SOCKET编程（4）：SOCKET实战

SOCKET实战

Writen()、Readn()函数

send()函数存在需要发送的字符数len小于函数返回的已发送的字符数(ssize_t)的问题

recv()函数存在需要接收的字符数len小于函数返回的已接收的字符数(ssize_t)的问题

解决上述问题通过Writen()、Readn()函数实现

//buff是数据存储地址，n是待读取长度
bool Readn(const int sockfd, char *buffer, const size_t n)
{int nLeft, nread, idx;nLeft = n;idx = 0;while (nLeft > 0){if ((nread = recv(sockfd, buffer + idx, nLeft, 0)) <= 0)return false;idx += nread;nLeft -= nread;}return true;
}bool Writen(const int sockfd, const char *buffer, const size_t n)
{int nLeft, idx, nwritten;nLeft = n;idx = 0;while (nLeft > 0){if ((nwritten = send(sockfd, buffer + idx, nLeft, 0)) <= 0)return false;nLeft -= nwritten;idx += nwritten;}return true;
}

TcpWrite()、TcpRead()函数

在这里插入图片描述

💡 解决TCP报文分包和粘包的问题

bool TcpRead(const int sockfd, char *buffer, int *ibuflen, const int itimeout)
{if (sockfd == -1)return false;//连接超时if (itimeout > 0){fd_set tmpfd;FD_ZERO(&tmpfd);FD_SET(sockfd, &tmpfd);struct timeval timeout;timeout.tv_sec = itimeout;timeout.tv_usec = 0;int i;if ((i = select(sockfd + 1, &tmpfd, 0, 0, &timeout)) <= 0)return false;}(*ibuflen) = 0; //既然重新赋值为0，那么是否有参数传入的必要if (Readn(sockfd, (char *)ibuflen, 4) == false)return false;(*ibuflen) = ntohl(*ibuflen); //网络字节序转换为主机字节序if (Readn(sockfd, buffer, (*ibuflen)) == false)return false;return true;
}bool TcpWrite(const int sockfd, const char *buffer, const int ibuflen)
{if (sockfd == -1)return false;fd_set tmpfd;FD_ZERO(&tmpfd);FD_SET(sockfd, &tmpfd);struct timeval timeout;timeout.tv_sec = 5;timeout.tv_usec = 0;if (select(sockfd + 1, 0, &tmpfd, 0, &timeout) <= 0)return false;int ilen = 0;// ibuf==0默认为字符数组，否则要给定大小if (ibuflen == 0)ilen = strlen(buffer);elseilen = ibuflen;int ilenn = htonl(ilen); //主机字节序转换为网络字节序char strTBuffer[ilen + 4];memset(strTBuffer, 0, sizeof(strTBuffer));memcpy(strTBuffer, &ilenn, 4);  //用memcpy能够完成任何数据类型的拷贝memcpy(strTBuffer + 4, buffer, ilen);if (Writen(sockfd, strTBuffer, ilen + 4) == false)return false;return true;
}

