端交换数据。函数的参数：
sockfd: 已监听的套接字描述符，即之前通过socket函数创建并通过bind和listen函数设置好的套接字。
addr: 指向sockaddr结构体的指针，用于存储客户端的地址信息。如果不需要地址信息，可以传入NULL。
addrlen: 指向socklen_t类型的变量的指针，该变量表示addr参数所指向的地址结构体的大小。accept函数会更新这个变量以反映实际的地址长度。如果addr为NULL，这个参数可以被忽略。函数的返回值：
成功: 返回一个新的套接字描述符，这个描述符用于与客户端进行通信。新套接字是与连接相关的独立套接字，且继承了原套接字的属性。
失败: 返回
-1，并设置errno以指示错误原因。常见的错误代码包括EBADF（无效的套接字描述符）、EINTR（调用被中断）、ENOTSOCK（描述符不是一个套接字）、EOPNOTSUPP（套接字类型不支持）等。
1.5 connect函数
函数的原型：
函数的功能：
connect函数用于在客户端程序中与远程服务器建立连接。当客户端想要与服务器通信时，它使用connect函数来请求连接。成功调用connect后，客户端与服务器之间就可以进行数据传输了。函数的参数：
sockfd: 这是一个套接字文件描述符，它是通过socket函数创建的。这个套接字用于建立连接。
addr: 这是一个指向struct sockaddr结构体的指针，它包含了要连接的远程主机的地址信息。这个结构体的具体类型通常取决于协议族，例如struct sockaddr_in用于 IPv4。
addrlen: 这是addr指向的地址结构的大小，以字节为单位。通常，可以使用sizeof(struct sockaddr_in)来获得这个大小。函数的返回值：
- 成功: 返回 0 表示连接成功。
- 失败: 返回 -1，并且设置
errno以指示错误原因。例如，errno可能会被设置为ECONNREFUSED表示目标主机拒绝连接，或ETIMEDOUT表示连接超时等。
二、TcpServer代码的编写
我们先来看一看Tcp服务器编写的步骤：
- 创建TCP监听套接字
- 将TCP服务器的详细地址与TCP监听套接字进行绑定
- TCP服务器开启监听
- TCP服务器利用accept函数创建出新的套接字，通过新的套接字与客户端进行通信
2.1 TcpServer的初始化函数
void InitServer()
{
// 1. 创建套接字
_listensock = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (_listensock < 0)
{
// 创建失败
LOG(FATAL, "sockfd create failed!\n");
exit(SOCKET_ERROR);
}
LOG(INFO, "sockfd create success, sockfd is %d\n", _listensock);
// 2. 绑定套接字
struct sockaddr_in local;
memset(&local, 0, sizeof(local));
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(_port);
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
int n = ::bind(_listensock, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));
if (n < 0)
{
// 绑定失败
LOG(FATAL, "bind sockfd failed!\n");
exit(BIND_ERROR);
}
// 3. tcp是面向连接的，所以通信之前，需要先建立连接
// tcpserver启动，未来首先要一定等待用户的到来，需要进行监听
n = ::listen(_listensock, backlog);
if (n < 0)
{
// 监听失败
LOG(FATAL, "listen sockfd failed!\n");
exit(LISTEN_ERROR);
}
}
2.2 TcpServer的启动函数
void Loop()
{
// 4. 不能直接收数据，先获取连接
// accept在通信之前先获取客户端的地址, 返回值是文件描述符
// 这个文件描述符是什么？？ 每建立一个链接就会有一个套接字， 用于IO操作
_isrunning = true;
while (_isrunning)
{
// 利用accept函数进行创建出新的套接
struct sockaddr_in peer;
socklen_t len = sizeof(peer);
int sockfd = ::accept(_listensock, (struct sockaddr *)&peer, &len);
if (sockfd < 0)
{
LOG(WARNING, "sockfd create failed!\n");
continue;
}
// // version 0
// Service(sockfd, InetAddr(peer)); // 一次只能处理一个请求
// // version 1 : 采用多进程
// pid_t id = fork();
// if (id == 0)
// {
// // 子进程
// // 子进程与父进程的文件描述表是独立的，子进程从父进程赋值一份，只关心sockfd
// ::close(_listensock); // 建议关掉
// if (fork() > 0)
// exit(0);
// Service(sockfd, InetAddr(peer)); // 孤儿进程
// exit(0);
// }
// // 父进程将新获取的文件描述交给子进程，只关心listensock
// ::close(sockfd);
// waitpid(id, nullptr, 0);
// // version 2 : 采用多线程
// pthread_t t;
// ThreadDate *td = new ThreadDate(sockfd, InetAddr(peer), this);
// pthread_create(&t, nullptr, handlerSock, td);
// // version 3 : 线程池技术
// test_t t = std::bind(&TcpServer::Service, this, sockfd, InetAddr(peer));
// ThreadPool<test_t>::GetInstance()->Enqueue(t);
}
_isrunning = false;
}
2.3 不同版本的Tcp服务器处理
void Service(int sockfd, InetAddr addr)
{
LOG(INFO, "tcpserver success...\n");
while (true)
{
char buffer[1024];
int n = ::read(sockfd, buffer, sizeof(buffer));
if (n > 0)
{
buffer[n] = 0;
std::cout << buffer << std::endl;
std::string echo_string = "[server echo]";
echo_string += buffer;
write(sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size());
}
else if (n == 0)
{
// client关闭链接
LOG(DEBUG, "%s quit\n", addr.Ip());
break;
}
else
{
LOG(FATAL, "service failed!\n");
break;
}
}
::close(sockfd);
}
2.3.1 版本1——单线程版本
在这个版本中，我们只需要服务器进行读取客户端发来的数据，然后将读取到的结果返回给客户端。
Service(sockfd, InetAddr(peer)); // 一次只能处理一个请求
2.3.2 版本2——采用多进程版本
在这个版本中，我们需要利用fork函数创建出子进程，让子进程去处理业务，但是这样，父进程需要等待回收子进程，这样会进行阻塞；所以在这里，我们需要在子进程中再次调用fork函数创建出子进程，并将父进程进行退出，使得子进程变成孤儿进程，交给bash管理，最后将服务处理交给“孙子进程”。
// version 1 : 采用多进程
pid_t id = fork();
if (id == 0)
{
// 子进程
// 子进程与父进程的文件描述表是独立的，子进程从父进程赋值一份，只关心sockfd
::close(_listensock); // 建议关掉
if (fork() > 0)
exit(0);
Service(sockfd, InetAddr(peer)); // 孤儿进程
exit(0);
}
// 父进程将新获取的文件描述交给子进程，只关心listensock
::close(sockfd);
waitpid(id, nullptr, 0);
2.3.3 版本3——采用多线程
在这个版本中，我们所使用的是自己定义的线程函数，我们需要定义出ThreadDate结构体，使用线程创建函数创建出新线程，将任务处理交给新线程，并将新线程分离。
// ThreadDate结构体
class ThreadDate
{
public:
ThreadDate(int sockfd, InetAddr addr, TcpServer *s) : _sockfd(sockfd), _addr(addr), self(s) {}
InetAddr _addr;
int _sockfd;
TcpServer *self;
};
static void *HandlerSock(void *args)
{
pthread_detach(pthread_self());
ThreadDate *td = static_cast<ThreadDate *>(args);
td->self->_service(td->_sockfd, td->_addr);
delete td;
return nullptr;
}
// version 2 : 采用多线程
pthread_t t;
ThreadDate *td = new ThreadDate(sockfd, InetAddr(peer), this);
pthread_create(&t, nullptr, handlerSock, td);
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