C語言之網路程式設計（伺服器和客戶端）
1、 套接字：源IP地址和目的IP地址以及源埠號和目的埠號的組合稱為套接字。其用於標識客戶端請求的伺服器和服務。
常用的TCP/IP協議的3種套接字型別如下所示。
（1）流套接字（SOCK_STREAM）：
流套接字用於提供面向連線、可靠的資料傳輸服務。該服務將保證資料能夠實現無差錯、無重複傳送，並按順序接收。流套接字之所以能夠實現可靠的資料服務，原因在於其使用了傳輸控制協議，即TCP（The Transmission ControlProtocol）協議。
（2） 資料報套接字（SOCK_DGRAM）：
資料報套接字提供了一種無連線的服務。該服務並不能保證資料傳輸的可靠性，資料有可能在傳輸過程中丟失或出現數據重複，且無法保證順序地接收到資料。資料報套接字使用UDP（User
Datagram Protocol）協議
（3） 原始套接字（SOCK_RAW）：（一般不用這個套接字）
原始套接字(SOCKET_RAW)允許對較低層次的協議直接訪問，比如IP、 ICMP協議，它常用於檢驗新的協議實現，或者訪問現有服務中配置的新裝置，因為RAW SOCKET可以自如地控制Windows下的多種協議，能夠對網路底層的傳輸機制進行控制，所以可以應用原始套接字來操縱網路層和傳輸層應用。比如，我們可以通過RAW SOCKET來接收發向本機的ICMP、IGMP協議包，或者接收TCP/IP棧不能夠處理的IP包，也可以用來發送一些自定包頭或自定協議的IP包。網路監聽技術很大程度上依賴於SOCKET_RAW
2、 套接字基本函式：
（1） 建立套接字：int socket(int family, int type, intprotocol);
功能介紹：
在Linux作業系統中，一切皆檔案，這個大家都知道，個人理解建立socket的過程其實就是一個獲得檔案描述符的過程，當然這個過程會是比較複雜的。可以從核心中找到建立socket的程式碼，並且socket的建立和其他的listen，bind等操作分離開來。socket函式完成正確的操作是返回值大於0的檔案描述符，當返回小於0的值時，操作錯誤。同樣是返回一個檔案描述符，但是會因為三個引數組合不同，對於資料具體的工作流程不同，對於應用層程式設計來說，這些也是不可見的。
引數說明：
從socket建立的函式可以看出，socket有三個引數，family代表一個協議族，比較熟知的就是AF_INET，PF_PACKET等；第二個引數是協議型別，常見型別是SOCK_STREAM,SOCK_DGRAM, SOCK_RAW, SOCK_PACKET等；第三個引數是具體的協議，對於標準套接字來說，其值是0，對於原始套接字來說就是具體的協議值。
（2） 套接字繫結函式： intbind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen);
功能介紹：
bind函式主要應用於伺服器模式一端，其主要的功能是將addrlen長度 structsockaddr型別的myaddr地址與sockfd檔案描述符繫結到一起，在sockaddr中主要包含伺服器端的協議族型別，網路地址和埠號等。在客戶端模式中不需要使用bind函式。當bind函式返回0時，為正確繫結，返回-1，則為繫結失敗。
引數說明：
bind函式的第一個引數sockfd是在建立socket套接字時返回的檔案描述符。
bind函式的第二個引數是structsockaddr型別的資料結構，由於structsockaddr資料結構型別不方便設定，所以通常會通過對tructsockaddr_in進行地質結構設定，然後進行強制型別轉換成structsockaddr型別的資料，
（3） 監聽函式：int listen(int sockfd, int backlog);
功能介紹：
剛開始理解listen函式會有一個誤區，就是認為其操作是在等在一個新的connect的到來，其實不是這樣的，真正等待connect的是accept操作，listen的操作就是當有較多的client發起connect時，server端不能及時的處理已經建立的連線，這時就會將connect連線放在等待佇列中快取起來。這個等待佇列的長度有listen中的backlog引數來設定。listen和accept函式是伺服器模式特有的函式，客戶端不需要這個函式。當listen執行成功時，返回0；執行失敗時，返回值位-1.
