网络编程2（套接字编程）

套接字编程

• UDP协议通信：
• TCP通信：

套接字编程：如何编写一个网络通信程序
1.网络通信的数据中都会包含一个完整的五元组：
sip，sport，dip，dport，protocol（源IP，源端口，对端IP，对端端口，协议）
五元组完整的描述了数据从哪来，到哪去，用什么数据格式
2.网络通信–两个主机进程之间的通信：客户端&服务端
客户端：用户使用，发起请求
服务端：网络应用提供商提供服务的程序（后台开发）

UDP协议通信：

服务端一方要提前启动，保证有数据到来时，一定能够接收；并且服务端永远都是先接收数据，因为服务端这一方并没有保存客户端的地址，没有地址绑定，也就没有数据来源，也不知道数据要发送什么，要发给谁
客户端：创建套接字，端口绑定（不推荐），发送数据，接收数据，关闭套接字

操作接口：
socket–创建套接字

domain—地址域类型（域间通信、IPv4通信、IPv6通信）AF_INET—IPv4网络协议

type–套接字类型
SOCK_STREAM ; SOCK_DGRAM

bind–为套接字绑定地址信息
int bind(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t address_len)
三个参数：套接字描述符，要绑定的地址（不同地址域，有不同的地址结构），sockaddr结构体的长度

sendto：发送数据
参数：sockfd—返回的套接字描述符
buf–要发送的数据空间起始地址
len–要发送的数据长度（从buf地址开始，发送len长度的数据）
flags–默认0-阻塞发送（发送缓冲区满了就等着）
dest_addr–对端地址信息，数据要发送给谁，目的地
addrlen–对端地址信息长度

recvfrom：接收数据
对于recvfrom的src_addr参数，是为了获取数据是谁发送的，相当于用指针接收返回值，addrlen也一样（可以看到这里的addrlen是指针）

int close（int fd）
关闭套接字，释放资源

字节序相关接口：

htonl（32位），htons（16位），ntohl，ntohs ； l–32位 ； s–16位
这几个接口已经进行了主机字节序的判断，因此无需担心自己的主机字节序
32位数据转换接口与16位不能混用，会出现数据截断，就像汉字用两个字节表示，而如果按字节输出就会乱码，并且再大小端转换时，数据截断会造成数据的错误

sockaddr结构体

udp_srv.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>//字节序转换接口头文件
#include <netinet/in.h>//地址结构类型以及协议类型宏头文件
#include <sys/socket.h>//套接字接口头文件

int main(int agrc, char *argv[])
{
    if (agrc != 3)
    {
        printf("/unp_srv 192.168.2.2 9000\n");
        return -1;
    }

    uint16_t port = atoi(argv[2]); // 输入的参数都是按字符串存的，这里将端口port转int
    char *ip = argv[1];

    // 创建套接字  int socket(int domain, int type ,int protocol)
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP); // ipv4域，数据报，udp协议
    if (socket < 0)
    {
        perror("socket error");
        return -1;
    }

    // 为套接字绑定地址信息  int bind(int sockfd, struct sockaddr* addr,socklen_t len)
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(port); // 16位，存储用16位解析也用16位
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
    socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
    int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr *)&addr, len);
    if (ret == -1)
    {
        perror("bind error");
        return -1;
    }

    // 循环接收发送数据
    while (1)
    {
        char buf[1024] = {0};
        struct sockaddr_in peer; // 地址由系统设置，数据谁发的，设置的就是谁
        socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
        ssize_t ret = recvfrom(sockfd, buf, 1023, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);
        if (ret < 0)
        {
            perror("recvfrom error");
            return -1;
        }

        // const char* inet_ntoa(struct in_addr addr);
        char *peerip = inet_ntoa(peer.sin_addr); // 转成字符串
        uint16_t peerport = ntohs(peer.sin_port);
        printf("client[%s:%d] say: %s\n", peerip, peerport, buf);

