(P12)socket編程(七)

1.TCP 11種狀態,連接建立三次握手,連接終止四次握手

  • 還有一種狀態是closing:產生該狀態的原因比較特殊
  • connect打開的是主動套接口,用於發起連接,listen打開的是被動套接口,此套接口只能用於接受連接
  • SYN段,ACK段
  • ESTABLISH:將未連接隊列的一個條目移動至已連接隊列中,accept從已連接隊列的隊頭返回第一個連接
  • 雙方都可以發起關閉
  • TIME_WAIT時間:2MSL:TCP段的最大生存期的2倍時間,爲什麼要保留2倍的時間?因爲最後一個ACK不能保證對方能接收,有這個時間可以保證能夠重傳ACK
    服務端處於CLOSED的狀態不代表客戶端也處於CLOSED的狀態,所以客戶端要在2MSL的時間後,纔會出現CLOSED的狀態

在這裏插入圖片描述

  • closing狀態:雙方同時關閉
    一旦收到對方ACK,就會處於TIME_WAIT(TIME_WAIT是由CLOSE發起的一方產生的狀態),但是兩方都處於TIME_WAIT的狀態
    在這裏插入圖片描述

2.TIME_WAIT與SO_REUSEADDR

  • eg:NetworkProgramming-master (1)\LinuxNetworkProgramming\P11echo_srv.c
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// Created by wangji on 19-8-6.
//

#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>

#include <sys/wait.h>

using namespace std;
//消息通過鍵盤輸出,消息之間的邊界就是/n,就不需要下面的結構體
// struct packet
// {
//     int len;
//     char buf[1024];
// };

#define ERR_EXIT(m) \
        do  \
        {   \
            perror(m);  \
            exit(EXIT_FAILURE); \
        } while(0);

ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;   // 剩餘字節數
    ssize_t nread;
    char *bufp = (char*) buf;

    while (nleft > 0)
    {
        nread = read(fd, bufp, nleft);
        if (nread < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            return  -1;
        } else if (nread == 0)
        {
            return count - nleft;
        }

        bufp += nread;
        nleft -= nread;
    }
    return count;
}

ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;
    ssize_t nwritten;
    char* bufp = (char*)buf;

    while (nleft > 0)
    {
        if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            return -1;
        }
        else if (nwritten == 0)
        {
            continue;
        }
        bufp += nwritten;
        nleft -= nwritten;
    }
    return count;
}

ssize_t recv_peek(int sockfd, void *buf, size_t len)
{
    while (1)
    {
        // recv有數據就返回,沒有數據就阻塞
        //若對方套接口關閉,則返回爲0
        //recv只能用於套接口
        int ret = recv(sockfd, buf, len, MSG_PEEK); 
        if (ret == -1 && errno == EINTR)//EINTR表示被信號中斷
        {
            continue;
        }
        return ret;
    }
}

//readline只能用於套接口,因爲使用了recv_peek函數
ssize_t readline(int sockfd, void *buf, size_t maxline)
{
    int ret;
    int nread;
    char *bufp = (char*)buf;    // 當前指針位置
    int nleft = maxline;//maxline一行最大的字節數,但是讀取到\n就可以返回
    while (1)
    {
        ret = recv_peek(sockfd, bufp, nleft);//這裏只是偷窺了緩衝區的數據,但是沒有移走
        if (ret < 0)
        {
            return ret;
        }
        else if (ret == 0)//ret == 0表示對方關閉套接口
        {
            return ret;
        }
        nread = ret;

        //判斷接收緩衝區是否有\n
        int i;
        for (i = 0; i < nread; i++)
        {
            if (bufp[i] == '\n')//若有\n,則將其作爲一條消息讀走
            {
                ret = readn(sockfd, bufp, i+1);//將數據從緩衝區移除,讀取到i,說明有i+1個數據,包括\n
                if (ret != i+1)//接收到的字節數不等於i+1,說明失敗
                {
                    exit(EXIT_FAILURE);
                }
                return ret;//返回一條消息
            }
        }
        
