Linux socket 搭建TCP服务器（C语言）

LinuxC 搭建简单的TCP服务器

1. 标题

​ 在标题之前，先提几个标题，方便下次查看明白。

• 什么是TCP
  
• TCP服务器需要用到哪些函数
  
• 如何简单的搭建一个TCP服务器
  

2. 什么是TCP

​ TCP 是一种传输层协议，可以提供可靠的数据传输服务。它是面向毗连的，具有可靠性、流量控制、拥塞控制以及双工通讯的特点。
3. TCP 服务器需要用到哪些函数

1. socket

1. int socket(int domain, int type, int protocol); //声明
3. int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
4.    //示例

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​ socket 作用是用来创建一个文件描述符也成为套接字描述符，用于根据我们指定的协议族、数据类型和协议来分配一个套接字描述符以及它所用到的资源。函数调用失败返回-1，调用成功返回正整数。
​ 参数阐明：

• domain：指定协议族，常用的有 AF_INET（IPv4 地址）和 AF_INET6（IPv6 地址）、AF_LOCAL、AF_ROUTE 等。
  
• type：指定套接字类型，有3种类型，常用的有 SOCK_STREAM（流式套接字，用于 TCP 协议）和 SOCK_DGRAM（数据报套接字，用于 UDP 协议）。第三种为 SOCK_RAW ,为原始类型，允许对底层协议（如 IP， ICMP）举行直接访问。
  
• protocol：指定协议，通常设置为 0，表示让系统根据 domain 和 type 自动选择合适的协议。
  

​ 底层逻辑：
​ socket() 函数的底层逻辑紧张涉及创建一个套接字数据结构，注册到内核中，为该套接字分配一个唯一的文件描述符，并返回该文件描述符。详细步调如下：

• 创建套接字数据结构：根据指定的通讯域、套接字类型和协议，创建一个套接字数据结构，用于表示一个通讯端点。
  
• 分配文件描述符：在内核中分配一个文件描述符，用于标识这个套接字。
  
• 注册到内核中：将套接字数据结构注册到内核的套接字表中，以便内核能够识别和管理这个套接字。
  
• 返回文件描述符：将分配的文件描述符返回给调用者，以便后续对套接字的操作。
  

2. bind

1. // 声明
2. int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
4. // 示例
5. struct sockaddr_in serveraddr;
6. memset(&serveraddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
7. serveraddr.sin_family = AF_INET;
8. serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
9. serveraddr.sin_port = htons(2048);
11. if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(struct sockaddr)))
12. {
13.     perror("bind");
14.     return -1;
15. }

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​ bind() 函数用于将一个本地地址（包罗 IP 地址和端口号）绑定到一个套接字上，以便后续对该套接字的操作可以与指定的地址相关联。当你调用 bind() 函数时，你正在告诉操作系统将特定的 IP 地址和端口号绑定到一个套接字上。如许做的目的是为了让该套接字在网络上可以被唯一标识，而且只有特定地址和端口号的数据才能发送到这个套接字上。
​ 参数阐明：

• sockfd：要绑定地址的套接字文件描述符。
  
• addr：指向包含要绑定地址的结构体的指针，通常是 struct sockaddr 类型的指针，需要根据套接字类型举行类型转换。
  
• addrlen：指定地址结构体的长度。
  

3. listen

​ listen()函数用于将一个套接字描述符标记为被动套接字（socket()函数创建的套接字为主动属性），用于监听毗连请求，等候客户端的毗连。所以它的作用是设置套接字为监听状态，等候客户端的毗连请求。

1. // 声明
2. int listen(int sockfd, int backlog);
4. // 示例
5. listen(sockfd, 10);

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​ 参数阐明：

• sockf：要设置为监听状态的套接字文件描述符。
  
• backlog：待毗连队列的最大长度，即允许等候毗连的客户端数目。
  

4. accept

1. // 声明
2. int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
4. struct sockaddr_in clientaddr;
5. socklen_t len = sizeof(clientaddr);
6. int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);

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​ accept()函数用于从已监听的的套接字中接收一个毗连请求，创建一个新的毗连套接字，并返回新的套接字毗连符。如果已完成毗连队列为空，则线程进入阻塞状态。如果accept函数执行成功，则返回由内核自动生成的套接字描述符，表示服务器已与客户端已经创建毗连；若执行错误则返回-1。
​ 参数阐明：

• sockfd：已监听的套接字描述符（由 socket()函数返回的套接字描述符）
  
• addr：一个 sockaddr 的结构体，用于存放发起毗连请求的客户端协议地址
  
• addrlen：指向存放客户端地址信息结构体长度的指针。
  

5. recv

1. // 声明
2. int recv(int sockfd, char * buf, int len, int flags);
4. // 示例
5. char buffer[128] = {0};
6. int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0);

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​ recv()函数用于接收已毗连套接字发送的数据。从接收缓冲区中复制数据，如果成功则返复兴制的字节数，失败返回-1，对端断开毗连返回0。
​ 参数阐明：