        // 发送数据
        // ssize_t sendto(int sockfd, void* buf, int len, int flag, struct sockaddr* peer, socklen_t len)
        char data[1024] = {0};
        printf("server say:");
        fflush(stdout);
        scanf("%s", data);
        ret = sendto(sockfd, data, strlen(data), 0, (struct sockaddr *)&peer, len);
        if (ret < 0)
        {
            perror("sendto error");
            return -1;
        }

        
    }
    // 关闭套接字
        close(sockfd);
    return 0;
}

g++ -std=c++11 -o udp_cli udp_cli.cpp
udp_cli.cpp

#include "udp_socket.hpp"
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        std::cout << "usage: ./udp_cli 192.168.2.2 9000\n";
        return -1;
    }
    std::string srv_ip = argv[1];
    uint16_t srv_port = std::stoi(argv[2]);

    UdpSocket cli_sock;
    assert(cli_sock.Socket()==true);

    while (1)
    {
        std::string data;
        std::cout << "clinet say: ";
        fflush(stdout);
        std::cin >> data;
        assert(cli_sock.Send(data, srv_ip, srv_port)==true);

        data.clear();
        assert(cli_sock.Recv(&data)==true);
        std::cout << "server say:" << data << std::endl;
    }

    cli_sock.Close();
    return 0;
}

udp_socket.hpp //封装socket接口

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <cstdio>
#include <cassert>
#include <string>
class UdpSocket
{
private:
    int _sockfd;

public:
    UdpSocket():_sockfd(-1){}
    ~UdpSocket(){Close();}
    bool Socket()
    {
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
        if (_sockfd < 0)
        {
            perror("socket error");
            return false;
        }
        return true;
    }
    bool Bind(const std::string &ip, uint16_t port)
    {
        struct sockaddr_in addr;
        addr.sin_family = AF_INET;
        addr.sin_port = htons(port);
        addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());
        socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
        int ret = bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&addr, len);
        if (ret < 0)
        {
            perror("bind error");
            return false;
        }
        return true;
    }
    bool Recv(std::string *body, std::string *peer_ip = NULL, uint16_t *peer_port = NULL)
    {
        // ssize_t recvfrom(int _fd, void *_restrict_ _buf, size_t _n, int _flags, sockaddr *_restrict_ _addr, socklen_t *_restrict_ _addr_len)
        struct sockaddr_in peer;
        socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
        char tmp[4096] = {0};
        ssize_t ret = recvfrom(_sockfd, tmp, 4096, 0, (struct sockaddr *)&peer, &len);
        if (ret < 0)
        {
            perror("recvfrom error");
            return false;
        }
        if(peer_ip!=NULL) *peer_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);
        if(peer_port!=NULL) *peer_port = ntohs(peer.sin_port);
        body->assign(tmp, ret); // 从tmp中取出ret长度的数据，放到body
        return true;
    }

    bool Send(const std::string &body, const std::string &peer_ip, uint16_t peer_port)
    {
        struct sockaddr_in addr;
        addr.sin_family=AF_INET;
        addr.sin_port = htons(peer_port);
        addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(peer_ip.c_str());
        socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
        // ssize_t sendto(int __fd, const void *__buf, size_t __n, int __flags, const sockaddr *__addr, socklen_t __addr_len)
        ssize_t ret = sendto(_sockfd, body.c_str(), body.size(), 0, (struct sockaddr *)&addr, len);
        if (ret < 0)
        {
            perror("sendto error");
            return false;
        }
        return true;
    }
    bool Close()
    {
        if (_sockfd != -1)
        {
            close(_sockfd);
            _sockfd = -1;
        }
        return true;
    }
};