引數說明：
sockfd是前面socket建立的檔案描述符;backlog是指server端可以快取連線的最大個數，也就是等待佇列的長度。
（4） 請求接收函式： int accept(int sockfd, structsockaddr *client_addr, socklen_t *len);
功能介紹：
接受函式accept其實並不是真正的接受，而是客戶端向伺服器端監聽埠發起的連線。對於TCP來說，accept從阻塞狀態返回的時候，已經完成了三次握手的操作。Accept其實是取了一個已經處於connected狀態的連線，然後把對方的協議族，網路地址以及埠都存在了client_addr中，返回一個用於操作的新的檔案描述符，該檔案描述符表示客戶端與伺服器端的連線，通過對該檔案描述符操作，可以向client端傳送和接收資料。同時之前socket建立的sockfd，則繼續監聽有沒有新的連線到達本地埠。返回大於0的檔案描述符則表示accept成功，否則失敗。
引數說明：
sockfd是socket建立的檔案描述符；client_addr是本地伺服器端的一個structsockaddr型別的變數，用於存放新連線的協議族，網路地址以及埠號等；第三個引數len是第二個引數所指內容的長度，對於TCP來說其值可以用sizeof(structsockaddr_in)來計算大小，說要說明的是accept的第三個引數要是指標的形式，因為這個值是要傳給協議棧使用的。
（5）客戶端請求連線函式： intconnect(int sock_fd, struct sockaddr *serv_addr,int addrlen);
功能介紹：
連線函式connect是屬於client端的操作函式，其目的是向伺服器端傳送連線請求，這也是從客戶端發起TCP三次握手請求的開始，伺服器端的協議族，網路地址以及埠都會填充到connect函式的serv_addr地址當中。當connect返回0時說明已經connect成功，返回值是-1時，表示connect失敗。
引數說明：
connect的第一個引數是socket建立的檔案描述符；第二個引數是一個structsockaddr型別的指標，這個引數中設定的是要連線的目標伺服器的協議族，網路地址以及埠號；第三個引數表示第二個引數內容的大小，與accept不同，這個值不是一個指標。
在伺服器端和客戶端建立連線之後是進行資料間的傳送和接收，主要使用的接收函式是recv和read，傳送函式是send和write。因為對於socket套接字來說，最終實際操作的是檔案描述符，所以可以使用對檔案進行操作的接收和傳送函式對socket套接字進行操作。read和write函式是檔案程式設計裡的知識，所以這裡不再做多與的贅述。
3、 有了以上的知識，那麼我們就可以編寫一個簡單的伺服器和客戶端了
（1） 簡易伺服器：這個伺服器只能與一個客戶端相連線，如果有多個客戶端就不能用這個伺服器進行連線。
程式碼：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#define PORT 9990 //埠號
#define SIZE 1024 //定義的陣列大小
int Creat_socket() //建立套接字和初始化以及監聽函式
{
int listen_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //建立一個負責監聽的套接字
if(listen_socket == -1)
{
perror("socket");
return -1;
}
struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET; /* Internet地址族 */
addr.sin_port = htons(PORT); /* 埠號 */
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* IP地址 */
int ret = bind(listen_socket, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)); //連線
if(ret == -1)
{
perror("bind");
return -1;
}
ret = listen(listen_socket, 5); //監聽
if(ret == -1)
{
perror("listen");
return -1;
}
return listen_socket;
}
int wait_client(int listen_socket)
{
struct sockaddr_in cliaddr;
int addrlen = sizeof(cliaddr);
printf("等待客戶端連線。。。。\n");
int client_socket = accept(listen_socket, (struct sockaddr *)&cliaddr, &addrlen); //建立一個和客戶端交流的套接字
if(client_socket == -1)
{
perror("accept");
return -1;
}
printf("成功接收到一個客戶端：%s\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr));
return client_socket;
}
void hanld_client(int listen_socket, int client_socket) //資訊處理函式,功能是將客戶端傳過來的小寫字母轉化為大寫字母
{
char buf[SIZE];
while(1)
{
int ret = read(client_socket, buf, SIZE-1);
if(ret == -1)
{
perror("read");
break;
}
if(ret == 0)
{
break;
}
buf[ret] = '\0';
int i;
for(i = 0; i < ret; i++)
{
buf[i] = buf[i] + 'A' - 'a';
}
printf("%s\n", buf);
write(client_socket, buf, ret);
if(strncmp(buf, "end", 3) == 0)
{
break;
}
}
