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网络套接字-TCP服务器

作者：小丑西瓜9 | 2024-03-25 11:41:26

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网络套接字-TCP服务器

一前言

前面已经写过udp服务器的实现了，那里说了很多编写服务器的所需知识，在tcp服务器实现中就不再赘述了。

二服务端编写

大致接口如下。


./server + port端口号 启动时指明端口号
void usage(const std::string proc)
{
    std::cout<<"Usage "<<proc<<" port"<<std::endl;
}
 
int main(int argc,char*argv[]) 解析命令行参数,第二个就是端口号
{
    if(argc != 2)
    {
        usage(argv[1]);
        std::cout<<"port error"<<strerror(errno)<<std::endl;
        exit(USAGE_ERR);
    }
    u_int16_t port = atoi(argv[1]);将字符串的端口号转为数字,后续传给服务端类。
 
    tcp->InitServer();
    tcp->start();
    return 0;
}

然后我们就去实现类了，首先服务端必定要有端口号，而且一个公司部署的服务端的端口号是分配好的。还有个成员是保存套接字的，这个后面具体实现再提。


namespace server
{
 
 
    class TcpServer
    {
    public:
        TcpServer()
        {
            ;
        }
        ~TcpServer()
        {
            ;
        }
        void InitServer()
        {
 
        }
        void start()
        {
      
        }
 
    private:
        int listensocket_;
        int port_;
    };
};

1 创建套接字

初始化，显然就是要打开网络文件，创建套接字，直接复制udp的实现。


             // 1 创建套接字
            listensocket_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
            if (listensocket_ < 0)
            {
                std::cout << "socket err" << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            std::cout << "socket success" << std::endl;

2 开始绑定

注意:recv和sendto函数内部不会实现大小端转化，需要我们自己主机转网络序列。


 
            // 2 绑定端口号和ip地址
            struct sockaddr_in sock; // 头文件<netinet/in.h>
            bzero(&sock, sizeof(sock));
            sock.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 设置ip地址 表示所有的ip的地址
            sock.sin_port = htons(port_);
            sock.sin_family = AF_INET;
            if (bind(listensocket_, (sockaddr *)(&sock), sizeof(sock)) < 0)
            {
                std::cout << "bind error " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }
            std::cout << "bind success" << std::endl;

3 监听

参数2后面提及协议再说。可以设个不大不小的整数。

listensocket_是我们先前创建套接字返回的文件描述符，这个描述符被用来监听了，监听的是客户端的链接请求，因为请求也是通信，所以我们要先创建套接字，如果有链接请求从网络中来，os会把链接请求转成数据保存在监听套接字对应的文件中，上层就从这个文件中读取链接。


             // 3 开始监听
            if (listen(listensocket_, backlog)) // 返回0,监听成功
            {
                std::cout << "listen error " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(LISTEN_ERR);
            }

4 启动服务器

当有请求来了，我们当然要调用函数去处理，参数很熟悉，sockfd是我们先前用的listensockt_，因为请求都在这个文件内。


        void start()
        {
            while (true)
            {
                // 获取链接
                struct sockaddr_in sock; // 头文件<netinet/in.h>
    
                socklen_t len = sizeof(sock);
                int socket = accept(listensocket_, (sockaddr *)&sock, &len); // 不保存吗
                if (socket < 0)
                {
                    // std::cout << "accept err" << std::endl;
                    exit(SOCKET_ERR);
                }
                std::cout << "accept success" << std::endl;
                // 开始发消息,此时我们不能让主线程去发消息,不然就无法链接其它的客户端了
                std::string clientip = inet_ntoa(sock.sin_addr);
                u_int16_t clientport = ntohs(sock.sin_port);
                server(sock,clientip, clientport)；
 
            }
        }
        void server(int sock, std::string ip, uint16_t port)
        {
            ;
        }

此时收到请求后，我们也就获得了客户端的ip和端口，接下来就用ip和端口传给server函数实现通信。可是为什么accept又返回一个文件描述符，为什么要有两个套接字呢?在udp服务器中我们只创建了一个文件，意味着所有客户端发来的消息都在这个文件中，读取的时候其实很容易读取到a客户端的数据处理完发给了b客户端，那对于a客户端来说，数据就缺失了，所以udp的通信确实是不考虑完不完整的，所以tcp为了保证客户端数据的独立性，就每接收一次链接就创建一个文件，内部一定会把客户端的ip和端口号和这个文件绑定，这样下次客户端的数据来的时候就会根据ip和端口号判断放在哪个文件中了。

