linux网络：TCP套接字基础-北京尧图网络

我们直接从一个简单的测试入手一、准备工作我们先把代码放出来然后对着代码进行分析1、用户类class InetAddr { public: InetAddr(struct sockaddr_inaddr):_addr(addr) { //网络转主机 _portntohs(_addr.sin_port);//从网络中拿到网络序列 char ipbuffer[64]; inet_ntop(AF_INET,_addr.sin_addr,ipbuffer,sizeof(_addr)); _ipipbuffer; } InetAddr(const std::string ip,uint16_t port):_ip(ip),_port(port) { //主机转网络 memset(_addr,0,sizeof(_addr)); _addr.sin_familyAF_INET; inet_pton(AF_INET,_ip.c_str(),_addr.sin_addr); _addr.sin_porthtons(_port); } InetAddr(uint16_t port):_port(port),_ip(0) { //主机转网络 memset(_addr,0,sizeof(_addr)); _addr.sin_familyAF_INET; _addr.sin_addr.s_addrINADDR_ANY; _addr.sin_porthtons(_port); } //返回_addr struct sockaddr_in Netaddr() { return _addr; } //返回_addr的地址 const struct sockaddr *NetAddrPtr() { return CONV(_addr); } //返回长度 socklen_t NetAddrLen() { return sizeof(_addr); } bool operator(InetAddrpeer) { return _ippeer._ip_portpeer._port; } std::string Ip() { return _ip; } uint16_t Port() { return _port; } std::string StringAddr() { return _ip:std::to_string(_port); } ~InetAddr(){} private: struct sockaddr_in _addr; std::string _ip; uint16_t _port; };我们先定一个标准但凡在操作中遇到网络序列转本地序列或者本地序列转网络序列的我们尽量用固定的函数ntohs作用是将16位的网络字节序转化为主机字节序inet_ntop作用是将网络二进制格式的IP地址转化为人类可读的字符串IP需要注意的是dst是一个输出缓冲区用来存储点分字符串而size是_addr的长度htons作用是将主机字节序的16位端口号转化为网络字节序inet_pton作用是将字符串IP转化为二进制格式的IP地址需要注意src是我们要转化的点分字符串ip而dst是输出存放二进制ip的IPv4需要传入struct in_addr。对这个类进行分析作用把原生 C 语言的struct sockaddr_in做面向对象封装统一管理 IP、端口、网络地址结构体屏蔽字节序转换、IP 字符串 / 二进制转换的重复代码。第一个构造函数的使用场景需要查看是谁进入了监听范围此时需要人类能够读懂的ip和port。第二个构造函数的使用场景上传人类可读的二进制ip和16位的端口号转化为可用于connect和bind的网络地址。第三个构造函数的使用场景服务器监听时需要bind本机所有网卡只需要传入端口号即可。Netaddr的作用返回封装好的原生sockaddr_in结构体网络字节序NetAddrPtr的作用将_addr的地址返回需要注意的是这里使用了一个宏CONV(addr)等同于(struct sockaddr*)_addr。StringAddr的作用返回人类能够看懂的字符串ip和port。2、日志打印#ifndef __LOG_HPP__ #define __LOG_HPP__ #include iostream #include cstdio #include string #include filesystem //C17 #include sstream #include fstream #include memory #include ctime #include unistd.h #include Mutex.hpp namespace LogModule { using namespace MutexModule; const std::string gsep \r\n; // 策略模式C多态特性 // 2. 刷新策略 a: 显示器打印 b:向指定的文件写入 // 刷新策略基类 class LogStrategy { public: ~LogStrategy() default; virtual void SyncLog(const std::string message) 0; }; // 显示器打印日志的策略 : 子类 class ConsoleLogStrategy : public LogStrategy { public: ConsoleLogStrategy() { } void SyncLog(const std::string message) override { LockGuard lockguard(_mutex); std::cout message gsep; } ~ConsoleLogStrategy() { } private: Mutex _mutex; }; // 文件打印日志的策略 : 子类 const std::string defaultpath ./log; const std::string defaultfile my.log; class FileLogStrategy : public LogStrategy { public: FileLogStrategy(const std::string path defaultpath, const std::string file defaultfile) : _path(path), _file(file) { LockGuard lockguard(_mutex); if (std::filesystem::exists(_path)) { return; } try { std::filesystem::create_directories(_path); } catch (const std::filesystem::filesystem_error e) { std::cerr e.what() \n; } } void SyncLog(const std::string message) override { LockGuard lockguard(_mutex); std::string filename _path (_path.back() / ? : /) _file; // ./log/ my.log std::ofstream out(filename, std::ios::app); // 追加写入的方式打开 if (!out.is_open()) { return; } out message gsep; out.close(); } ~FileLogStrategy() { } private: std::string _path; // 日志文件所在路径 std::string _file; // 日志文件本身 Mutex _mutex; }; // 形成一条完整的日志根据上面的策略选择不同的刷新方式 // 1. 形成日志等级 enum class LogLevel { DEBUG, INFO, WARNING, ERROR, FATAL }; std::string Level2Str(LogLevel level) { switch (level) { case LogLevel::DEBUG: return DEBUG; case LogLevel::INFO: return INFO; case LogLevel::WARNING: return WARNING; case LogLevel::ERROR: return ERROR; case LogLevel::FATAL: return FATAL; default: return UNKNOWN; } } std::string GetTimeStamp() { time_t curr time(nullptr); struct tm curr_tm; localtime_r(curr, curr_tm); char timebuffer[128]; snprintf(timebuffer, sizeof(timebuffer),%4d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d, curr_tm.tm_year1900, curr_tm.tm_mon1, curr_tm.tm_mday, curr_tm.tm_hour, curr_tm.tm_min, curr_tm.tm_sec ); return timebuffer; } // 1. 形成日志 2. 根据不同的策略完成刷新 class Logger { public: Logger() { EnableConsoleLogStrategy(); } void EnableFileLogStrategy() { _fflush_strategy std::make_uniqueFileLogStrategy(); } void EnableConsoleLogStrategy() { _fflush_strategy std::make_uniqueConsoleLogStrategy(); } // 表示的是未来的一条日志 class LogMessage { public: LogMessage(LogLevel level, std::string src_name, int line_number, Logger logger) : _curr_time(GetTimeStamp()), _level(level), _pid(getpid()), _src_name(src_name), _line_number(line_number), _logger(logger) { // 日志的左边部分合并起来 std::stringstream ss; ss [ _curr_time ] [ Level2Str(_level) ] [ _pid ] [ _src_name ] [ _line_number ] - ; _loginfo ss.str(); } // LogMessage() hell world XXXX 3.14 1234 template typename T LogMessage operator(const T info) { // a b c d; // 日志的右半部分,可变的 std::stringstream ss; ss info; _loginfo ss.str(); return *this; } ~LogMessage() { if (_logger._fflush_strategy) { _logger._fflush_strategy-SyncLog(_loginfo); } } private: std::string _curr_time; LogLevel _level; pid_t _pid; std::string _src_name; int _line_number; std::string _loginfo; // 合并之后一条完整的信息 Logger _logger; }; // 这里故意写成返回临时对象 LogMessage operator()(LogLevel level, std::string name, int line) { return LogMessage(level, name, line, *this); } ~Logger() { } private: std::unique_ptrLogStrategy _fflush_strategy; }; // 全局日志对象 Logger logger; // 使用宏简化用户操作获取文件名和行号 #define LOG(level) logger(level, __FILE__, __LINE__) #define Enable_Console_Log_Strategy() logger.EnableConsoleLogStrategy() #define Enable_File_Log_Strategy() logger.EnableFileLogStrategy() } #endif3、锁#pragma once #include iostream #include