【Linux】Socket编程-TCP构建自己的C++服务器

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一：🔥 Socket 编程 TCP

🦋 TCP socket API 详解

下面介绍程序中用到的 socket API,这些函数都在 sys/socket.h 中
socket

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);domain: 域 / 协议家族AF_INET      IPv4 Internet protocolsAF_INET6     IPv6 Internet protocolstype: 报文类型SOCK_DGRAM      Supports datagrams (connectionless, unreliable messages of a fixed maximum length).SOCK_STREAM     Provides sequenced, reliable, two-way, connection-based byte streams.  An out-of-band data transmission mechanism may be supported.protocol: 传输层类型默认为0On success, a file descriptor for the new socket is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

bind

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);On success, zero is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.// 2. 填充网络信息，并bind绑定
// 2.1 没有把socket信息设置进入内核
struct sockaddr_in local;
bzero(&local, sizeof(local));       // string.h
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = ::htons(_port);   // 要被发送给对方，既要发送到网络中!   主机序列转换为网络序列 大小端转换 网络中都是大端 #include <arpa/inet.h>
local.sin_addr.s_addr = ::inet_addr(_ip.c_str());    // 1. string ip -> 4bytes 2. network order   #include <sys/socket.h>    #include <netinet/in.h>  #include <arpa/inet.h>
local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;// 2.1 bind    这里设置进入内核
int n = ::bind(_sockfd, _addr.NetAddr(), _addr.NetAddrLen());

📚 我们之前在调用socket的时候，明明已经填充了一次 AF_INET，为什么这里还需要一次呢？

创建套接字的时候填充的 AF_INET 是给操作系统文件系统里的网络文件接口，告诉我们的操作系统我们要创建一个网络的套接字。

这里则是用来填充 sockaddr_in 网络信息，只有套接字的结构和这里的结构一样，操作系统才能绑定成功。

📚 必带四件套

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

listen

#include <sys/types.h>          
#include <sys/socket.h>int listen(int sockfd, int backlog);sockfd：			 指定的套接字
backlog				 等待连接队列的最大长度。On success, zero is returned.  On error, -1 is returned, and errno is set appropriately.

listen() 声明 sockfd 处于监听状态, 并且最多允许有 backlog 个客户端处于连接等待状态, 如果接收到更多的连接请求就忽略, 这里设置不会太大 (一般是 5)

accept

#include <sys/types.h>      
#include <sys/socket.h>int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);sockfd：			 指定的套接字

三次握手完成后, 服务器调用 accept() 接受连接;
如果服务器调用 accept()时还没有客户端的连接请求,就阻塞等待直到有客户端连接上来;
addr 是一个传出参数,accept()返回时传出客户端的地址和端口号;
如果给 addr 参数传 NULL,表示不关心客户端的地址;
addrlen 参数是一个传入传出参数(value-result argument), 传入的是调用者提供的, 缓冲区 addr 的长度以避免缓冲区溢出问题, 传出的是客户端地址结构体的实际长度(有可能没有占满调用者提供的缓冲区);

connect

#include <sys/types.h>       
#include <sys/socket.h>int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);sockfd：			 指定的套接字

客户端需要调用 connect()连接服务器;
connect 和 bind 的参数形式一致, 区别在于 bind 的参数是自己的地址, 而 connect 的参数是对方的地址;
connect() 成功返回 0,出错返回-1

🦋 多线程远程命令执行

📚 代码结构

C++
CommandExec.hpp  Common.hpp  Cond.hpp  InetAddr.hpp  Log.hpp  Makefile  
Mutex.hpp  TcpClient.cc  TcpServer.cc  TcpServer.hpp  Thread.hpp  ThreadPool.hpp