TCP通信：

客户端向服务器发送一个请求，服务段处于listen监听状态，则会对这个连接请求进行处理：
1.为这个新链接请求，创建一个套接字结构体socket
2.为这个新的socket，描述完整的五元组信息（sip，sport，dip，dport，protocol）
往后的数据通信都是由这个新的套接字进行通信
一个服务器上有多少客户端想要简历连接，服务端就要创建多少个套接字
最早服务端创建的监听套接字–只负责新连接请求处理，不负责数据通信
服务端会为每个客户端都创建一个新的套接字，负责与这个客户端进行数据通信，但是想要通过这个套接字与客户顿进行通信，就要拿到这个套接字的描述符sockfd



相较于UDP套接字通信，TCP通信多了listen，connect，accept，
用recv，send简化了数据收发，因为地址信息都在sockfd描述的socket结构体中五元组完全包含，并且TCP通信时有状态的status
recv
这些调用返回接收到的字节数，如果发生错误，则返回-1。在如果发生错误，则设置errno以指示错误。
返回值将为0，说明没有数据，实际是对方已经执行有序关闭时，连接断开了

在客户端要注意监听套接字listenfd，通信套接字connfd的区别，listenfd只负责连接的建立在listen和accept时使用，当要发送数据是用accept返回的套接字connfd进行recv数据发送

tcpsocket.hpp（封装系统调用接口）

#ifndef __M_TCP_H__
#define __M_TCP_H__
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <cstdio>
#include <cassert>
#include <string>

#define MAX_LISTEN 1024
class TcpSocket
{
private:
    /* data */
    int _sockfd; // 这是监听套接字

public:
    TcpSocket() : _sockfd(-1) {}
    ~TcpSocket()
    {
        Close();
        _sockfd = -1;
    }
    bool Socket()
    {
        // int socket(int domain, int type, int protocol)
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
        if (_sockfd < 0)
        {
            perror("socket error");
            return false;
        }
        return true;
    }
    bool Bind(const std::string &ip, uint16_t port)
    {
        // int bind(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t len)
        struct sockaddr_in addr;
        addr.sin_family = AF_INET;
        addr.sin_port = htons(port);                  // port是2字节，要注意字节序问题，使用htons
        addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str()); // 192.168.154.131 ===> 转换成网络字节序的整形ip
        // 客户端bind的sockaddr要进行内容填充，将协议族，ip，端口都要确定
        socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr_in);
        // struct sockaddr: Structure describing a generic socket address.
        int ret = bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&addr, addrlen);
        if (ret < 0)
        {
            perror("bind error");
            return false;
        }
        return true;
    }
    bool Listen(int backlog = MAX_LISTEN)
    {
        // int listen(int backlog)
        int ret = listen(_sockfd, backlog);
        if (ret < 0)
        {
            perror("listen error");
            return false;
        }
        return true;
    }

    bool Accept(TcpSocket &newsock) // 这里传入的newsock引用的是外部定义的新socket对象，用来保存通信套接字connfd，accept系统函数传入的是listenfd
    {
        // int accpet(int sockfd, struct sockaddr* peer,sock_len* len)
        int newfd = accept(_sockfd, (struct sockaddr *)NULL, NULL); // addr设置为NULL时，表示不关心客户端的地址，addrlen也应该设置为NULL
        if (newfd < 0)
        {
            perror("accept error");
            return false;
        }
        newsock._sockfd = newfd; // 将获取的新建连接描述符，赋值给外部传入的TcpSocket对象

        return true;
    }

    bool Recv(TcpSocket &sock, std::string &body)
    {
        // ssize_t recv(int sockfd, void* buf, int len, int flag);//收发数据的sockfd是accept获取的新建连接的描述符，不是监听Socket套接字
        char tmp[1024] = {0};
        // recv返回值Returns the number read or -1 for errors.为0时说明连接断开，所以也就没有数据
        ssize_t ret = recv(sock._sockfd, tmp, 1023, 0); // flag=0，表示默认阻塞接收（接受缓冲区没有数据就阻塞）
        if (ret < 0)
        {
            perror("recv error");
            return false;
        }
        else if (ret == 0)
        {
            std::cout << "connect broken";
            return false;
        }
        body.assign(tmp, ret); // 从temp中截取ret大小数据放到body这个string对象中
        return true;
    }