pthread.h namespace MutexModule { class Mutex { public: Mutex() { pthread_mutex_init(_mutex, nullptr); } void Lock() { int n pthread_mutex_lock(_mutex); (void)n; } void Unlock() { int n pthread_mutex_unlock(_mutex); (void)n; } ~Mutex() { pthread_mutex_destroy(_mutex); } pthread_mutex_t *Get() { return _mutex; } private: pthread_mutex_t _mutex; }; class LockGuard { public: LockGuard(Mutex mutex):_mutex(mutex) { _mutex.Lock(); } ~LockGuard() { _mutex.Unlock(); } private: Mutex _mutex; }; }4、Common.hpp#pragma once #includeiostream enum ExitCode { OK0, USAGE_ERR, BIND_ERR, SOCK_ERR, LISTEN_ERR }; //防止拷贝 class NoCopy { public: NoCopy(){} ~NoCopy(){} NoCopy(const NoCopy)delete; const NoCopyoperator(const NoCopy)delete; }; #define CONV(addr) ((struct sockaddr*)addr)在这里面我们统一了退出码方便查找错误分析程序崩溃的原因禁止拷贝类是为了让派生类防止拷贝因为fd属于独占资源如果允许拷贝对象那么两个对象持有同一个fd析构时会先后两次close(fd)二、服务端测试版本在开始之前呢我想先给大家讲一个故事有一个好再来鱼庄鱼庄安排了张三在街上招人碰到人就说要不要来我们这里来吃鱼啊假如说招到了就安排李四等服务员来接客而张三再回门口继续吆喝假如说没有招到那就找寻下一个目标其实在这过程当中好再来鱼庄就是服务端而马路就是操作系统张三就是_listensockfd只负责监听而accept的返回值就是为我们提供服务的sockfd。函数介绍accept的作用就是获取顾客从监听那里获取连接其实就是服务员从张三那里获得来吃饭的客人。初始化接口void Init() { //创建套接字 _listensockfdsocket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//SOCK_STREAM意味着面向字节流 if(_listensockfd0) { LOG(LogLevel::FATAL)socket error; exit(SOCK_ERR); } LOG(LogLevel::INFO)socket success; //bind固定端口 InetAddr local(_port); int nbind(_listensockfd,(const sockaddr*)local.NetAddrPtr(),local.NetAddrLen()); //bind失败 if(n0) { LOG(LogLevel::FATAL)bind error; exit(BIND_ERR); } LOG(LogLevel::INFO)bind success_listensockfd; //_listen nlisten(_listensockfd,backlog);//backlog代表底层设置的权限队列长度 if(n0) { LOG(LogLevel::FATAL)listen error; exit(LISTEN_ERR); } LOG(LogLevel::INFO)listen success_listensockfd; }首先第一步就是创建套接字其实就是雇佣张三第二步就是绑定端口绑定就是将文件描述符_listensockfd与本地IPport进行绑定类似于给张三分配特定的职务开始监听其实就相当于拉拢客人。运行接口void Run() { _isrunningtrue; while(_isrunning) { struct sockaddr_in peer; socklen_t lensizeof(peer); //获取连接,由_listensockfd来拉拢客人 int sockfdaccept(_listensockfd,CONV(peer),len); if(sockfd0) { LOG(LogLevel::WARNING)accept error; continue; } InetAddr addr(peer); //网络转主机打印消息 LOG(LogLevel::INFO)accept success,peer addr:addr.StringAddr(); Server(sockfd,addr); } _isrunningfalse; }获取拉拢过来的客人的的信息peer然后获取连接其实就是服务员从张三那里获得来吃饭的客人然后获得主机消息让用户知道是谁来了需要注意的是这里的accept被调用成功之后操作系统会自动填充好peer中的客户端ip地址和端口peer其实就相当于一个容器用来存放客户端的地址的。服务接口void Server(int sockfd, InetAddr peer) { char buffer[1024]; // TCP的读取工作类似于读文件一样 // 先读取数据 while (true) { ssize_t n read(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1); if (n 0) { buffer[n] 0; LOG(LogLevel::INFO) peer.StringAddr() say# buffer; // 再写回数据 std::string echo_server server say#; echo_server buffer; write(sockfd, echo_server.c_str(), echo_server.size()); } else if (n 0) { LOG(LogLevel::DEBUG) peer.StringAddr() 退出了...; close(sockfd); break; } else { LOG(LogLevel::DEBUG) peer.StringAddr() 异常...; close(sockfd); break; } } }read服务端在运行时首先会读取数据用read读取从sockfd与客户端通信的通道客户端读取数据再把数据写回给客户端。