Linux C++实现一服务器与多客户端之间的通信
<p>通过网络查找资料得到的都是一些零碎不成体系的知识点，无法融会贯通。而且需要筛选有用的信息，这需要花费大量的时间。所以把写代码过程中用到的相关知识的博客链接附在用到的位置，方便回顾。</p><h1 id="1程序流程">1.程序流程</h1>
<ul>
<li>服务器端：socker()建立套接字，绑定（bind）并监听（listen），用accept（）等待客户端连接。</li>
<li>客户端：socker()建立套接字，连接（connect）服务器，连接上后使用send()和recv（），在套接字上写读数据，直至数据交换完毕，close()关闭套接字。</li>
</ul>
<h1 id="2实现">2.实现</h1>
<p>具体实现上使用select函数Linux Select<br>
在收发信息的时候，端口是会被占用的，也就是处于阻塞状态。例如这个例子UDP 组播 实例，只能实现一对一的通信。<br>
在Linux中，我们可以使用select函数实现I/O端口的复用，传递给 select函数的参数会告诉内核：</p>
<ul>
<li>
<p>我们所关心的文件描述符</p>
</li>
<li>
<p>对每个描述符，我们所关心的状态。(我们是要想从一个文件描述符中读或者写，还是关注一个描述符中是否出现异常)</p>
</li>
<li>
<p>我们要等待多长时间。(我们可以等待无限长的时间，等待固定的一段时间，或者根本就不等待)</p>
</li>
</ul>
<p>从 select函数返回后，内核告诉我们一下信息：</p>
<ul>
<li>
<p>对我们的要求已经做好准备的描述符的个数</p>
</li>
<li>
<p>对于三种条件哪些描述符已经做好准备.(读，写，异常)</p>
</li>
</ul>
<p>有了这些返回信息，我们可以调用合适的I/O函数(通常是 read 或 write)，并且这些函数不会再阻塞.</p>
<h3 id="select函数介绍">select函数介绍</h3>
<p>select函数原型如下：</p>
<pre><code class="language-java">int select (int maxfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
</code></pre>
<p>select系统调用是用来让我们的程序监视多个文件句柄(socket 句柄)的状态变化的。程序会停在select这里等待，直到被监视的文件句柄有一个或多个发生了状态改变。返回：做好准备的文件描述符的个数，超时为0，错误为 -1.</p>
<p>具体参数的解释</p>
<ol>
<li>intmaxfdp是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1，不能错。</li>
</ol>
<p>说明：对于这个原理的解释可以看下边fd_set的详细解释，fd_set是以位图的形式来存储这些文件描述符。maxfdp也就是定义了位图中有效的位的个数。</p>
<ol start="2">
<li>
<p>fd_set*readfds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的读变化的，即我们关心是否可以从这些文件中读取数据了，如果这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读；如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。</p>
</li>
<li>
<p>fd_set*writefds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的写变化的，即我们关心是否可以向这些文件中写入数据了，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化。</p>
</li>
<li>
<p>fd_set*errorfds同上面两个参数的意图，用来监视文件错误异常文件。</p>
</li>
<li>
<p>structtimeval* timeout是select的超时时间，这个参数至关重要，它可以使select处于三种状态，第一，若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止；第二，若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值；第三，timeout的值大于0，这就是等待的超时时间，即 select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回，返回值同上述。</p>
</li>
</ol>
<h3 id="详细解释">详细解释</h3>
<p>首先我们先看一下最后一个参数。它指明我们要等待的时间：</p>
<pre><code class="language-cpp">struct timeval{
long tv_sec; /*秒 */
long tv_usec;/*微秒 */
}
</code></pre>
<p>tv_sec 代表多少秒<br>
tv_usec 代表多少微秒 1000000 微秒 = 1秒<br>
有三种情况：</p>
<p><code>timeout == NULL</code>等待无限长的时间。等待可以被一个信号中断。当有一个描述符做好准备或者是捕获到一个信号时函数会返回。如果捕获到一个信号， select函数将返回 -1,并将变量 erro设为 EINTR。</p>
<p><code>timeout->tv_sec == 0 &&timeout->tv_usec == 0</code>不等待，直接返回。加入描述符集的描述符都会被测试，并且返回满足要求的描述符的个数。这种方法通过轮询，无阻塞地获得了多个文件描述符状态。</p>
