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socket程式設計(TCP、UDP)

Linux下的Socket程式設計大體上包括Tcp Socket、Udp Socket即Raw Socket這三種,其中TCP和UDP方式的Socket程式設計用於編寫應用層的socket程式,是我們用得比較多的,而Raw Socket則用得相對較少,不在本文介紹範圍之列。

TCP Socket

基於TCP協議的客戶端/伺服器程式的一般流程一般如下:

它基本上可以分為三個部分:

一、建立連線:

  1. 伺服器呼叫socket()bind()listen()完成初始化後,呼叫accept()阻塞等待,處於監聽埠的狀態
  2. 客戶端呼叫socket()初始化後,呼叫connect()發出SYN段並阻塞等待伺服器應答
  3. 伺服器應答一個SYN-ACK段,客戶端收到後從connect()返回,同時應答一個ACK段,伺服器收到後從accept()返回。

二、傳輸資料:

建立連線後,TCP協議提供全雙工的通訊管道,伺服器端和客戶端根據協議可以通過read和write的反覆呼叫實現資料的傳輸

三、關閉連線:

當資料傳輸已經完成後,伺服器和客戶端可以呼叫Close關閉連線,一端關閉連線後,另一端read函式則會返回0,可以根據這個特徵來感應另一端的退出。

下面就以一個簡單的EchoServer演示一下如何建立伺服器端和客戶端程式碼,其中和socket相關api都會高亮顯示。

伺服器端示例:

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>

    #define MAXLINE 80
    #define SERV_PORT 8000

    int main(void)
    {
        char buf[MAXLINE];

        int listenfd = 0;
        listenfd = 

socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

        sockaddr_in servaddr = {0};
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

        
bind(listenfd, (sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
        
listen(listenfd, 20);

        printf("Accepting connections ...\n");
        while (1) 
        {
            sockaddr_in cliaddr = {0};
            socklen_t cliaddr_len = sizeof(cliaddr);
            int connfd = 
accept(listenfd, (sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
     
            char str[INET_ADDRSTRLEN];
            printf("connected from %s at PORT %d\n",
                    inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
                    ntohs(cliaddr.sin_port));

            while(true)
            {
                int count = 
read(connfd, buf, MAXLINE);
                if (count == 0)
                    break;

                
write(connfd, buf, count);
            }

            
close(connfd);
            printf("closed from %s at PORT %d\n",
                    inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
                    ntohs(cliaddr.sin_port));
        }
    }

PS:這裡需要注意的一下的是sock函式的第二個引數SOCK_STREAM,它表示是一個TCP連線,後面我們會介紹通過傳入SOCK_DGRAM開啟udp連線。

伺服器端主體流程就是一個死迴圈,它接受一個socket連線,然後將其原封不動的返回給客戶端,待客戶端退出後,關閉socket連線,再次接受下一個socket連線。

客戶端程式碼如下:

    #include <stdio.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <netinet/in.h>

    #define MAXLINE 80
    #define SERV_PORT 8000
    #define MESSAGE "hello world"

    int main(int argc, char *argv[])
    {
        char buf[MAXLINE];

        int sockfd = 
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

        sockaddr_in servaddr = {0};
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

        if (0 != 
connect(sockfd, (sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)))
        {
            printf("connected failed");
            return 1;
        }

        
write(sockfd, MESSAGE, sizeof(MESSAGE));
        int count = 
read(sockfd, buf, MAXLINE);

        printf("Response from server: %s\n",buf);

        
close(sockfd);
        return 0;
    }

客戶端程式碼比較簡單,這裡就不多介紹了。

UDP Socket

典型的UDP客戶端/伺服器通訊過程如下圖所示:

由於UDP不需要維護連線,程式邏輯簡單了很多,但是UDP協議是不可靠的,實際上有很多保證通訊可靠性的機制需要在應用層實現,可能反而會需要更多程式碼。

典型的示例如下:

    /* server.cpp */
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>

    #define MAXLINE 80
    #define SERV_PORT 8000

    int main(void)
    {
        char buf[MAXLINE];
        char str[INET_ADDRSTRLEN];

        int sockfd = 
socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

        sockaddr_in servaddr = {0};
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

        
bind(sockfd, (sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));

        printf("Accepting connections ...\n");
        while (1)
        {
            sockaddr_in cliaddr;
            socklen_t cliaddr_len = sizeof(cliaddr);

            int count = 
recvfrom(sockfd, buf, MAXLINE, 0, (sockaddr *)&cliaddr, &cliaddr_len);
            if (count < 0)
            {
                printf("recvfrom error");
                continue;
            }

            printf("received from %s at PORT %d\n",
                 inet_ntop(AF_INET, &cliaddr.sin_addr, str, sizeof(str)),
                 ntohs(cliaddr.sin_port));

            
sendto(sockfd, buf, count, 0, (sockaddr *)&cliaddr, sizeof(cliaddr));
        }
    }

    /* client.cpp */
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>

    #define MAXLINE 80
    #define SERV_PORT 8000

    int main(int argc, char *argv[])
    {
        char buf[MAXLINE];
        char str[INET_ADDRSTRLEN];
     
        int sockfd = 
socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

        sockaddr_in servaddr = {0};
        servaddr.sin_family = AF_INET;
        inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
        servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);

        while (fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) 
        {
            int count = 
sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));
            if (count == -1)
            {
                printf("sendto error");
                return 0;
            }

            count = 
recvfrom(sockfd, buf, MAXLINE, 0, NULL, 0);
            if (count == -1)
            {
                printf("recvfrom error");
                return 0;
            }
     
            write(STDOUT_FILENO, buf, count);
        }

        close(sockfd);
        return 0;
    }