多进程网络服务端框架

socket服务端封装为CTcpServer类

// socket通信的服务端类
class CTcpServer
{
private:int m_socklen;                    // 结构体struct sockaddr_in的大小。struct sockaddr_in m_clientaddr;  // 客户端的地址信息。struct sockaddr_in m_servaddr;    // 服务端的地址信息。
public:int  m_listenfd;   // 服务端用于监听的socket。int  m_connfd;     // 客户端连接上来的socket。bool m_btimeout;   // 调用Read和Write方法时，失败的原因是否是超时：true-超时，false-未超时。int  m_buflen;     // 调用Read方法后，接收到的报文的大小，单位：字节。CTcpServer();  // 构造函数。// 服务端初始化。// port：指定服务端用于监听的端口。// 返回值：true-成功；false-失败，一般情况下，只要port设置正确，没有被占用，初始化都会成功。bool InitServer(const unsigned int port); // 阻塞等待客户端的连接请求。// 返回值：true-有新的客户端已连接上来，false-失败，Accept被中断，如果Accept失败，可以重新Accept。bool Accept();// 获取客户端的ip地址。// 返回值：客户端的ip地址，如"192.168.1.100"。char *GetIP();// 接收客户端发送过来的数据。// buffer：接收数据缓冲区的地址，数据的长度存放在m_buflen成员变量中。// itimeout：等待数据的超时时间，单位：秒，缺省值是0-无限等待。// 返回值：true-成功；false-失败，失败有两种情况：1）等待超时，成员变量m_btimeout的值被设置为true；2）socket连接已不可用。bool Read(char *buffer,const int itimeout=0);// 向客户端发送数据。// buffer：待发送数据缓冲区的地址。// ibuflen：待发送数据的大小，单位：字节，缺省值为0，如果发送的是ascii字符串，ibuflen取0，如果是二进制流数据，ibuflen为二进制数据块的大小。// 返回值：true-成功；false-失败，如果失败，表示socket连接已不可用。bool Write(const char *buffer,const int ibuflen=0);// 关闭监听的socket，即m_listenfd，常用于多进程服务程序的子进程代码中。void CloseListen();// 关闭客户端的socket，即m_connfd，常用于多进程服务程序的父进程代码中。void CloseClient();~CTcpServer();  // 析构函数自动关闭socket，释放资源。
};

socket客户端封装为CTcpClient类

// socket通信的客户端类
class CTcpClient
{
public:int  m_sockfd;    // 客户端的socket.char m_ip[21];    // 服务端的ip地址。int  m_port;      // 与服务端通信的端口。bool m_btimeout;  // 调用Read和Write方法时，失败的原因是否是超时：true-超时，false-未超时。int  m_buflen;    // 调用Read方法后，接收到的报文的大小，单位：字节。CTcpClient();  // 构造函数。// 向服务端发起连接请求。// ip：服务端的ip地址。// port：服务端监听的端口。// 返回值：true-成功；false-失败。bool ConnectToServer(const char *ip,const int port);// 接收服务端发送过来的数据。// buffer：接收数据缓冲区的地址，数据的长度存放在m_buflen成员变量中。// itimeout：等待数据的超时时间，单位：秒，缺省值是0-无限等待。// 返回值：true-成功；false-失败，失败有两种情况：1）等待超时，成员变量m_btimeout的值被设置为true；2）socket连接已不可用。bool Read(char *buffer,const int itimeout=0);// 向服务端发送数据。// buffer：待发送数据缓冲区的地址。// ibuflen：待发送数据的大小，单位：字节，缺省值为0，如果发送的是ascii字符串，ibuflen取0，如果是二进制流数据，ibuflen为二进制数据块的大小。// 返回值：true-成功；false-失败，如果失败，表示socket连接已不可用。bool Write(const char *buffer,const int ibuflen=0);// 断开与服务端的连接void Close();~CTcpClient();  // 析构函数自动关闭socket，释放资源。
};