close(client_socket);
}
int main()
{
int listen_socket = Creat_socket();
int client_socket = wait_client(listen_socket);
hanld_client(listen_socket, client_socket);
close(listen_socket);
return 0;
}
（2） 多程序併發伺服器：該伺服器就完全彌補了上一個伺服器的不足，可以同時處理多個客戶端，只要有客戶端來連線它，他就能響應。在我們這個伺服器中，父程序主要負責監聽，所以在父程序一開始就要把父程序的接收函式關閉掉，防止父程序在接收函式處阻塞，導致子程序不能建立成功。同理，子程序主要負責接收客戶端，並做相關處理，所以子程序在一建立就要把監聽函式關閉，不然會導致伺服器功能的紊亂。這個伺服器有一個特別要注意的是，子程序在退出時會產生殭屍程序，所以我們一定要對子程序退出後進行處理。
程式碼：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#define PORT 9990
#define SIZE 1024
int Creat_socket() //建立套接字和初始化以及監聽函式
{
int listen_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //建立一個負責監聽的套接字
if(listen_socket == -1)
{
perror("socket");
return -1;
}
struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET; /* Internet地址族 */
addr.sin_port = htons(PORT); /* 埠號 */
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* IP地址 */
int ret = bind(listen_socket, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)); //連線
if(ret == -1)
{
perror("bind");
return -1;
}
ret = listen(listen_socket, 5); //監聽
if(ret == -1)
{
perror("listen");
return -1;
}
return listen_socket;
}
int wait_client(int listen_socket)
{
struct sockaddr_in cliaddr;
int addrlen = sizeof(cliaddr);
printf("等待客戶端連線。。。。\n");
int client_socket = accept(listen_socket, (struct sockaddr *)&cliaddr, &addrlen); //建立一個和客戶端交流的套接字
if(client_socket == -1)
{
perror("accept");
return -1;
}
printf("成功接收到一個客戶端：%s\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr));
return client_socket;
}
void hanld_client(int listen_socket, int client_socket) //資訊處理函式,功能是將客戶端傳過來的小寫字母轉化為大寫字母
{
char buf[SIZE];
while(1)
{
int ret = read(client_socket, buf, SIZE-1);
if(ret == -1)
{
perror("read");
break;
}
if(ret == 0)
{
break;
}
buf[ret] = '\0';
int i;
for(i = 0; i < ret; i++)
{
buf[i] = buf[i] + 'A' - 'a';
}
printf("%s\n", buf);
write(client_socket, buf, ret);
if(strncmp(buf, "end", 3) == 0)
{
break;
}
}
close(client_socket);
}
void handler(int sig)
{
while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0)
{
printf ("成功處理一個子程序的退出\n");
}
}
int main()
{
int listen_socket = Creat_socket();
signal(SIGCHLD, handler); //處理子程序，防止殭屍程序的產生
while(1)
{
int client_socket = wait_client(listen_socket); //多程序伺服器，可以建立子程序來處理，父程序負責監聽。
int pid = fork();
if(pid == -1)
{
perror("fork");
break;
}
if(pid > 0)
{
close(client_socket);
continue;
}
if(pid == 0)
{
close(listen_socket);
hanld_client(listen_socket, client_socket);
break;
}
}
close(listen_socket);
return 0;
}
（3） 多執行緒併發伺服器：上一個多程序伺服器有一個缺點，就是每當一個子程序得到響應的時候，都要複製父程序的一切資訊，這樣就導致了CPU資源的浪費，當客戶端有很多來連線這個伺服器的時候，就會產生很多的子程序，會導致伺服器的響應變得很慢。所以我們就想到了多執行緒併發伺服器，我們知道執行緒的速度是程序的30倍左右，所以我們就用執行緒來做伺服器。
程式碼：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
#define PORT 9990
#define SIZE 1024
int Creat_socket() //建立套接字和初始化以及監聽函式
