简单的TCP网络程序

服务端

服务端创建套接字

将TCP服务器封装成一个类，当我们定义出一个服务器对象后需要马上对服务器进行初始化，而初始化TCP服务器要做的第一件事就是创建套接字。

TCP服务器在调用socket函数创建套接字时，参数设置如下:

• 协议家族选择AF_INET,这是大多数用来产生socket的协议，使用TCP或UDP来传输，用IPv4的地址。
• 创建套接字时所需的服务类型应该是SOCK_STREAM,这个协议是按照顺序的、可靠的、数据完整的基于字节流的连接。这是一个使用最多的socket类型，这个socket是使用TCP来进行传输。
• 协议类型默认设置为0即可。

如果创建套接字后获得的文件描述符是小于0的，说明套接字创建失败，此时也就没必要进行后续操作了，直接终止程序即可。

class TcpServer
{
public:
  void InitServer()
  {
    //创建套接字
    _sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (_sock < 0){
      std::cerr << "socket error" << std::endl;
      exit(2);
    }
  }
  ~TcpServer()
  {
    if (_sock >= 0){
      close(_sock);
    }
  }
private:
  int _sock; //套接字
};

注意:

• 实际TCP服务器创建套接字的做法与UDP服务器是一样的，只不过创建套接字时TCP需要的是流式服务，而UDP需要的是用户数据报服务。
• 当析构服务器时，可以将服务器对应的文件描述符进行关闭。

服务端绑定

套接字创建完毕后我们实际只是在系统层面上打开了一个文件，该文件还没有与网络关联起来，因此创建完套接字后我们还需要调用bind函数进行绑定操作。

绑定步骤如下:

• 定义一个struct sockaddr_in结构体，将服务器网络相关的属性信息填充到该结构体当中，比如协议家族，IP地址，端口号等。
• 填充服务器网络相关的属性信息时，协议家族对应就是AF_INET,端口号就是当前TCP服务器程序的端口号。在设置端口号时，需要调用htos函数将端口号由主机序列转为网络序列。
• 在设置服务器的IP地址时，我们可以设置为本地环回127.0.0.1,表示本地通信。也可以设置为公网IP地址，表示网络通信。
• 如果使用的是云服务器，那么在设置服务器的IP地址时，不需要显示绑定IP地址，直接将IP地址设置为INADDR_ANY即可，此时服务器就可以从本地任何一张网卡当中读取数据。此外，由于INADDE_ANY本质就是0，因此在设置时不需要进行网络字节序的转换。
• 填充完故武器网络相关的属性信息后，需要调用bind函数进行绑定。绑定实际就是将文件与网络相关联起来，如果绑定失败也没必要进行后续操作了，直接终止程序即可。

由于TCP服务器初始化时需要服务器的端口号，因此在服务器类当中需要引入端口号，当实例化服务器对象时就需要给传入一个端口号。而由于我当前使用的是云服务器，因此在绑定TCP服务器的IP地址时不需要绑定公网IP地址，直接绑定INADDR_ANY即可，因此我这里没有在服务器类当中引入IP地址。

class TcpServer
{
public:
  TcpServer(int port)
    : _sock(-1)
    , _port(port)
  {}
  void InitServer()
  {
    //创建套接字
    _sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (_sock < 0){
      std::cerr << "socket error" << std::endl;
      exit(2);
    }
    //绑定
    struct sockaddr_in local;
    memset(&local, '\0', sizeof(local));
    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_port = htons(_port);
    local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    if (bind(_sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0){
      std::cerr << "bind error" << std::endl;
      exit(3);
    }
  }
  ~TcpServer()
  {
    if (_sock >= 0){
      close(_sock);
    }
  }
private:
  int _sock; //监听套接字
  int _port; //端口号
};

注意:TCP服务器绑定步骤和UDP服务器完全一样，没有区别。

服务端监听

UDP服务器的初始化操作只有两步，第一步就是创建套接字，第二部就是绑定。而TCP服务器是面向连接的，客户端在正式向TCP服务器发送数据之前，需要先与TCP服务器建立连接，然后才能与服务器进行通信。

因此TCP服务器需要时刻注意是否有客户端发来连接请求，此时就需要将TCP服务器创建的套接字设置为监听状态。

listen函数

设置套接字为监听状态的函数叫做listen，该函数的函数原型如下：

int listen(int sockfd, int backlog);

参数说明：

• sockfd:需要设置为监听状态的套接字对应的文件描述符.
• backlog：全连接队列的最大长度。如果有多个客户端同时发来连接请求，此时未被服务器处理的连接就会放入连接队列，该参数代表的就是这个全连接队列的最大长度，一般不要设置太大，设置为5或10即可。

返回值说明:

• 监听成功返回0，监听失败返回-1，同时错误码会被设置。
• 所谓被动监听，是指当没有客户端请求时，套接字处于“睡眠”状态，只有当接收到客户端请求时，套接字才会被“唤醒”来响应请求。

请求队列

当套接字正在处理客户端请求时，如果有新的请求进来，套接字是没法处理的，只能把它放进缓冲区，待当前请求处理完毕后，再从缓冲区中读取出来处理。如果不断有新的请求进来，它们就按照先后顺序在缓冲区中排队，直到缓冲区满。这个缓冲区，就称为请求队列（Request Queue）。

缓冲区的长度（能存放多少个客户端请求）可以通过 listen() 函数的 backlog 参数指定，但究竟为多少并没有什么标准，可以根据你的需求来定，并发量小的话可以是10或者20。