读取数据有三种情况n0读取成功n0读取失败n0对端把连接关了相当于服务器读到了文件的结尾 --- 与pipe类似。我们用telnet来进行测试telnet单纯充当一个TCP的收发工具是一个通用的TCP客户端工具。可以看到测试成功当我关闭客户端时三、单进程正规版本缺点就是一次只能处理一个请求#includeiostream #includeCommon.hpp #includeInetAddr.hpp #include sys/socket.h #include sys/types.h #include netinet/in.h #include arpa/inet.h #includecstring #includememory #includeunistd.h //tcpclient server_ip server_port void Usage(const char*process) { std::coutUsageprocessipportstd::endl; } int main(int argc,char*argv[]) { if(argc!3) { Usage(argv[0]); } //获取服务端的ip和端口号 std::string serveripargv[1]; uint16_t serverportstd::stoi(argv[2]); //1、创建套接字 int sockfdsocket(AF_INET,SOCK_STREAM,0); if(sockfd0) { std::cerrsocket errorstd::endl; exit(SOCK_ERR); } //套接字创建成功之后就需要发起连接请求了用connect InetAddr peer(serverip,serverport); int nconnect(sockfd,CONV(peer),sizeof(peer)); if(n0) { std::cerrconnect errorstd::endl; exit(CONNECT_ERR); } while(true) { //开始发送消息 std::string line; std::coutPlease Enter#; std::getline(std::cin,line); write(sockfd,line.c_str(),line.size()); //接受服务端发来的消息用read去读 char buffer[1024]; ssize_t sizeread(sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1); if(size0) { buffer[size]0; std::coutserver#bufferstd::endl; } } close(sockfd); //2、客户端不需要显示的绑定会自动选择本地当前的ip和端口号为我们创建客户端,随机方式选择端口号 return 0; }客户端代码四、多进程正规版本多进程正规版本就是一次可以处理多个请求void Run() { _isrunning true; while (_isrunning) { struct sockaddr_in peer; socklen_t len sizeof(peer); // 获取连接,由_listensockfd来拉拢客人 int sockfd accept(_listensockfd, CONV(peer), len); if (sockfd 0) { LOG(LogLevel::WARNING) accept error; continue; } InetAddr addr(peer); // 网络转主机打印消息 LOG(LogLevel::INFO) accept success,peer addr: addr.StringAddr(); //多进程版本 pid_t idfork(); if(id0) { LOG(LogLevel::FATAL)fork error; exit(FORK_ERR); } else if(id0) { //子进程不能看到父进程的listensockfd close(_listensockfd); Server(sockfd,addr); exit(OK); } else { //父进程运行 close(sockfd); //等待子进程要不然就僵尸了 pid_t ridwaitpid(id,nullptr,0); } } _isrunning false; }我们先有一个雏形再抛出问题这里我们创建了多进程我们不想让子进程看到父进程的_listensockfd所以我们在子进程中关闭了这个文件描述符我们不想让父进程看到子进程的sockfd所以我们在父进程中关闭了这个文件描述符然后子进程去执行server的任务而父进程去执行accept获取连接的任务但是父进程要等待子进程完成之后进行回收啊那这里不就是阻塞了嘛阻塞跟单进程有什么区别最简单的方法就是用signal让父进程忽略信号直接并行执行。直接在初始化时设置忽略信号。但是这样太简单了我们竟然要写多进程那么我们就得把多进程优雅的设计给搞进来来看看改变之后的代码我们就加了为何会让代码有了质的提升呢我们来好好分析一下我们的子进程在这里其实又创建了一个子进程为了形象点我们在这里叫做孙子进程当fork()0时其实就是子进程执行的代码直接退出了此时我们的父进程执行完代码后压根就不需要去阻塞等待了直接回收而Server的任务交给了我们的孙子进程但是孙子进程的父进程直接退出了自己就变成了孤儿进程孤儿进程是被系统所回收的所以成功解决了难题客户端和服务端需要一直维持那个链接当其他人的进程加进来的时候我们可以写脚本发现只要是加进来的程序一定会一直被受理。可以看到孤儿进程越来越多了。ctrlc退出之后孤儿进程就变少了。