接下来看看server函数内如何通信。直接调用read函数读，调用write函数写，奇怪，为什么先前udp服务器不可以用read，而是用recvfrom，也不是用write，而是用sendto，据我了解，read和write是面向字节流的，udp服务端我们打开文件的时候是指明面向数据报的，read用面向字节流读取面向数据报的文件会出问题。后面讲tcp，udp协议，了解了面向字节流和面向数据报就理解得更深刻了。


        void server(int sock, std::string ip, uint16_t port)
        {
 
            char buffer[1024] = {0};
            int n = read(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1);
            if (n > 0)
            {
                buffer[n] = 0;
                // 写回给客户端
                write(sock, ret.c_str(), ret.size());
            }
            else if (n == 0)
            {
                close(sock);
                std::cout << name << " 断开连接" << std::endl;
            }
            else
            {
                close(sock);
                exit(READ_ERR);
            }
 
        }

可是直接输出又有点单调，所以我们做了些修改。调用回调方法对数据做处理。

func_就是func_t定义的变量，可以接收一个可调用对象，这个可调用对象的类型是string(string)，也就是返回值是string，参数也是string。

数据处理方法由外部定义。如下就是完整的定义服务端对象和启动。


std::string echo(std::string message)
{
    return message;
}
int main(int argc,char*argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        usage(argv[1]);
        std::cout<<"port error"<<strerror(errno)<<std::endl;
        exit(USAGE_ERR);
    }
    u_int16_t port = atoi(argv[1]);
    std::shared_ptr<TcpServer> tcp = std::make_shared<TcpServer>(echo,port);
    tcp->InitServer();
    tcp->start();
    return 0;
}

相应构造函数也要修改。

三客户端编写

同样客户端不用自己bind。那要不要listen，accept呢? 我认为是不需要的，这两个函数的意义在于等待别人来链接，一般来说都是客户端主动连接服务端，很少有服务端来主动找客户端的，并且获取链接方便后面给对方发数据，前面还说了可以保证服务端收到来自客户端数据的独立和安全。

而客户端本身不用担心多个服务端发来的数据混杂，虽然我们手机上有多个客户端，但是我们的客户端都是一个个进程，创建的套接字文件是独立的，服务端是因为会有多个客户端和它通信才要创建多个文件，我们这里是一个客户端对应一个服务端。所以通信步骤如下。

1 创建套接字

2 发起链接

用的是下面这个connect函数，参数列表也是非常熟悉。

直接开始准备初始化sock结构体。

因为我们不能一链接失败就退出，要尝试重连几次，就像我们打游戏没网，也是会有尝试重连选项的。


int main(int argc, char *argv[])  ip地址不能是任意的，必须知道服务端的ip地址和端口号
{
    if (argc != 3)
    {
        usage(argv[0]);
        std::cout << "stage error" << strerror(errno) << std::endl;
        exit(USAGE_ERR);
    }
    const std::string ip_ = argv[1];
    u_int16_t port = atoi(argv[2]);
 
    int socket_ = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (socket_ < 0)
    {
        std::cout << "create socket error" << strerror(errno) << std::endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }
    std::cout << "create socket successs" << std::endl;
    // 打开网络文件
 
    // 不用客户端自己绑定端口号和ip地址
    struct sockaddr_in sock;
    sock.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str()); // 将字符串类型的地址转为四字节地址,而且是网络字节序了
    sock.sin_port = htons(port);
    sock.sin_family = AF_INET;
    int len = sizeof(sock);
    // 开始连接
    int timenum = 5;
    while (connect(socket_, (sockaddr *)&sock, len) < 0)
    {
        sleep(1);
        std::cout << "开始重连:" << std::endl;
        timenum--;
        if (timenum == 0)
            break;
    }
    if (timenum <= 0)
    {
        std::cout << "链接失败" << std::endl;
        exit(CON_ERR);
    }
    return 0;
}

接下来就是我们客户端直接把消息写到文件中，然后read读取服务端返回的数据。

四实验测试

测试1

服务端bug：如果客户端不给我们发消息，我们就会阻塞在read这里，就不能调用accept接收新连接了，所以我们应该安排一个线程去调用server函数来收发消息。

注意:我服务端代码里的server函数只能读一次和发一次消息给客户端，如果写成死循环后面引进线程池还会出问题，因为线程数量有限，多个客户端来链接，线程就会不够，这里不会，因为此时我们是一个线程负责收发消息给一个客户端。


