Linux TCP套接字編程
TCP套接字編程的基本步驟
服務端編程的步驟如下：
- 創建服務端套接字。
- 綁定套接字到一個IP地址和一個端口上（使用bind函數）。
- 將套接字設置爲監聽模式等待連接請求（使用函數listen），這個套接字就是監聽套接字了。
- 請求到來後，接受連接請求。返回一個新的對應此連接的套接字。
- 用返回的新的套接字和客戶端進行通信，即發送或接收數據（使用send 或者 recv 函數），通信結束就關閉這個新創建的套接字（使用函數 closesocket）。
- 監聽套接字繼續處於監聽狀態，等待其他客戶端的連接請求。
- 如果要退出服務器程序，則先關閉監聽套接字（使用函數closesocket）。
客戶端編程的步驟如下：
- 創建客戶端套接字（使用函數 socket）。
- 向服務器發出連接請求（使用函數 connect）。
- 和服務器端進行通信，即發送或接收數據（使用函數 send 或 recv）。
- 如果要關閉客戶端程序，則先關閉套接字（使用函數closesocket）。
什麼是阻塞與非阻塞套接字？
當使用函數 socket 創建套接字時，默認都是阻塞模式。阻塞模式是指套接字在執行操作時，調用函數在沒有完成操作之前不會立即返回。也就是說，調用 API 函數時，不能立即完成，線程需要處於等待狀態，直到操作完成。但並不是調用所有的API函數都會阻塞，例如 bind()，listen()，即使用阻塞套接字當參數傳入，函數也會立即返回，不需要等待。
以下 Linsock API 使用阻塞套接字當參數調用函數時，會發生阻塞。
接收連接函數
函數accept從請求連接隊列中接收一個客戶端連接。若請求隊列爲空，則函數就會阻塞，線程進入睡眠狀態。
發送函數
函數send、sendto 都是發送數據函數。如果套接字緩衝區沒有可用空間，函數就會阻塞，線程就會睡眠，直到緩衝區有空間。
接收函數
函數recv 用來接收數據。如果此時套接字緩衝區沒有數據可讀，則函數阻塞，調用線程在數據到來前處於睡眠狀態。
連接函數
函數 connect 用於向對方發送連接請求。發出連接時，直到收到服務器的應答或超時纔會返回。
下面就用一個簡單的服務器客戶機聊天程序（非阻塞套接字版）來進行演示TCP通信。
先創建服務端程序：
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>
#include "unistd.h"
#include "errno.h"
#include <arpa/inet.h>
int main()
{
int sfp,nfp;
struct sockaddr_in sAddr,cAddr;
socklen_t sinSize;
unsigned short portNum = 10051;
printf("info: Hello, I am a server, Welcome to connect me!\n");
sfp = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (-1 == sfp)
{
printf("error: socket fail!\n");
return -1;
}
printf("info: socket ok!\n");
int on = 1;
setsockopt(sfp, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)); // 允許地址可立即重用
bzero(&sAddr, sizeof(struct sockaddr_in));
sAddr.sin_family = AF_INET;
sAddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // INADDR_ANY = 0.0.0.0
sAddr.sin_port = htons(portNum); // htons 主機字節序轉換成網絡字節序
if (-1 == bind(sfp, (struct sockaddr *)(&sAddr), sizeof(struct sockaddr)))
{
printf("error: bind fail:%d\n", errno);
return -1;
}
printf("info: bind ok!\n");
if (-1 == listen(sfp, 5)) // 5是最大連接數
{
printf("error: listen fail!\n");
return -1;
}
printf("info: listen ok!\n");
while (1)
{
sinSize = sizeof(struct sockaddr_in);
nfp = accept(sfp, (struct sockaddr *)(&cAddr), &sinSize);
if (-1 == nfp)
{
printf("error: accept fail!\n");
return -1;
}
printf("info: accept ok!\n");
printf("info: Server start to connect from ip=%s, port=%d\n",
inet_ntoa(cAddr.sin_addr),
ntohs(cAddr.sin_port)); // inet_ntoa 將二進制地址轉換成點分十進制地址
if (-1 == write(nfp, "Hello, client, you are welcome!\n", 32))
{
printf("error: write fail!\n");
return -1;
}
printf("info: write ok!\n");
close(nfp);
puts("continue to listen(y/n)?");
char ch[2];
scanf("%s", ch, 2);
if (ch[0] != 'y')
break;
}
printf("info: bye!\n");
close(sfp);
return 0;
}