• sockfd：要接收数据的套接字描述符
  
• buf：指向存放接收数据缓冲区的指针
  
• len：接收缓冲区的长度
  
• flags：接受操作的标记位，通常为0，可以通过 ‘|’操作符毗连到一起
  

6. send

1. // 声明
2. int send(int sockfd, const void* buf, int len, int flags)
4. // 示例
5. char buffer[128] = {0};
6. int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0);
7. if (recv_count == 0)
8. {
9.     close(clientfd);
10. }
11. send(clientfd, buffer, recv_count, 0);

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​ send() 函数用于向已毗连的套接字发送数据，每个TCP毗连的套接字都有一个发送缓冲区（buf 是存放数据的缓冲区，不是发送缓冲区），调用send函数的过程是内核将用户的数据复制至TCP套接字的发送缓冲区的过程。send函数被调用时，检查TCP套接字中是否有发送数据。
​ 如果没有数据发送，则比力发送缓冲区长度和 send函数发送数据的长度 len，如果len大于套接字缓冲区长度，则返回错误-1；如果发送缓冲区的巨细富足大，将数据发送至TCP发送缓冲区，send函数将数据复制到发送缓冲区中。
​ 如果有数据还未发送，则比力该缓冲区剩余空间和len的巨细，如果len大于剩余空间，则一致等候，直到发送缓冲区中的数据发送完为止；如果len小于发送缓冲区剩余空间的巨细，则将发送的数据复制到该缓冲区中。
​ send函数发送成功时，返回实际复制的字节数，发送失败时，返回-1，另一端关闭毗连时，返回0。
​ 参数阐明：

• sockfd：发送端套接字描述符
  
• buf：待发送数据的缓冲区
  
• len：待发送数据的字节长度
  
• flags：发送操作的标记位
  

4. 如何搭建一个简单的服务器

1. 创建服务器sockfd

1. int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

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​ 使用 socket函数创建一个套接字描述符，设置协议族，指定为TCP（SOCK_STREAM）
2. 绑定客户端IP和port

1. struct sockaddr_in serveraddr;
2. memset(&serveraddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
3. serveraddr.sin_family = AF_INET;
4. serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
5. serveraddr.sin_port = htons(2048);
7. if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(struct sockaddr)))
8. {
9.     perror("bind");
10.     return -1;
11. }

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​ 使用bind函数将sockfd与IP和端口绑定，此处 IP 恣意（INADDR_ANY)端口为2048。
3. 将sockfd设置为监听模式

1. listen(sockfd, 10);

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​ listen函数将客户端设置为监听状态，监听客户端毗连，设置最大毗连为10个。
4. 接受客户端毗连

1. struct sockaddr_in clientaddr;
2. socklen_t len = sizeof(clientaddr);
3. int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);

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​ 使用accept函数从已监听的的套接字中接收一个毗连请求。返回客户端套接字描述符clientfd。
5. 通讯

1. while (1)
2. {
3.     char buffer[128] = {0};
4.     int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0);
5.     if (recv_count == 0)
6.     {
7.         break
8.     }
9.     send(clientfd, buffer, recv_count, 0);
10. }
11. close(clientfd);

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​ recv函数实现接受客户端信息，send发送信息给客户端。close函数接纳clientfd文件资源
5. 实现并发

​ 如果按照上述程序将代码组合起来，实现的TCP服务器仅能与一台客户机举行毗连通讯。为了实现并发功能，需要用到多线程的方法。
1. 线程回调函数

1. void* client_thread(void *arg)
2. {
3.     int clientfd = *(int *)arg;
4.     while (1)
5.     {
6.         char buffer[128] = {0};
7.         int recv_count = recv(clientfd, buffer, 128, 0);
8.         if (recv_count == 0)
9.         {
10.             break;
11.         }
12.         send(clientfd, buffer, recv_count, 0);
13.     }
14. }
15. close(clientfd);

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​ 该函数为线程的回调函数，函数输入一个客户端clientfd
2. 根据客户端毗连请求创建线程

1. while (1)
2. {
3.     struct sockaddr_in clientaddr;
4.     socklen_t len = sizeof(clientaddr);
5.     int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
7.     pthread_t tid;
8.     pthread_create(&tid, NULL, client_thread, &clientfd);
9. }

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​ 每当客户端有新的毗连请求时，accept都会返回一个新的clientfd，然后pthread_create创建一个新线程，在该线程中服务器与该客户端举行通讯。
6. 总结

​ TCP 是一种传输层协议，可以提供可靠的数据传输服务。
​ 在TCP服务器中用到了六个函数socket、bind、listen、accept、recv和send。
​ 实现TCP服务器仅需将上述六个函数按次序运用即可。我们还使用多线程的方法实现了一定量的并发，但是仍旧存在一些标题，它是一线程一请求的形式，如果请求过多，服务器将会资源耗尽，因此无法实现大的并发量。想要实现超大并发，可以使用IO多路复用的功能。此处不做介绍，请听下回分解。

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