TcpServer.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <cstring>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>#include "Log.hpp"
#include "Common.hpp"
#include "InetAddr.hpp"
#include "ThreadPool.hpp"using namespace LogModule;
using namespace ThreadPoolModule;static const uint16_t gport = 8080;
using handler_t = std::function<std::string(std::string)>;#define BACKLOG 8class TcpServer
{using task_t = std::function<void()>;struct ThreadData{int sockfd;TcpServer *self;};
public:TcpServer(handler_t handler, int port = gport): _handler(handler), _port(port), _isrunning(false){}bool InitServer(){// 1. 创建tcp socket_listensockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // Tcp Socketif (_listensockfd < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "_listensockfd error";Die(SOCKET_ERR);}LOG(LogLevel::INFO) << "_listensockfd create success, _listensockfd is : " << _listensockfd;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;// 2. bindint n = ::bind(_listensockfd, CONV(&local), sizeof(local));if (n < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "bind error";Die(BIND_ERR);}LOG(LogLevel::INFO) << "bind success, _listensockfd is : " << _listensockfd;// 3. cs tcp是面向连接的，就要求tcp随时随地等待被连接// tcp 需要将socket设置成为监听状态n = ::listen(_listensockfd, BACKLOG);if (n < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "listen error";Die(LISTEN_ERR);}LOG(LogLevel::INFO) << "listen success, _listensockfd is : " << _listensockfd;//::signal(SIGCHLD, SIG_IGN);     // 子进程退出，OS会自动回收资源，不用再wait了return true;}void HandlerRequest(int sockfd)   // TCP 也是全双工通信{LOG(LogLevel::INFO) << "HandlerRequest, sockfd is : " << sockfd;char inbuffer[4096];// 长任务while(true){ssize_t n = ::recv(sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1, 0);if(n > 0){LOG(LogLevel::INFO) << inbuffer;inbuffer[n] = 0;// std::string echo_str = "server echo# ";// echo_str += inbuffer; std::string cmd_result = _handler(inbuffer);::send(sockfd, cmd_result.c_str(), cmd_result.size(), 0);}else if(n == 0){// read 如果读取返回值是0，表示client退出LOG(LogLevel::INFO) << "client quit: " << sockfd;break;}else {// 读取失败了break;}}::close(sockfd);   // fd泄露问题}static void *ThreadEntry(void *args){pthread_detach(pthread_self());ThreadData* data = (ThreadData*)args;data->self->HandlerRequest(data->sockfd);delete data;return nullptr;}void Start(){_isrunning = true;while (_isrunning){// 不能直接读取数据// 1. 获取新连接struct sockaddr_in peer;socklen_t peerlen = sizeof(peer);LOG(LogLevel::DEBUG) << "accept ing ...";// 我们要获取客户端的信息：数据(sockfd) + client socket信息（accept）int sockfd = ::accept(_listensockfd, CONV(&peer), &peerlen);if (sockfd < 0){LOG(LogLevel::WARNING) << "accept error" << strerror(errno);continue;}// 获取连接成功了LOG(LogLevel::INFO) << "accept success, socket is : " << sockfd;InetAddr addr(peer);LOG(LogLevel::INFO) << "client info: " << addr.Addr();// version-0// HandlerRequest(sockfd);// version-1 多进程版本// pid_t id = fork();// if(id == 0)// {//     // child//     // 问题1: 父进程的文件描述符表子进程会继承 父子各一张共两张 //     // 1.关闭不需要的fd//     ::close(_listensockfd);//     if(fork() > 0) exit(0); // 子进程退出//     // 孙子进程 -> 孤儿进程 -> 1//     HandlerRequest(sockfd);//     exit(0);// }// ::close(sockfd);    // 父进程也关闭不需要的 已经交给子进程了// // 不会阻塞// pid_t rid = ::waitpid(id, nullptr, 0);// if(rid < 0)// {//     LOG(LogLevel::WARNING) << "waitpid error";// }// version-2 多线程版本// pthread_t tid;// ThreadData* data = new ThreadData;// data->sockfd = sockfd;// data->self = this;// pthread_create(&tid, nullptr, ThreadEntry, data);    // 主线程和新线程是如何看待，文件描述符表， 共享一张文件描述符表！！属于同一个进程 ！// version-3 线程池版本  一般用于短任务(注册登录)，少量用户// task_t f = std::bind(&TcpServer::HandlerRequest, this, sockfd);     // 构建任务// ThreadPool<task_t>::getInstance()->Equeue(f);ThreadPool<task_t>::getInstance()->Equeue([this, sockfd](){this->HandlerRequest(sockfd);});}}void Stop(){_isrunning = false;}~TcpServer(){}private:int _listensockfd; // 监听socketuint16_t _port;bool _isrunning;// 处理上层任务的入口handler_t _handler;
};