服務端先新建一個監聽套接字，然後等待客戶端的連接請求，阻塞在accept函數處，一旦有客戶端連接請求來了，就返回一個新的套接字。這個套接字就和客戶端進行通信，通信完畢後關掉這個套接字。而監聽套接字根據用戶的輸入繼續監聽或退出。
客戶端程序：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include "unistd.h"
#include <string.h>
const int BUFFER_SIZE = 1023;
// 將套接字設置爲非阻塞
int SetNonBlocking(int fd)
{
int oldOption = fcntl(fd, F_GETFL);
int newOption = oldOption | O_NONBLOCK;
fcntl(fd, F_SETFL, newOption);
return oldOption;
}
// 非阻塞連接,time是超時時間。
int UnblockConnect(const char* ip, int port, int time)
{
// 初始化套接字地址
int ret = 0;
struct sockaddr_in Address;
bzero(&Address, sizeof(struct sockaddr_in));
Address.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, ip, &Address.sin_addr);
Address.sin_port = htons(port);
// 創建非阻塞套接字，用於客戶端連接
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
int fdopt = SetNonBlocking(sockfd);
ret = connect(sockfd, (struct sockaddr *)(&Address), sizeof(struct sockaddr));
printf("info: ret code = %d\n", ret);
if (0 == ret) // 創建非阻塞套接字，用於客戶端連接
{
printf("info: connect with server immediately\n");
fcntl(sockfd, F_SETFL, fdopt);
return sockfd;
}
else if (EINPROGRESS != errno) // 連接失敗
{
printf("error: unblock connect failed!\n");
return -1;
}
else if (EINPROGRESS == errno) // 連接中
{
printf("info: unblock mode socket is connecting ...\n");
}
// 調用select函數判斷連接是否成功
// 如果套接字是 writable,那麼套接字連接成功
fd_set readfds;
fd_set writefds;
struct timeval timeout;
FD_ZERO(&readfds);
FD_SET(sockfd, &writefds);
// 設置超時時間
timeout.tv_sec = time;
timeout.tv_usec = 0;
ret = select(sockfd + 1, NULL, &writefds, NULL, &timeout);
if (ret < 0)
{
printf("error: connection time out\n");
close(sockfd);
return -1;
}
if (!FD_ISSET(sockfd, &writefds))
{
printf("info: no events on sockfd found\n");
close(sockfd);
return -1;
}
// 如果套接字描述符可讀或可寫，則我們用getsockopt來得到套接字上待處理的錯誤
// 如果連接建立成功，這個錯誤值將是0。
int error = 0;
socklen_t length = sizeof(error);
if (getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, &length) < 0)
{
printf("error: get sock option failed\n");
close(sockfd);
return -1;
}
if (0 != error)
{
printf("error: connection failed after select with the error:%d\n", error);
close(sockfd);
return -1;
}
printf("info: Connection ready after select with the socket:%d\n",sockfd);
fcntl(sockfd, F_SETFL, fdopt); // 將套接字恢復成原來屬性
printf("info: Connect ok!\n");
int recvBytes;
int sinSize;
char buf[1024] = {0};
recvBytes = read(sockfd, buf, 1024); // 接收數據
if (-1 == recvBytes)
{
printf("error: read data fail!\n");
return -1;
}
printf("info: read ok!\n");
buf[recvBytes] = '\0';
printf("%s\n", buf);
return sockfd;
}
int main()
{
int sockfd = UnblockConnect("127.0.0.1", 10051, 1);
if (0 > sockfd)
{
printf("error: create socket fail!\n");
return -1;
}
close(sockfd);
return 0;
}