<p><code>timeout->tv_sec !=0 ||timeout->tv_usec!= 0</code> 等待指定的时间。当有描述符符合条件或者超过超时时间的话，函数返回。在超时时间即将用完但又没有描述符合条件的话，返回 0。对于第一种情况，等待也会被信号所中断。</p>
<p>中间的三个参数 readset, writset, exceptset,指向描述符集。这些参数指明了我们关心哪些描述符，和需要满足什么条件(可写，可读，异常)。一个文件描述集保存在 fd_set 类型中。fd_set类型变量每一位代表了一个描述符。我们也可以认为它只是一个由很多二进制位构成的数组。如下图所示：<br>
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20200819205328889.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hpZGVfb25fcnVzaA==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center" alt="在这里插入图片描述" loading="lazy"><br>
Linux: fd_set用法<br>
对于 fd_set类型的变量我们所能做的就是声明一个变量，为变量赋一个同种类型变量的值，或者使用以下几个宏来控制它：</p>
<pre><code class="language-cpp">#include <sys/select.h>
int FD_ZERO(int fd, fd_set *fdset);
int FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
int FD_SET(int fd, fd_set *fd_set);
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);
</code></pre>
<p>FD_ZERO宏将一个 fd_set类型变量的所有位都设为 0，使用FD_SET将变量的某个位置位。清除某个位时可以使用 FD_CLR，我们可以使用FD_ISSET来测试某个位是否被置位。</p>
<p>当声明了一个文件描述符集后，必须用FD_ZERO将所有位置零。之后将我们所感兴趣的描述符所对应的位置位，操作如下：</p>
<pre><code class="language-cpp">fd_set rset;
int fd;
FD_ZERO(&rset);
FD_SET(fd, &rset);
FD_SET(stdin, &rset);
</code></pre>
<p>select返回后，用FD_ISSET测试给定位是否置位：</p>
<pre><code class="language-cpp">if(FD_ISSET(fd, &rset)
{ ... }
</code></pre>
<h3 id="关于select模型">关于select模型</h3>
<p>理解select模型的关键在于理解fd_set,为说明方便，取fd_set长度为1字节，fd_set中的每一bit可以对应一个文件描述符fd。则1字节长的fd_set最大可以对应8个fd。</p>
<p>（1）执行fd_set set;FD_ZERO(&set);则set用位表示是0000,0000。</p>
<p>（2）若fd＝5,执行FD_SET(fd,&set);后set变为0001,0000(第5位置为1)</p>
<p>（3）若再加入fd＝2，fd=1,则set变为0001,0011</p>
<p>（4）执行select(6,&set,0,0,0)阻塞等待</p>
<p>（5）若fd=1,fd=2上都发生可读事件，则select返回，此时set变为0000,0011。<strong>注意：没有事件发生的fd=5被清空</strong>。</p>
<p>基于上面的讨论，可以轻松得出select模型的特点：</p>
<p>（1)可监控的文件描述符个数取决与sizeof(fd_set)的值。我这边服务器上sizeof(fd_set)＝512，每bit表示一个文件描述符，则我服务器上支持的最大文件描述符是512*8=4096。据说可调，另有说虽然可调，但调整上限受于编译内核时的变量值。</p>
<p>（2）将fd加入select监控集的同时，还要再使用一个数据结构array保存放到select监控集中的fd，一是用于再select返回后，array作为源数据和fd_set进行FD_ISSET判断。二是select返回后会把以前加入的但并无事件发生的fd清空，则每次开始 select前都要重新从array取得fd逐一加入（FD_ZERO最先），扫描array的同时取得fd最大值maxfd，用于select的第一个参数。</p>
<p>（3）可见select模型必须在select前循环array（加fd，取maxfd），select返回后循环array（FD_ISSET判断是否有时间发生）。</p>
<p>这种实现方式是有缺点的，一是能监听的端口数量有限，二是采用轮询的方法当套接字多了以后效率很低。三是需要有一个存储大量fd的数据结构，用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大</p>
<p>关于上面所说的I/O，select相关的问题这篇博客说的很明白Linux Select<br>
网络字节转换inet_aton、inet_nota、inet_addr<br>
C++基础--htons(),htonl(),ntohs(),ntohl()</p>
<h1 id="3实现代码">3.实现代码</h1>
<p>Socket原理及实践（Java/C/C++)<br>
sockaddr详解<br>
C语言网络编程：bind函数详解<br>
c++ Socket学习——使用listen(),accept(),write(),read()函数<br>
STDIN_FILENO<br>