    
        
void *recv(void *arg)
{
    // 收消息
    int socket_ = *((int *)arg);
    while (true)
    {
        char buffer[1024] = {0};
        int n = read(socket_, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (n > 0)
        {
            buffer[n] = '\0';
            std::cout << "server echo# " << buffer << std::endl;
        }
        else if (n == 0)
        {
            close(socket_);
            std::cout << "server quit" << std::endl;
        }
        else
        {
            close(socket_);
            std::cout << "client read err" << strerror(errno) << std::endl;
            exit(READ_ERR);
        }
    }
}
 
         void start()
        {
            while (true)
            {
                // 获取链接
                struct sockaddr_in sock; // 头文件<netinet/in.h>
                bzero(&sock, sizeof(sock));
                socklen_t len = sizeof(sock);
                int socket = accept(listensocket_, (sockaddr *)&sock, &len); // 不保存吗
                if (socket < 0)
                {
                    lg_(ErrorLevel::Info,"accept err");
                    // std::cout << "accept err" << std::endl;
                    exit(SOCKET_ERR);
                }
                std::cout << "accept success" << std::endl;
                // 开始发消息,此时我们不能让主线程去发消息,不然就无法链接其它的客户端了
                std::string clientip = inet_ntoa(sock.sin_addr);
                u_int16_t clientport = ntohs(sock.sin_port);
 
                pthread_t id;
                pthread_create(&id,nullptr,recv,ThreadDta);
                                            
            }
        }

ThreadData类内包含ip和端口，server函数实现也被放入了静态成员函数recv中，我这里只是演示一下，只会把最后版本放出来下面我们引入线程池来做优化，我们希望在accept链接前就创建好线程了，提高响应速度。

引进线程池

线程池:内部负责创建线程，我们外部构建任务，放入线程池中，内部线程池会去执行。

先来看看任务构建，外部传入一个套接字，ip，端口号，可调用对象构建任务，线程拿到任务后调用可调用对象。


 
#define NUM 5
class Task
{
public:
    using func_t = std::function<void(int,std::string,u_int16_t)>;
    Task()
    {
        ;
    }
    Task(int sock,std::string ip,uint16_t port,func_t func)
        : socket_(sock), ip_(ip), port_(port),func_(func)
    {
        ;
    }
    void operator()()
    {
        func_(socket_,ip_,port_);
    }
    int socket_;
    func_t func_;
    std::string ip_;
    u_int16_t port_;
};

使用如下，构建任务，并且入队列，这里面还用了bind语法。

然后我大致说一下线程池内部实现，以及我们什么时候控制线程池去执行任务。成员如下，有任务队列保存任务，还有vector<Thread>保存多个线程。

我们线程池内存的也不是线程id，而是封装后的Thread类。代码如下，可以不关心内部实现。


class Thread
{
public:
    typedef enum
    {
        NEW = 1,
        RUNING,
        EXIT
    }status;
    typedef void* (*fun_t)(void*);
    Thread()
    {
        ;
    }
    Thread(int num, fun_t fun, void* arg)
    :id_(0),fun_(fun),arg_(arg),status_(NEW)
    {
        name_ = "thread->" + std::to_string(num);
    }
    ~Thread()
    {
        ;
    }
    static void * threadRun(void*arg)
    {
        Thread* th = (Thread*) arg;
        th->fun_(th->arg_);
        return nullptr;
    }
    void Run()
    {
        int n = pthread_create(&id_,nullptr,threadRun,(void*)this);
        if(n != 0)//成功返回0，不成功返回错误码
            exit(4);
        status_ = RUNING;    
    }
    void join()
    {
        pthread_join(id_,nullptr);
        status_ = EXIT;
    }
    std::string getname()
    {
        return name_;
    }
    int getstatus()
    {
        return status_;
    }
    pthread_t  getid()
    {
        if(status_ == RUNING)
            return id_;
        else
        {
            std::cout<<name_<<" not create ";
            return 1;
        }    
    }
    pthread_t id_;
    std::string name_;//线程名
    status status_;//线程状态
    fun_t fun_;//线程执行函数
    void* arg_;//线程参数
};