        //  若沒有\n,說明還不滿一條消息,也需要將數據讀出來,放到緩衝區bufp

        if (nread > nleft)//從緩衝區讀到的字節數要小於剩餘字節數,否則有問題
        {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        nleft -= nread;
        ret = readn(sockfd, bufp, nread);
        if (ret != nread)
        {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        bufp += nread;//指針偏移,將數據放到屁股後面
    }
    return -1;
}

void echo_srv(int connfd)
{
    char recvbuf[1024];

    int n;
    while (1)
    {
        memset(recvbuf, 0, sizeof recvbuf);
        int ret = readline(connfd, recvbuf, 1024);//按行接收到緩衝區
        if (ret == -1)
        {
            ERR_EXIT("readline");
        }
        if (ret == 0)
        {
            printf("client close\n");
            break;
        }

        fputs(recvbuf, stdout);
        writen(connfd, recvbuf, strlen(recvbuf));
    }

}

void handle_sigchld(int sig)
{
    // wait(NULL);//捕獲子進程的退出狀態。man 2 wait,NULL:這裏退出狀態不關心
    // waitpid(-1, NULL, WNOHANG);//可以等待所有子進程,WNOHANG表示不掛起

    //輪詢子進程的退出狀態
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0 )//將所有子進程的退出狀態進行返回, >0表示等待到了一個子進程
        ;//由於指定WNOHANG,則沒有子進程退出則返回-1,退出while
}


int main(int argc, char** argv) {

    // signal(SIGCHLD , SIG_IGN);//SIGCHLD可以忽略殭屍進程,不建議採用
    signal(SIGCHLD, handle_sigchld);

    // 1. 創建套接字
    int listenfd;
    if ((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) {
        ERR_EXIT("socket");
    }

    // 2. 分配套接字地址
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof servaddr);
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(6666);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    // servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    // inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);

    int on = 1;
    // 確保time_wait狀態下同一端口仍可使用
    if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof on) < 0) {
        ERR_EXIT("setsockopt");
    }

    // 3. 綁定套接字地址
    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof servaddr) < 0) {
        ERR_EXIT("bind");
    }
    // 4. 等待連接請求狀態
    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0) {
        ERR_EXIT("listen");
    }
    // 5. 允許連接
    struct sockaddr_in peeraddr;
    socklen_t peerlen = sizeof peeraddr;


    // 6. 數據交換
    pid_t pid;
    while (1) {
        int connfd;
        if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &peeraddr, &peerlen)) < 0) {
            ERR_EXIT("accept");
        }

        printf("id = %s, ", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr));
        printf("port = %d\n", ntohs(peeraddr.sin_port));

        pid = fork();

        if (pid == -1) {
            ERR_EXIT("fork");
        }
        if (pid == 0)   // 子進程
        {
            close(listenfd);
            echo_srv(connfd);
            //printf("child exit\n");
            exit(EXIT_SUCCESS);
        } else {
            //printf("parent exit\n");
            close(connfd);
        }


    }
    // 7. 斷開連接
    close(listenfd);


    return 0;
}
  • eg:NetworkProgramming-master (1)\LinuxNetworkProgramming\P11echo_cli.c
//
// Created by wangji on 19-8-6.
//

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


using namespace std;

struct packet
{
    int len;
    char buf[1024];
};

#define ERR_EXIT(m) \
        do  \
        {   \
            perror(m);  \
            exit(EXIT_FAILURE); \
        } while(0);

ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;   // 剩餘字節數
    ssize_t nread;
    char *bufp = (char*) buf;

    while (nleft > 0)
    {
        nread = read(fd, bufp, nleft);
        if (nread < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            return  -1;
        } else if (nread == 0)
        {
            return count - nleft;
        }

        bufp += nread;
        nleft -= nread;
    }
    return count;
}

ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;
    ssize_t nwritten;
    char* bufp = (char*)buf;

    while (nleft > 0)
    {
        if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            return -1;
        }
        else if (nwritten == 0)
        {
            continue;
        }
        bufp += nwritten;
        nleft -= nwritten;
    }
    return count;
}


ssize_t recv_peek(int sockfd, void *buf, size_t len)
{
    while (1)
    {
        int ret = recv(sockfd, buf, len, MSG_PEEK); // 查看傳入消息
        if (ret == -1 && errno == EINTR)
        {
            continue;
        }
        return ret;
    }
}

ssize_t readline(int sockfd, void *buf, size_t maxline)
{
    int ret;
    int nread;
    char *bufp = (char*)buf;    // 當前指針位置
    int nleft = maxline;
    while (1)
    {
        ret = recv_peek(sockfd, buf, nleft);
        if (ret < 0)
        {
            return ret;
        }
        else if (ret == 0)
        {
            return ret;
        }
        nread = ret;
        int i;
        for (i = 0; i < nread; i++)
        {
            if (bufp[i] == '\n')
            {
                ret = readn(sockfd, bufp, i+1);
                if (ret != i+1)
                {
                    exit(EXIT_FAILURE);
                }
                return ret;
            }
        }
        if (nread > nleft)
        {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        nleft -= nread;
        ret = readn(sockfd, bufp, nread);
        if (ret != nread)
        {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        bufp += nread;
    }
    return -1;
}

void echo_cli(int sock)
{
    char recvbuf[1024]= [0];
    char sendbuf[1024]= [0];
    // struct packet recvbuf;
    // struct packet sendbuf;
    memset(recvbuf, 0, sizeof recvbuf);
    memset(sendbuf, 0, sizeof sendbuf);
    int n = 0;
    while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)   // 鍵盤輸入獲取,默認帶\n
    {
        writen(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf)); // 寫入服務器

        int ret = readline(sockfd, recvbuf, sizeof(recvbuf));    // 服務器讀取
        if (ret == -1)
        {
            ERR_EXIT("readline");
        }
        if (ret == 0)
        {
            printf("server close\n");
            break;
        }

        fputs(recvbuf, stdout); // 服務器返回數據輸出

        // 清空
        memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
        memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
    }
}

int main(int argc, char** argv) {
    // 1. 創建套接字
    int sockfd;
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) {
        ERR_EXIT("socket");
    }

    // 2. 分配套接字地址
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof servaddr);
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(6666);
    // servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    // inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);

    // 3. 請求鏈接
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof servaddr) < 0) {
        ERR_EXIT("connect");
    }

    struct sockaddr_in localaddr;//本地地址
    socklen_t addrlen = sizeof(localaddr);//要有初始值,和accept是一樣的

    //已連接的套接口sockfd,既有本地地址,又有對等方的地址
    if (getsockname(sockfd, (struct sockaddr*)&localaddr, &addrlen) < 0)
    {
        ERR_EXIT("getsockname");
    }
    printf("id = %s, ", inet_ntoa(localaddr.sin_addr));
    printf("port = %d\n", ntohs(localaddr.sin_port));

    // 4. 數據交換
    echo_cli(sockfd);

    // 5. 斷開連接
    close(sockfd);


    return 0;
}
  • 測試1:模擬服務端待用CLOSE
    (1)第2個是:客戶端的連接狀態(應該出現在客戶端主機上面,但是這是在同一臺機器上)
    (2)第3個是:服務端的連接狀態
    在這裏插入圖片描述
    模擬服務端調用CLOSE:kill掉與客戶端通信的進程,相當於向客戶端發送了一個FIN的TCP段
    在這裏插入圖片描述
    在這裏插入圖片描述
    (3)爲什麼服務端是FIN_WAIT2狀態,而不是TIME_WAIT狀態,是因爲客戶端read沒有返回0
    因爲客戶端的代碼阻塞在while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL) ,沒有機會調用readline來返回0,也就意味着客戶端也沒有機會去調用close,也就沒有機會發送FIN段給服務端,所以服務器端服務進入TIME_WAIT狀態,所以保留在FIN_WAIT2狀態
    在這裏插入圖片描述
    在這裏插入圖片描述
    (4)敲一個字符,按下回車,服務端的FIN_WAIT2和客戶端的CLOSE_WAIT的狀態都消失了。
    因爲輸入a,會導致客戶端代碼while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL) 中fgets返回,從而有機會調用readline,此時就能將服務端發來的FIN段進行接收,read就返回爲0,這裏是readline返回0,則會最終調用close,發送FIN段給服務端,但是此時服務端不存在TIME_WAIT狀態