C语言文件操作之fgets（）因为gets()的不安全，所以使用fgets（）代替<br>
socklen_t 类型<br>
socket编程之accept()函数</p>
<h2 id="服务器端">服务器端：</h2>
<pre><code class="language-cpp">#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#define BACKLOG 5 //完成三次握手但没有accept的队列的长度
#define CONCURRENT_MAX 8 //应用层同时可以处理的连接
#define SERVER_PORT 11332
#define BUFFER_SIZE 1024
#define QUIT_CMD ".quit"
int client_fds;//声明一个数组来存储状态
int main(int argc, const char * argv[])
{
char input_msg;//限定最大值
char recv_msg;
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
bzero(&(server_addr.sin_zero), 8);
//创建socket
int server_sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(server_sock_fd == -1)
{
perror("socket error");
return 1;
}
//绑定socket
int bind_result = bind(server_sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
if(bind_result == -1)
{
perror("bind error");
return 1;
}
//listen
if(listen(server_sock_fd, BACKLOG) == -1)
{
perror("listen error");
return 1;
}
//fd_set
fd_set server_fd_set;/*fd_set实际上是一long类型的数组，每一个数组元素都能与一打开的文件句柄 (不管是socket句柄，还是其他文件或命名管道或设备句柄) 建立联系，建立联系的工作由程序员完成，当调用select()时，由内核根据IO状态修改fe_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一socket或文件可读。*/
int max_fd = -1;
struct timeval tv;//超时时间设置
while(1)
{
tv.tv_sec = 20;
tv.tv_usec = 0;
FD_ZERO(&server_fd_set);
FD_SET(STDIN_FILENO, &server_fd_set);
if(max_fd <STDIN_FILENO)//STDIN_FILENO 标准输入设备的文件描述符（键盘）
{
max_fd = STDIN_FILENO;
}
//printf("STDIN_FILENO=%d\n", STDIN_FILENO);
//服务器端socket
FD_SET(server_sock_fd, &server_fd_set);
// printf("server_sock_fd=%d\n", server_sock_fd);
if(max_fd < server_sock_fd)
{
max_fd = server_sock_fd;
}
//客户端连接
for(int i =0; i < CONCURRENT_MAX; i++)
{
//printf("client_fds[%d]=%d\n", i, client_fds);
if(client_fds != 0)
{
FD_SET(client_fds, &server_fd_set);
if(max_fd < client_fds)
{
max_fd = client_fds;
}
}
}
int ret = select(max_fd + 1, &server_fd_set, NULL, NULL, &tv);
if(ret < 0)
{
perror("select 出错\n");
continue;
}
else if(ret == 0)
{
printf("select 超时\n");
continue;
}
else
{
//ret 为未状态发生变化的文件描述符的个数
if(FD_ISSET(STDIN_FILENO, &server_fd_set))
{
printf("发送消息：\n");
bzero(input_msg, BUFFER_SIZE);
fgets(input_msg, BUFFER_SIZE, stdin);
//输入“.quit"则退出服务器
if(strcmp(input_msg, QUIT_CMD) == 0)
{
exit(0);
}
for(int i = 0; i < CONCURRENT_MAX; i++)
{
if(client_fds != 0)
{
printf("client_fds[%d]=%d\n", i, client_fds);
send(client_fds, input_msg, BUFFER_SIZE, 0);
}
}
}
if(FD_ISSET(server_sock_fd, &server_fd_set))
{
//有新的连接请求
struct sockaddr_in client_address;
socklen_t address_len;
int client_sock_fd = accept(server_sock_fd, (struct sockaddr *)&client_address, &address_len);
printf("new connection client_sock_fd = %d\n", client_sock_fd);
if(client_sock_fd > 0)