我们只需要知道我们要线程池初始化thread对象时要传一个执行函数和参数即可，i就是内部用来构建线程名的，不用关心。

外部通过线程池的静态函数获取单例对象。

线程池内调用Thread类内方法创建线程。

Thread类内的Run方法。

线程池内部实现。


template <class T>
class threadPool
{
    threadPool(int size = NUM) // vp_存的自定义类型要有默认构造,不然这里初始化会找不到默认构造!
        : vp_(size)
    {
        pthread_mutex_init(&mutex_, nullptr);
        pthread_cond_init(&Consumer, nullptr);
        pthread_cond_init(&Productor, nullptr);
    }
      ~threadPool()
    {
        for (auto &e : vp_) // 复用Thread join方法回收线程
        {
            e.join();
        }
        pthread_mutex_destroy(&mutex_);
        pthread_cond_destroy(&Consumer);
        pthread_cond_destroy(&Productor);
    }
   threadPool(const threadPool<T>& sh) = delete;
	threadPool<T> operator=(const threadPool<T>& sh) = delete;
public:
    void init()
    {
        for (int i = 0; i < NUM; i++)
        {
            vp_[i] = (Thread(i, threadRun, this));//this指针是给内部传参数的
        }
    }
    void Lock()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_);
    }
    void Unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(&mutex_);
    }
    static void *threadRun(void *arg)
    {
        // pthread_detach(pthread_self());
        threadPool<T> *tp = static_cast<threadPool<T> *>(arg);
        // 执行任务
        while (true)
        {
            T data;
            tp->pop(data);
            data();
        }
    }
    bool Full()
    {
        return tasks_.size() == NUM;
    }
    bool Empty()
    {
        return tasks_.size() == 0;
    }
    void start()
    {
        for (auto &e : vp_) // 复用Thread Run方法创建线程
        {
            e.Run();
        }
    }
  
    void push(const T &data)
    {
        {
            LockGuard lg(&mutex_);
            while (Full())
            {
                pthread_cond_wait(&Productor, &mutex_);
            }
            tasks_.push(data);
        }
        pthread_cond_signal(&Consumer);
 
    }
    void pop(T &data)
    {
 
        {
            LockGuard lg(&mutex_);
            // 检查是否有任务
            while (Empty())
            {
                pthread_cond_wait(&Consumer, &mutex_);
            }
            data = tasks_.front();
            tasks_.pop();
        }
        pthread_cond_signal(&Productor);
    }
    static threadPool<T>* getthreadPool()
    {
        if(tp_ == nullptr)//减少加锁次数
        {
            LockGuard lg(&Poolmutex_);
            if (tp_ == nullptr)
            {    
                tp_ = new threadPool<T>();
                tp_->init();
                tp_->start();
            }
 
        }
        return tp_;    
    }
    std::queue<T> tasks_;    // 任务队列
    std::vector<Thread> vp_; // 线程池,不能存指针,内部要解引用访问的
    pthread_mutex_t mutex_;
    pthread_cond_t Consumer;
    pthread_cond_t Productor;
    static threadPool<T>* tp_;
    static pthread_mutex_t Poolmutex_;
};
template<class T>
threadPool<T>*threadPool<T>::tp_ = nullptr;
template<class T>
pthread_mutex_t threadPool<T>::Poolmutex_ = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

综上，外部线程获取单例线程池对象并且push任务到队列，内部线程pop任务出来并执行。由于我们的线程池并没有设计扩容功能，所以线程是有限的，而线程池内部线程执行的任务是我们外部传入的server函数，如果server函数是个死循环，就会导致无法执行其它客户端的任务，所以我们把server函数内的死循环改了。

五守护进程

1 概念介绍

为什么要有守护进程呢?

因为我们目前起的进程如果把中端窗口一关闭，此时就会导致服务停了，那总不能让屏幕一直开着吧，所以我们让这个进程在后台运行，也就是守护进程化。

我们以前在讲进程状态的时候，用过下面这条命令，但是有几个成员一直没提及，那就是PGID和SID以及TTY。

PGID表是进程组，我们在命令行可以一次性起多个进程，这些进程都被归属于某个进程组被管理起来，进程组id一般是第一个创建的进程id，例如我们./server起了一个进程，这个进程内部也起了多个进程，此时这些进程都会被划分在一个进程组中，此时组长是server。

tty表示终端文件，终端就是我们打开xshell显示的那个窗口，所以当我们在命令行输入指令，都是云服务将结果输出到文件，文件经过网络发送到我们的主机上。

在一个终端下起的进程的终端文件是一样的，父进程是一样的，都是bash，而且还都属于某个进程组，进程组以第一个创建的进程id命名，不是bash。例如sleep 100 | sleep 100 &我们就在后台一次性起了两个进程，它们属于一个进程组。