  • 測試2:模擬客戶端調用close
    在這裏插入圖片描述
    在這裏插入圖片描述
    (1)模擬客戶端調用close
    在客戶端輸入ctrl b,ctrl b會導致fgets返回爲0
    在這裏插入圖片描述
    (2)下面是客戶端的TIME_WAIT狀態
    在這裏插入圖片描述
    (3)客戶端發起close請求,服務器端收到等於0,除了進行確認外,還會發起close ,客戶端收到服務器端發送的FIN,就會處於TIME_WAIT狀態
    若服務器端處於TIME_WAIT狀態,即保留2MSL的時間,會導致服務器端無法重新啓動,所以一般要使用REUSEADDR

3.SIGPIPE

  • 往一個已經接收FIN的套接字中寫是允許的,接收到FIN僅僅代表對方不再發送數據了。
    若發送數據給對方,然而對方進程不存在了,會導致TCP重置。導致對方會發送RST段(含義:連接重置)給我們
  • 在收到RST段之後,如果再調用write就會產生SIGPIPE信號,對於這個信號的處理,我們通過忽略即可。
//一般忽略SIGPIPE信號即可
signale(SIGPIPE, SIG_IGN);
  • 測試代碼:客戶端:NetworkProgramming-master (1)\LinuxNetworkProgramming\P11echo_cli.c
    服務端還是上面的服務端程序
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// Created by wangji on 19-8-6.
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#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>

using namespace std;

struct packet
{
    int len;
    char buf[1024];
};

#define ERR_EXIT(m) \
        do  \
        {   \
            perror(m);  \
            exit(EXIT_FAILURE); \
        } while(0);

ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;   // 剩餘字節數
    ssize_t nread;
    char *bufp = (char*) buf;

    while (nleft > 0)
    {
        nread = read(fd, bufp, nleft);
        if (nread < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            return  -1;
        } else if (nread == 0)
        {
            return count - nleft;
        }

        bufp += nread;
        nleft -= nread;
    }
    return count;
}

ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;
    ssize_t nwritten;
    char* bufp = (char*)buf;

    while (nleft > 0)
    {
        if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
            {
                continue;
            }
            return -1;
        }
        else if (nwritten == 0)
        {
            continue;
        }
        bufp += nwritten;
        nleft -= nwritten;
    }
    return count;
}


ssize_t recv_peek(int sockfd, void *buf, size_t len)
{
    while (1)
    {
        int ret = recv(sockfd, buf, len, MSG_PEEK); // 查看傳入消息
        if (ret == -1 && errno == EINTR)
        {
            continue;
        }
        return ret;
    }
}

ssize_t readline(int sockfd, void *buf, size_t maxline)
{
    int ret;
    int nread;
    char *bufp = (char*)buf;    // 當前指針位置
    int nleft = maxline;
    while (1)
    {
        ret = recv_peek(sockfd, buf, nleft);
        if (ret < 0)
        {
            return ret;
        }
        else if (ret == 0)
        {
            return ret;
        }
        nread = ret;
        int i;
        for (i = 0; i < nread; i++)
        {
            if (bufp[i] == '\n')
            {
                ret = readn(sockfd, bufp, i+1);
                if (ret != i+1)
                {
                    exit(EXIT_FAILURE);
                }
                return ret;
            }
        }
        if (nread > nleft)
        {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        nleft -= nread;
        ret = readn(sockfd, bufp, nread);
        if (ret != nread)
        {
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        bufp += nread;
    }
    return -1;
}