{
int listen_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //建立一個負責監聽的套接字
if(listen_socket == -1)
{
perror("socket");
return -1;
}
struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET; /* Internet地址族 */
addr.sin_port = htons(PORT); /* 埠號 */
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* IP地址 */
int ret = bind(listen_socket, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)); //連線
if(ret == -1)
{
perror("bind");
return -1;
}
ret = listen(listen_socket, 5); //監聽
if(ret == -1)
{
perror("listen");
return -1;
}
return listen_socket;
}
int wait_client(int listen_socket)
{
struct sockaddr_in cliaddr;
int addrlen = sizeof(cliaddr);
printf("等待客戶端連線。。。。\n");
int client_socket = accept(listen_socket, (struct sockaddr *)&cliaddr, &addrlen); //建立一個和客戶端交流的套接字
if(client_socket == -1)
{
perror("accept");
return -1;
}
printf("成功接收到一個客戶端：%s\n", inet_ntoa(cliaddr.sin_addr));
return client_socket;
}
void hanld_client(int listen_socket, int client_socket) //資訊處理函式,功能是將客戶端傳過來的小寫字母轉化為大寫字母
{
char buf[SIZE];
while(1)
{
int ret = read(client_socket, buf, SIZE-1);
if(ret == -1)
{
perror("read");
break;
}
if(ret == 0)
{
break;
}
buf[ret] = '\0';
int i;
for(i = 0; i < ret; i++)
{
buf[i] = buf[i] + 'A' - 'a';
}
printf("%s\n", buf);
write(client_socket, buf, ret);
if(strncmp(buf, "end", 3) == 0)
{
break;
}
}
close(client_socket);
}
int main()
{
int listen_socket = Creat_socket();
while(1)
{
int client_socket = wait_client(listen_socket);
pthread_t id;
pthread_create(&id, NULL, hanld_client, (void *)client_socket); //建立一個執行緒，來處理客戶端。
pthread_detach(id); //把執行緒分離出去。
}
close(listen_socket);
return 0;
}
（4）客戶端：客戶端相對於伺服器來說就簡單多了，客戶端只需要建立和伺服器相連線的套接字，然後對其初始化，然後再進行連線就可以了，連線上伺服器就可以傳送你想傳送的資料了。
程式碼:
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#define PORT 9990
#define SIZE 1024
int main()
{
int client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); //建立和伺服器連線套接字
if(client_socket == -1)
{
perror("socket");
return -1;
}
struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET; /* Internet地址族 */
addr.sin_port = htons(PORT); /* 埠號 */
addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); /* IP地址 */
inet_aton("127.0.0.1", &(addr.sin_addr));
int addrlen = sizeof(addr);
int listen_socket = connect(client_socket, (struct sockaddr *)&addr, addrlen); //連線伺服器
if(listen_socket == -1)
{
perror("connect");
return -1;
}
printf("成功連線到一個伺服器\n");
char buf[SIZE] = {0};
while(1) //向伺服器傳送資料，並接收伺服器轉換後的大寫字母
{
printf("請輸入你相輸入的：");
scanf("%s", buf);
write(client_socket, buf, strlen(buf));
int ret = read(client_socket, buf, strlen(buf));
printf("buf = %s", buf);
printf("\n");
if(strncmp(buf, "END", 3) == 0) //當輸入END時客戶端退出
{
break;
}
}
close(listen_socket);
return 0;
}
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