mpserver.cpp

  • mpserver.cpp

    /**  程序名：mpserver.cpp，此程序演示采用freecplus框架的CTcpServer类实现socket通信多进程的服务端。*  作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include "_freecplus.h"CLogFile logfile;       // 服务程序的运行日志。
CTcpServer TcpServer;   // 创建服务端对象。// 程序退出时调用的函数
void FathEXIT(int sig);   // 父进程退出函数。
void ChldEXIT(int sig);   // 子进程退出函数。int main(int argc,char *argv[])
{if (argc!=3){printf("Using:./mpserver port logfile\nExample:./mpserver 5005 /tmp/mpserver.log\n\n"); return -1;}// 关闭全部的信号for (int ii=0;ii<100;ii++) signal(ii,SIG_IGN);// 打开日志文件。if (logfile.Open(argv[2],"a+")==false) { printf("logfile.Open(%s) failed.\n",argv[2]); return -1;}// 设置信号,在shell状态下可用 "kill + 进程号" 正常终止些进程// 但请不要用 "kill -9 +进程号" 强行终止signal(SIGINT,FathEXIT); signal(SIGTERM,FathEXIT);if (TcpServer.InitServer(atoi(argv[1]))==false) // 初始化TcpServer的通信端口。{logfile.Write("TcpServer.InitServer(%s) failed.\n",argv[1]); FathEXIT(-1);}while (true){if (TcpServer.Accept()==false)   // 等待客户端连接。{logfile.Write("TcpServer.Accept() failed.\n"); continue;}if (fork()>0) { TcpServer.CloseClient(); continue; } // 父进程返回到循环首部。// 子进程重新设置退出信号。signal(SIGINT,ChldEXIT); signal(SIGTERM,ChldEXIT);TcpServer.CloseListen();// 以下是子进程，负责与客户端通信。logfile.Write("客户端(%s)已连接。\n",TcpServer.GetIP());char strbuffer[1024];  // 存放数据的缓冲区。while (true){memset(strbuffer,0,sizeof(strbuffer));if (TcpServer.Read(strbuffer,50)==false) break; // 接收客户端发过来的请求报文。logfile.Write("接收：%s\n",strbuffer);strcat(strbuffer,"ok");      // 在客户端的报文后加上"ok"。logfile.Write("发送：%s\n",strbuffer);if (TcpServer.Write(strbuffer)==false) break;     // 向客户端回应报文。}logfile.Write("客户端已断开。\n");    // 程序直接退出，析构函数会释放资源。ChldEXIT(-1);  // 通信完成后，子进程退出。}
}// 父进程退出时调用的函数
void FathEXIT(int sig)
{if (sig > 0){signal(sig,SIG_IGN); signal(SIGINT,SIG_IGN); signal(SIGTERM,SIG_IGN);logfile.Write("catching the signal(%d).\n",sig);}kill(0,15);  // 通知其它的子进程退出。logfile.Write("父进程退出。\n");// 编写善后代码（释放资源、提交或回滚事务）TcpServer.CloseClient();exit(0);
}// 子进程退出时调用的函数
void ChldEXIT(int sig)
{if (sig > 0){signal(sig,SIG_IGN); signal(SIGINT,SIG_IGN); signal(SIGTERM,SIG_IGN);}logfile.Write("子进程退出。\n");// 编写善后代码（释放资源、提交或回滚事务）TcpServer.CloseClient();exit(0);
}

  • 利用fork()函数创建子进程，父进程负责监听工作，子进程负责与客户端的连接

  • 父进程关闭connectfd，子进程关闭listenfd，避免占用系统资源

if (TcpServer.Accept() == false) // 等待客户端连接。
{logfile.Write("TcpServer.Accept() failed.\n");continue;
}if (fork() > 0)
{TcpServer.CloseClient();continue;
} // 父进程返回到循环首部。// 子进程重新设置退出信号。
signal(SIGINT, ChldEXIT);
signal(SIGTERM, ChldEXIT);TcpServer.CloseListen();

💡 考虑用sigaction()函数代替signal()函数进行优化

避免僵尸进程

在这里插入图片描述

  1. 忽略子进程的退出信号
  2. wait()函数阻塞式等待，影响主进程工作，可利用waitpid()函数实现无阻塞等待
// 关闭全部的信号
for (int ii = 0; ii < 100; ii++)
{signal(ii, SIG_IGN);
}