//測試收到SIGPIPE信號
void handle_sigpipe(int sig)
{
    printf("recv a sig = %d\n", sig);
}

void echo_cli(int sock)
{
    //測試收到SIGPIPE信號
    signale(SIGPIPE, handle_sigpipe);

    //一般忽略SIGPIPE信號即可
    signale(SIGPIPE, SIG_IGN);

    char recvbuf[1024]= [0];
    char sendbuf[1024]= [0];
    // struct packet recvbuf;
    // struct packet sendbuf;
    memset(recvbuf, 0, sizeof recvbuf);
    memset(sendbuf, 0, sizeof sendbuf);
    int n = 0;
    while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)   // 鍵盤輸入獲取,默認帶\n
    {
        //writen(sockfd, sendbuf, strlen(sendbuf)); // 寫入服務器

         /*模擬SIGPIPE
        若服務端已經關閉了,客戶端收到了FIN,客戶端調用第一個writen,會導致服務端發送一個RST段
        過來,再次調用第二個writen,會導致SIGPIPE信號的產生,此信號會終止當前進程,所以不會走
        下面的readline
        */
        writen(sockfd, sendbuf, 1);//首先發送一個字節
        writen(sockfd, sendbuf+1, strlen(sendbuf) - 1);//接着發送剩餘字節


        int ret = readline(sockfd, recvbuf, sizeof(recvbuf));    // 服務器讀取
        if (ret == -1)
        {
            ERR_EXIT("readline");
        }
        if (ret == 0)
        {
            printf("server close\n");
            break;
        }

        fputs(recvbuf, stdout); // 服務器返回數據輸出

        // 清空
        memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
        memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
    }
}

int main(int argc, char** argv) {
    // 1. 創建套接字
    int sockfd;
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) {
        ERR_EXIT("socket");
    }

    // 2. 分配套接字地址
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof servaddr);
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(6666);
    // servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    // inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);

    // 3. 請求鏈接
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof servaddr) < 0) {
        ERR_EXIT("connect");
    }

    struct sockaddr_in localaddr;//本地地址
    socklen_t addrlen = sizeof(localaddr);//要有初始值,和accept是一樣的

    //已連接的套接口sockfd,既有本地地址,又有對等方的地址
    if (getsockname(sockfd, (struct sockaddr*)&localaddr, &addrlen) < 0)
    {
        ERR_EXIT("getsockname");
    }
    printf("id = %s, ", inet_ntoa(localaddr.sin_addr));
    printf("port = %d\n", ntohs(localaddr.sin_port));

    // 4. 數據交換
    echo_cli(sockfd);

    // 5. 斷開連接
    close(sockfd);


    return 0;
}
  • 測試1:
    在這裏插入圖片描述
    此時處於連接的狀態
    在這裏插入圖片描述
    關閉通信進程
    在這裏插入圖片描述
    在這裏插入圖片描述
    客戶端:隨便敲一行,然後回車,但是沒有輸出server close
    這是因爲由於客戶端捕捉到了一個SIGPIPE信號,若沒有捕捉到SIGPIPE信號,客戶端的readline應該返回爲0,並輸出server close
    在這裏插入圖片描述

  • 測試2:
    在這裏插入圖片描述
    在這裏插入圖片描述
    在這裏插入圖片描述
    在這裏插入圖片描述
    在這裏插入圖片描述
    在這裏插入圖片描述
    爲什麼能輸出server close?
    因爲客戶端捕捉到了SIGPIPE信號,並沒有終止進程,所以客戶端繼續調用readline,最終調用close

  • 在管道中如何產生SIGPIPE信號?
    如果沒有任何讀端進程,然後我們往管道中寫入數據,此時就會出現斷開的管道。
    可以把TCP看成是一個全雙工的管道,當某一端收到FIN後,並不能確定對等方的進程已經消失了,因爲對方調用close並不意味着對方的進程會退出,此時客戶端調用write,當他發現對等方的進程不存在了(也可以看成讀端進程不存在了),此時對等方的TCP協議棧會發送一個RST段,再次調用write,會導致SIGPIPE信號的產生

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