如果将 backlog 的值设置为 SOMAXCONN，就由系统来决定请求队列长度，这个值一般比较大，可能是几百，或者更多。

当请求队列满时，就不再接收新的请求，对于 Linux，客户端会收到 ECONNREFUSED 错误。

#define BACKLOG 5
class TcpServer
{
public:
  void InitServer()
  {
    //创建套接字
    _listen_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (_listen_sock < 0){
      std::cerr << "socket error" << std::endl;
      exit(2);
    }
    //绑定
    struct sockaddr_in local;
    memset(&local, '\0', sizeof(local));
    local.sin_family = AF_INET;
    local.sin_port = htons(_port);
    local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    if (bind(_listen_sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0){
      std::cerr << "bind error" << std::endl;
      exit(3);
    }
    //监听
    if (listen(_listen_sock, BACKLOG) < 0){
      std::cerr << "listen error" << std::endl;
      exit(4);
    }
  }
private:
  int _listen_sock; //监听套接字
  int _port; //端口号
};

注意：listen() 只是让套接字处于监听状态，并没有接收请求。接收请求需要使用 accept() 函数。

accept() 函数。

服务端获取连接

TCP服务器初始化后就可以开始运行了，但TCP服务器在与客户端进行网络通信之前，服务器需要先获取到客户端的连接请求。

当套接字处于监听状态时，可以通过 accept() 函数来接收客户端请求。

#include <sys/types.h>    
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
sockdf:
  socket文件描述符
addr:
  传出参数，返回链接客户端地址信息，含IP地址和端口号
addrlen:
  传入传出参数（值-结果）,传入sizeof(addr)大小，函数返回时返回真正接收到地址结构体的大小
返回值：
  成功返回一个新的socket文件描述符，用于和客户端通信，失败返回-1，设置errno

accept函数返回的套接字是什么？

调用accept函数获取连接时，是从监听套接字当中获取的。如果accept函数获取连接成功，此时会返回接收到的套接字对应的文件描述符。

监听套接字与accept函数返回的套接字的作用：

• 监听套接字：用于获取客户端发来的连接请求。accept函数会不断从监听套接字当中获取新连接。
• accept函数返回的套接字：用于为本次accept获取到的连接提供服务。监听套接字的任务只是不断获取新连接，而真正为这些连接提供服务的套接字是accept函数返回的套接字，而不是监听套接字。
• 最后需要说明的是：listen() 只是让套接字进入监听状态，并没有真正接收客户端请求，

listen() 后面的代码会继续执行，直到遇到 accept()。accept() 会阻塞程序执行（后面代码不能被执行），直到有新的请求到来。。

服务端获取连接

服务端在获取连接时需要注意：

• accept函数获取连接时可能会失败，但TCP服务器不会因为获取某个连接失败而退出，因此服务端获取连接失败后应该继续获取连接。
• 如果要将获取到的连接对应客户端的IP地址和端口号信息进行输出，需要调用inet_ntoa函数将整数IP转换成字符串IP，调用ntohs函数将端口号由网络序列转换成主机序列。
• inet_ntoa函数在底层实际做了两个工作，一是将网络序列转换成主机序列，二是将主机序列的整数IP

class TcpServer
{
public:
  void Start()
  {
    for (;;){
      //获取连接
      struct sockaddr_in peer;
      memset(&peer, '\0', sizeof(peer));
      socklen_t len = sizeof(peer);
      int sock = accept(_listen_sock, (struct sockaddr*)&peer, &len);
      if (sock < 0){
        std::cerr << "accept error, continue next" << std::endl;
        continue;
      }
      std::string client_ip = inet_ntoa(peer.sin_addr);
      int client_port = ntohs(peer.sin_port);
      std::cout<<"get a new link->"<<sock<<" ["<<client_ip<<"]:"<<client_port<<std::endl;
    }
  }
private:
  int _listen_sock; //监听套接字
  int _port; //端口号
};

服务端接收连接测试

现在我们可以做一下简单的测试，看看当前服务器能否成功接收请求连接。在运行服务端时需要传入一个端口号作为服务端的端口号，然后我们用该端口号构造一个服务端对象，对服务端进行初始化后启动服务端即可。

void Usage(std::string proc)
{
  std::cout << "Usage: " << proc << " port" << std::endl;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
  if (argc != 2){
    Usage(argv[0]);
    exit(1);
  }
  int port = atoi(argv[1]);
  TcpServer* svr = new TcpServer(port);
  svr->InitServer();
  svr->Start();
  return 0;
}

运行服务端

服务端运行后，通过netstat命令可以查看到一个程序名为tcp_server的服务程序，它绑定的端口就是8081，而由于服务器绑定的是INADDR_ANY，因此该服务器的本地IP地址是0.0.0.0，这就意味着该TCP服务器可以读取本地任何一张网卡里面的数据。此外，最重要的是当前该服务器所处的状态是LISTEN状态，表明当前服务器可以接收外部的请求连接。

使用telnet命令连接当前TCP服务器后可以看到，此时服务器接收到了一个连接，为该连接提供服务的套接字对应的文件描述符就是4。因为0、1、2是默认打开的，其分别对应标准输入流、标准输出流和标准错误流，而3号文件描述符在初始化服务器时分配给了监听套接字，因此当第一个客户端发起连接请求时，为该客户端提供服务的套接字对应的文件描述符就是4。