{
int index = -1;
for(int i = 0; i < CONCURRENT_MAX; i++)
{
if(client_fds == 0)
{
index = i;
client_fds = client_sock_fd;
break;
}
}
if(index >= 0)
{
printf("新客户端(%d)加入成功 %s:%d\n", index, inet_ntoa(client_address.sin_addr), ntohs(client_address.sin_port));
}
else
{
bzero(input_msg, BUFFER_SIZE);
strcpy(input_msg, "服务器加入的客户端数达到最大值,无法加入!\n");
send(client_sock_fd, input_msg, BUFFER_SIZE, 0);
printf("客户端连接数达到最大值，新客户端加入失败 %s:%d\n", inet_ntoa(client_address.sin_addr), ntohs(client_address.sin_port));
}
}
}
for(int i =0; i < CONCURRENT_MAX; i++)
{
if(client_fds !=0)
{
if(FD_ISSET(client_fds, &server_fd_set))
{
//处理某个客户端过来的消息
bzero(recv_msg, BUFFER_SIZE);
long byte_num = recv(client_fds, recv_msg, BUFFER_SIZE, 0);
if (byte_num > 0)
{
if(byte_num > BUFFER_SIZE)
{
byte_num = BUFFER_SIZE;
}
recv_msg = '\0';
printf("客户端(%d):%s\n", i, recv_msg);
}
else if(byte_num < 0)
{
printf("从客户端(%d)接受消息出错.\n", i);
}
else
{
FD_CLR(client_fds, &server_fd_set);
client_fds = 0;
printf("客户端(%d)退出了\n", i);
}
}
}
}
}
}
return 0;
}
</code></pre>
<h2 id="客户端">客户端</h2>
<p>connect函数详解<br>
Linux下Socket网络编程send和recv使用注意事项</p>
<pre><code class="language-cpp">#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<netinet/in.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#define BUFFER_SIZE 1024
int main(int argc, const char * argv[])
{
struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(11332);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
bzero(&(server_addr.sin_zero), 8);
int server_sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(server_sock_fd == -1)
{
perror("socket error");
return 1;
}
char recv_msg;
char input_msg;
if(connect(server_sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in)) == 0)
{
fd_set client_fd_set;
struct timeval tv;
while(1)
{
tv.tv_sec = 20;
tv.tv_usec = 0;
FD_ZERO(&client_fd_set);
FD_SET(STDIN_FILENO, &client_fd_set);
FD_SET(server_sock_fd, &client_fd_set);
select(server_sock_fd + 1, &client_fd_set, NULL, NULL, &tv);
if(FD_ISSET(STDIN_FILENO, &client_fd_set))
{
bzero(input_msg, BUFFER_SIZE);
fgets(input_msg, BUFFER_SIZE, stdin);
if(send(server_sock_fd, input_msg, BUFFER_SIZE, 0) == -1)
{
perror("发送消息出错!\n");
}
}
if(FD_ISSET(server_sock_fd, &client_fd_set))
{
bzero(recv_msg, BUFFER_SIZE);
long byte_num = recv(server_sock_fd, recv_msg, BUFFER_SIZE, 0);
if(byte_num > 0)
{
if(byte_num > BUFFER_SIZE)
{
byte_num = BUFFER_SIZE;
}
recv_msg = '\0';
printf("服务器:%s\n", recv_msg);
}
else if(byte_num < 0)
{
printf("接受消息出错!\n");
}
else
{
printf("服务器端退出!\n");
exit(0);
}
}
}
//}
}
return 0;
}
</code></pre><br><br>
来源：https://www.cnblogs.com/xiuzhublog/p/13533242.html
頁:
[1]