💡 关闭全部信号意味着同时忽略子进程的退出信号

多进程服务程序的退出和资源释放

  • 实际开发中在终端按Ctrl+C退出是不专业的
  • 用信号来通知和实现进程的退出
  • 一般而言父进程退出则子进程也退出，而子进程单独退出则不受影响
// 父进程退出时调用的函数
void FathEXIT(int sig)
{if (sig > 0){signal(sig,SIG_IGN); signal(SIGINT,SIG_IGN); signal(SIGTERM,SIG_IGN);logfile.Write("catching the signal(%d).\n",sig);}kill(0,15);  // 通知其它的子进程退出。logfile.Write("父进程退出。\n");// 编写善后代码（释放资源、提交或回滚事务）TcpServer.CloseClient();exit(0);
}// 子进程退出时调用的函数
void ChldEXIT(int sig)
{if (sig > 0){signal(sig,SIG_IGN); signal(SIGINT,SIG_IGN); signal(SIGTERM,SIG_IGN);}logfile.Write("子进程退出。\n");// 编写善后代码（释放资源、提交或回滚事务）TcpServer.CloseClient();exit(0);
}

TCP短连接与长连接

client与server建立连接进行通信，通信完成后释放连接，建立连接时需要3次握手，释放连接需要4次挥手，连接的建立和释放都需要时间，server还有创建新进程或线程的开销

短连接：

client/server间只进行一次或连续多次通信，通信完成后马上断开了。管理起来比较简单，不需要额外的控制手段

长连接：

client/serverl间需要多次通信，通信的频率和次数不确定，所以client和server需要保持这个连接

增加心跳机制

心跳机制是针对长连接而言的

如果client与server采用长连接，在连接空闲时，client每若干秒向server发送一个心跳报文，server也回复一个心跳报文，确认连接继续生效中
如果server在约定的时间内没有收到client的任何报文，则认为客户端已掉线，就主动断开连接，释放资源