    bool Send(TcpSocket &sock, const std::string &body)
    {
        // ssize_t send(int sockfd, void* data, int len, int flag)
        ssize_t ret = send(sock._sockfd, body.c_str(), body.size(), 0);
        if (ret < 0)
        {
            perror("send error");
            return false;
        }
        return true;
    }

    bool Connect(TcpSocket &sock, const std::string &ip, uint16_t port) // 客户端使用connect
    {
        // int connect(int sockfd, struct sockaddr* srvaddr, socklen_t len);
        struct sockaddr_in addr;
        addr.sin_family = AF_INET;
        addr.sin_port = htons(10001);
        addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());
        socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
        int ret = connect(sock._sockfd, (struct sockaddr *)&addr, len);
        if (ret < 0)
        {
            perror("connect error");
            return false;
        }
        return true;
    }

    bool Close()
    {
        if (_sockfd != 1)
        {
            close(_sockfd);
            _sockfd = -1;
        }
        return true;
    }
};

#endif

服务端s1.cpp

#include "tcpsocket.hpp"
using namespace std;
int main(int argc, char **argv)
{
    TcpSocket tcpsocket;
    tcpsocket.Socket();
    // uint16_t port = htons(stoi(argv[1]));
    string ip = string("192.168.154.131");
    tcpsocket.Bind(ip, 10001);
    tcpsocket.Listen();
    TcpSocket newsock; // 新建对象来保存connfd通信套接字（accept函数返回的）
    newsock.Socket();
    tcpsocket.Accept(newsock);
    string buf;
    while (1)
    {
        tcpsocket.Recv(newsock, buf);
        cout << "client say:" << buf << endl;
        buf.clear();
        cout << "server say:";
        cin >> buf;
        tcpsocket.Send(newsock, buf);
    }
    tcpsocket.Close();
    return 0;
}

g++ -std=c++11 -o c1 c1.cpp
客户端c1.cpp

#include "tcpsocket.hpp"
using namespace std;
int main(int argc, char **argv)
{
    TcpSocket tcp_cli;
    tcp_cli.Socket();
    tcp_cli.Connect(tcp_cli, "192.168.154.131", (uint16_t)10001);
    string buf;
    while (1)
    {
        cout << "client say:";
        cin >> buf;
        tcp_cli.Send(tcp_cli, buf);
        buf.clear();
        tcp_cli.Recv(tcp_cli, buf);
        cout << "server say:" << buf << endl;
    }
    tcp_cli.Close();
}

多线程实现

多线程实现tcp通信：
在单进程实现的问题，服务器只能与一个客户端进行通信
原因：因为不知道什么时候有数据到来和新连接到来，因此流程只能固定为获取新连接，然后进行通信，但是这两部都有可能会阻塞，一个执行流中要完成的事情太多了
解决：多执行流并发处理–获取新建连接后创建一个执行流专门负责与客户端的通信
多进程注意事项：1.僵尸子进程处理（SIGCHLD）2.描述符资源的释放（父子进程都有sockfd，父进程需要创建子进程后释放）
多线程注意事项：1.线程之间共享大部分进程数据资源（文件描述符表），因此通信套接字需要让负责通信的线程进行释放

如何在代码中知道连接断开了？连接断开后，在代码中如何体现的？

当recv函数接受数据时，返回值为0，代表的不仅仅是没有接收到数据，更多是为了表示连接断开了！！！
当send函数发送数据是，程序直接异常（SIGPIPE）退出，会显示坏管道
因此，如果网络通信中，不想让程序因为连接断开而导致发送数据的时候程序异常退出就对SIGPIPE信号进行signal处理

netstat -anptu