所以./server不再是启动一个进程了，我们应该说是启动一个任务，因为serve程序内部可能也会创建进程，所以需要一个更大的概念-任务来描述，jobs可以查看当前会话的任务。

左侧的是任务码，我们可以把一个后台拉到前台运行，fg+ 任务码，然后ctrl+c就可以结束这个进程了。

将前台的任务回退为后台，Ctrl+z。

细节，当我们把sleep拉回前台运行时，此时bash命令就没了，因为我们./server就是把一个任务变成了前台，bash就变成后台，一个终端只能有一个前台进程，可以简单理解前台进程就是要和我们的键盘交互的，我们只能给一个进程喂指令，所以一个终端只有一个前台进程，当我们ctrl+z把前台进程变成后台进程后，此时bash命令行又回来了，因为它自动把自己变成前台进程了。

那什么是SID呢，我们称为会话id，22103其实是我们的bash进程，会话id以一个会话内的首进程id命名，什么是会话呢?当我们登录xshell时，linux就会建立一个会话，将bash以及bash创建进程管理在其中，有时候bash创建的进程(例如./server)内部又创建了许多进程，为了将server和它创建的进程关联起来，就有了进程组。

注销的理解：以前我们的电脑上是有个注销选项的，注销和重启是不同的，注销是删掉会话内的所有进程，重启则是整个系统进程都要重启了。守护进程化，就是对server进程独立开一个会话，这样用户注销就不会影响我这个守护进程了。使用如下接口。

返回值:会话ID。

2 守护进程化实现


void Daemon()
{
 
    pid_t ret = setsid();   
    if((int)ret == -1)
    {
        cout<<"setsid err:错误码: "<<errno<<" 错误信息:"<<strerror(errno)<<endl;
        exit(SETSID_ERR);
    }    
}

然后我们在server.cc中调用一下，我们整个进程就变成守护进程啦。对进程组的其它进程无影响?如果我们是像这里一样实现的话，大概率会出错，首先我们这里只有一个server进程，

server进程就必定是组长，组长进程不能从会话中独立出去，为什么不能走呢，我想是因为组长进程内有着管理组内进程的方法，如果走了就管理不了其它的进程了，深究的话就得讨论为什么组长走了就不能管理其它进程了，难道我们不能再选一个组长吗? 当然我说的容易，实现起来可能比较冗余，所以就禁止我们对组长进程进行守护进程化。

优化如下。

我们在Daemon()函数中创建子进程，让父进程退出，此时子进程就变成孤儿进程了，被os接管了，此时这个孤儿进程不会是组长，此时孤儿进程再将自己独立出去。

变成守护进程后，一直在后台执行start函数，这个函数内是在接收链接，并且创建任务到队列中，让内部的线程池去执行通信任务。

然后我们还要忽略一些常见错误信号，让我们的守护进程不会随随便便就退出。


 signal(SIGPIPE,SIG_IGN);
    signal(SIGCHLD,SIG_IGN);

已经成为守护进程了，就不应该和键盘显示器关联了，我们可以直接关闭显示器和键盘文件，但是这样我们使用cout,cin会直接出错。所以我们打开一个特殊文件，让cin读不到数据，直接返回，写入的数据也会被丢弃。


//守护进程化
void Daemon()
{
 
    子进程去创建新会话
    if(fork() > 0)
        exit(0);
    pid_t ret = setsid();   
    if((int)ret == -1)
    {
        cout<<"setsid err:错误码: "<<errno<<" 错误信息:"<<strerror(errno)<<endl;
        exit(SETSID_ERR);
    }    
    int fd = open("/dev/null",O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
        cout<<"open err:错误码: "<<errno<<" 错误信息:"<<strerror(errno)<<endl;
        exit(OPEN_ERR);
    }
    //关闭输入输出
    dup2(fd,0);
    dup2(fd,1);
    dup2(fd,2);
}

守护进程只能kill掉。

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网络套接字-TCP服务器

一 前言

二 服务端编写

1 创建套接字

2 开始绑定

3 监听

4 启动服务器

三 客户端编写

1 创建套接字

2 发起链接

四 实验测试

测试1

引进线程池

五 守护进程

1 概念介绍

2 守护进程化实现

一前言

二服务端编写

三客户端编写

四实验测试

五守护进程