在这里插入图片描述

💡 心跳报文建议在60秒以内，不要超过120秒
可以将心跳报文的发送放在子线程中

多线程网络服务端框架

mtserver_biz.cpp

  • mtserver_biz.cpp

    /**  程序名：mtserver_biz.cpp，此程序演示采用freecplus框架的CTcpServer类实现socket通信多线程的服务端。*  作者：C语言技术网(www.freecplus.net) 日期：20190525
*/
#include "_freecplus.h"void *pthmain(void *arg);  // 线程主函数。vector<long> vpthid;  // 存放线程id的容器。void mainexit(int sig);   // 信号2和15的处理函数。void pthmainexit(void *arg); // 线程清理函数。CLogFile logfile;       // 服务程序的运行日志。
CTcpServer TcpServer;   // 创建服务端对象。// 处理业务的主函数。
bool _main(const char *strrecvbuffer,char *strsendbuffer);// 心跳报文。
bool biz000(const char *strrecvbuffer,char *strsendbuffer);// 身份验证业务处理函数。
bool biz001(const char *strrecvbuffer,char *strsendbuffer);// 查询余客业务处理函数。
bool biz002(const char *strrecvbuffer,char *strsendbuffer);int main(int argc,char *argv[])
{if (argc!=3){printf("Using:./mtserver_biz port logfile\nExample:./mtserver_biz 5005 /tmp/mtserver_biz.log\n\n"); return -1;}// 关闭全部的信号for (int ii=0;ii<100;ii++) signal(ii,SIG_IGN);// 打开日志文件。if (logfile.Open(argv[2],"a+")==false) { printf("logfile.Open(%s) failed.\n",argv[2]); return -1;}// 设置信号,在shell状态下可用 "kill + 进程号" 正常终止些进程// 但请不要用 "kill -9 +进程号" 强行终止signal(SIGINT,mainexit); signal(SIGTERM,mainexit);if (TcpServer.InitServer(atoi(argv[1]))==false) // 初始化TcpServer的通信端口。{logfile.Write("TcpServer.InitServer(%s) failed.\n",argv[1]); return -1;}while (true){if (TcpServer.Accept()==false)   // 等待客户端连接。{logfile.Write("TcpServer.Accept() failed.\n"); continue;}logfile.Write("客户端(%s)已连接。\n",TcpServer.GetIP());pthread_t pthid;if (pthread_create(&pthid,NULL,pthmain,(void *)(long)TcpServer.m_connfd)!=0){ logfile.Write("pthread_create failed.\n"); return -1; }vpthid.push_back(pthid); // 把线程id保存到vpthid容器中。}return 0;
}void *pthmain(void *arg)
{pthread_cleanup_push(pthmainexit,arg);  // 设置线程清理函数。pthread_detach(pthread_self());  // 分离线程。pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DISABLE,NULL);  // 设置取消方式为立即取消。int sockfd=(int)(long)arg;  // 与客户端的socket连接。int  ibuflen=0;char strrecvbuffer[1024],strsendbuffer[1024];  // 存放数据的缓冲区。while (true){memset(strrecvbuffer,0,sizeof(strrecvbuffer));memset(strsendbuffer,0,sizeof(strsendbuffer));if (TcpRead(sockfd,strrecvbuffer,&ibuflen,50)==false) break; // 接收客户端发过来的请求报文。logfile.Write("接收：%s\n",strrecvbuffer);// 处理业务的主函数。if (_main(strrecvbuffer,strsendbuffer)==false) break;logfile.Write("发送：%s\n",strsendbuffer);if (TcpWrite(sockfd,strsendbuffer)==false) break;     // 向客户端回应报文。}pthread_cleanup_pop(1);pthread_exit(0);
}// 信号2和15的处理函数。
void mainexit(int sig)
{logfile.Write("mainexit begin.\n");// 关闭监听的socket。TcpServer.CloseListen();// 取消全部的线程。for (int ii=0;ii<vpthid.size();ii++){logfile.Write("cancel %ld\n",vpthid[ii]);pthread_cancel(vpthid[ii]);}logfile.Write("mainexit end.\n");exit(0);
}// 线程清理函数。
void pthmainexit(void *arg)
{logfile.Write("pthmainexit begin.\n");// 关闭与客户端的socket。close((int)(long)arg);// 从vpthid中删除本线程的id。for (int ii=0;ii<vpthid.size();ii++){if (vpthid[ii]==pthread_self()){vpthid.erase(vpthid.begin()+ii);}}logfile.Write("pthmainexit end.\n");
}bool _main(const char *strrecvbuffer,char *strsendbuffer)  // 处理业务的主函数。
{int ibizcode=-1;GetXMLBuffer(strrecvbuffer,"bizcode",&ibizcode);switch (ibizcode){case 0:  // 心跳biz000(strrecvbuffer,strsendbuffer); break;case 1:  // 身份验证。biz001(strrecvbuffer,strsendbuffer); break;case 2:  // 查询余额。biz002(strrecvbuffer,strsendbuffer); break;default:logfile.Write("非法报文：%s\n",strrecvbuffer); return false;}return true;
}// 身份验证业务处理函数。
bool biz001(const char *strrecvbuffer,char *strsendbuffer)
{char username[51],password[51];memset(username,0,sizeof(username));memset(password,0,sizeof(password));GetXMLBuffer(strrecvbuffer,"username",username,50);GetXMLBuffer(strrecvbuffer,"password",password,50);if ( (strcmp(username,"wucz")==0) && (strcmp(password,"p@ssw0rd")==0) )sprintf(strsendbuffer,"<retcode>0</retcode><message>成功。</message>");elsesprintf(strsendbuffer,"<retcode>-1</retcode><message>用户名或密码不正确。</message>");return true;
}// 查询余额业务处理函数。
bool biz002(const char *strrecvbuffer,char *strsendbuffer)
{char cardid[51];memset(cardid,0,sizeof(cardid));GetXMLBuffer(strrecvbuffer,"cardid",cardid,50);if (strcmp(cardid,"62620000000001")==0)sprintf(strsendbuffer,"<retcode>0</retcode><message>成功。</message><ye>100.50</ye>");elsesprintf(strsendbuffer,"<retcode>-1</retcode><message>卡号不存在。</message>");return true;
}// 心跳报文
bool biz000(const char *strrecvbuffer,char *strsendbuffer)
{sprintf(strsendbuffer,"<retcode>0</retcode><message>成功。</message>");return true;
}

💡 考虑用thread代替pthread实现多线程

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