TcpServer.cc

#include "TcpServer.hpp"
#include "CommandExec.hpp"
#include <memory>using namespace LogModule;int main()
{ENABLE_CONSOLE_LOG();Command cmd;std::unique_ptr<TcpServer> tsvr = std::make_unique<TcpServer>([&cmd](std::string cmdstr){return cmd.Execute(cmdstr);});tsvr->InitServer();tsvr->Start();return 0;
}

TcpClient.cc

#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>// ./client_tcp serverip serverport
int main(int argc, char *argv[])
{if(argc != 3){std::cout << "Usage: " << argv[0] << " serverip serverport" << std::endl;return 1;}std::string serverip = argv[1];int server_port = std::stoi(argv[2]);int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd < 0){std::cout << "Create socket failed." << std::endl;return 2;}struct sockaddr_in server_addr;memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_port = htons(server_port);    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str());// client 不需要显示的进行bind, tcp是面向连接的, connect 底层自动会进行bindint n = ::connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));if(n < 0){std::cout << "Connect to server failed." << std::endl;return 3;}// echo clientstd::string message;while(true){char inbuffer[1024];std::cout << "input message: ";std::getline(std::cin, message);n = ::write(sockfd, message.c_str(), message.size());if(n > 0){int m = ::read(sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer));if(m > 0){inbuffer[m] = 0;std::cout << inbuffer << std::endl;}else break;}else break;}::close(sockfd);return 0;   
}

CommandExec.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <set>const int line_size = 1024;class Command
{
public:Command(){_white_list.insert("ls");_white_list.insert("pwd");_white_list.insert("ls -l");_white_list.insert("who");_white_list.insert("whoami");_white_list.insert("ll");}bool SafeCheck(const std::string& cmdstr){auto iter = _white_list.find(cmdstr);return iter == _white_list.end() ? false : true;}// 给你一个命令字符串"ls -l"，执行它并返回执行结果std::string Execute(std::string cmdstr){// 1. pope// 2.fork + dup2(pipe[1], 1) + exec*, 执行结果给父进程, pipe[0]// 3. return // FILE *popen(const cahr *command, const char *type);// pclose(FILE *stream);if(!SafeCheck(cmdstr)){return std::string(cmdstr + "不支持");}FILE *fp = popen(cmdstr.c_str(), "r");if(fp == nullptr){return std::string("Failed");}char buffer[line_size];std::string result;while(true){char *ret = ::fgets(buffer, sizeof(buffer), fp);if(!ret) break;result += ret;}pclose(fp);return result.empty() ? std::string("Done") : result;}
private:std::set<std::string> _white_list;
};

CommandExec.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <set>const int line_size = 1024;class Command
{
public:Command(){_white_list.insert("ls");_white_list.insert("pwd");_white_list.insert("ls -l");_white_list.insert("who");_white_list.insert("whoami");_white_list.insert("ll");}bool SafeCheck(const std::string& cmdstr){auto iter = _white_list.find(cmdstr);return iter == _white_list.end() ? false : true;}// 给你一个命令字符串"ls -l"，执行它并返回执行结果std::string Execute(std::string cmdstr){// 1. pope// 2.fork + dup2(pipe[1], 1) + exec*, 执行结果给父进程, pipe[0]// 3. return // FILE *popen(const cahr *command, const char *type);// pclose(FILE *stream);if(!SafeCheck(cmdstr)){return std::string(cmdstr + "不支持");}FILE *fp = popen(cmdstr.c_str(), "r");if(fp == nullptr){return std::string("Failed");}char buffer[line_size];std::string result;while(true){char *ret = ::fgets(buffer, sizeof(buffer), fp);if(!ret) break;result += ret;}pclose(fp);return result.empty() ? std::string("Done") : result;}
private:std::set<std::string> _white_list;
};

🦋 网络版计算器（应用层自定义协议与序列化）

代码结构

C++
Calculator.hpp  Common.hpp  Cond.hpp  Deamon.hpp  InetAddr.hpp  Log.hpp  Makefile  Mutex.hpp  
Protocol.hpp  TcpClient.cc  TcpServer.cc  TcpServer.hpp  Thread.hpp  ThreadPool.hpp
// 简单起见， 可以直接采用自定义线程
// 直接 client<<->>server 通信， 这样可以省去编写没有干货的代码