五、多线程版本我们先回答两个问题1、如果进程打开了一个文件得到了一个fd这个fd线程能看到吗答案能够看到一个进程的文件描述符是被所有线程共享的2、线程敢不敢关闭自己不需要的fd答案肯定不敢我们来分析一下一些注意事项因为ThreadData是一个内部类所以我们可以在Run中直接调用而我们又把Routine定义在了类中我们需要把它设置静态的因为有this指针不能不传参数但是呢定义为了静态的之后就无法调用内部成员函数了所以我们需要在ThreadData内部定义一个TcpServer的对象然后在Routine内部创建的进程就可以去调用这个TcpServer对象然后调用Server执行任务了值得注意的是这里的Server我们不退那么服务就一直进行我们称这种服务为长服务长服务适合多线程和多进程短服务就是连接完应答完立马关掉连接六、线程池版本using namespace LogModule; using namespace ThreadPoolModule; using task_t std::functionvoid(); // 服务器往往是禁止拷贝的所以我们继承一下NoCopy想要完成整个服务器的拷贝就得完成NoCopy的拷贝所以我们就能禁止服务器拷贝了 const static int defaultsockfd -1; const static int backlog 8; class TcpServer : public NoCopy { public: TcpServer(uint16_t port) : _port(port), _listensockfd(defaultsockfd), _isrunning(false) { } void Init() { //signal(SIGCHLD,SIG_IGN);//忽略SIG_IGN信号,意味着父进程再也不用等子进程了非常简单 // 创建套接字 _listensockfd socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // SOCK_STREAM意味着面向字节流 if (_listensockfd 0) { LOG(LogLevel::FATAL) socket error; exit(SOCK_ERR); } LOG(LogLevel::INFO) socket success_listensockfd; // bind固定端口 InetAddr local(_port); int n bind(_listensockfd, (const sockaddr *)local.NetAddrPtr(), local.NetAddrLen()); // bind失败 if (n 0) { LOG(LogLevel::FATAL) bind error; exit(BIND_ERR); } LOG(LogLevel::INFO) bind success _listensockfd; //_listen n listen(_listensockfd, backlog); // backlog代表底层设置的权限队列长度 if (n 0) { LOG(LogLevel::FATAL) listen error; exit(LISTEN_ERR); } LOG(LogLevel::INFO) listen success _listensockfd; } void Server(int sockfd, InetAddr peer) { char buffer[1024]; // TCP的读取工作类似于读文件一样 // 先读取数据 while (true) { ssize_t n read(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1); if (n 0) { buffer[n] 0; LOG(LogLevel::INFO) peer.StringAddr() say# buffer; // 再写回数据 std::string echo_server server say#; echo_server buffer; write(sockfd, echo_server.c_str(), echo_server.size()); } else if (n 0) { LOG(LogLevel::DEBUG) peer.StringAddr() 退出了...; close(sockfd); break; } else { LOG(LogLevel::DEBUG) peer.StringAddr() 异常...; close(sockfd); break; } } } static void*Routine(void*args) { pthread_detach(pthread_self()); ThreadData*tdstatic_castThreadData*(args); td-tsvr-Server(td-sf,td-addr); delete td; return nullptr; } struct ThreadData { ThreadData(int sockfd,InetAddrar,TcpServer*s):sf(sockfd),addr(ar),tsvr(s) {} int sf; InetAddr addr; TcpServer *tsvr; }; void Run() { _isrunning true; while (_isrunning) { struct sockaddr_in peer; socklen_t len sizeof(peer); // 获取连接,由_listensockfd来拉拢客人 int sockfd accept(_listensockfd, CONV(peer), len); if (sockfd 0) { LOG(LogLevel::WARNING) accept error; continue; } InetAddr addr(peer); // 网络转主机打印消息 LOG(LogLevel::INFO) accept success,peer addr: addr.StringAddr(); //线程池版本线程池一般比较适合处理短服务 //将新链接和客户端构建一个新的任务push到线程池中让线程池来处理 ThreadPooltask_t::GetInstance()-Enqueue([this,sockfd,addr](){ this-Server(sockfd,addr); }); } _isrunning false; } ~TcpServer() { } private: uint16_t _port; int _listensockfd; // 监听套接字 bool _isrunning; };直接定义了一个任务是一个function容器然后将lambda表达式这个处理方法保存到这个容器里然后当我们执行任务时直接进行回调完成这个任务。大家也可以尝试做一下我们之前的业务版本比如说翻译啊

linux网络：TCP套接字基础

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