C/C++ Socket编程（四）

于 2019-09-30 10:08:12 发布
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分类专栏： C/C++ 网络编程
原文链接：http://c.biancheng.net/socket/
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Socket编程实现回声客户端

所谓“回声”，是指客户端向服务器发送一条数据，服务器再将数据原样返回给客户端。

下面实现 Windows 下的回声程序，Linux 下稍作修改即可。

server.cpp

#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll

#define BUF_SIZE 100

int main() {
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);

    SOCKET servSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //创建套接字
    
    sockaddr_in sockAddr;
    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充
    sockAddr.sin_family = PF_INET;  //使用IPv4地址
    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
    sockAddr.sin_port = htons(1234);  //端口
    bind(servSock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));  //绑定套接字
    
    listen(servSock, 20);  //进入监听状态

    SOCKADDR clntAddr;
    int nSize = sizeof(SOCKADDR);
    SOCKET clntSock = accept(servSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &nSize);  //接收客户端请求
    
    char buffer[BUF_SIZE];
    int strLen = recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0);  //接收客户端发来的数据
    send(clntSock, buffer, strLen, 0);  //将数据原样返回

    //关闭套接字
    closesocket(clntSock);
    closesocket(servSock);

    WSACleanup();  //终止 DLL 的使用

    return 0;
}

client.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll

#define BUF_SIZE 100

int main() {
    //初始化DLL
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);

    SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  //创建套接字

    sockaddr_in sockAddr;
    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充
    sockAddr.sin_family = PF_INET;
    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    sockAddr.sin_port = htons(1234);
    connect(sock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));  //向服务器发起连接请求

    char bufSend[BUF_SIZE] = {0};
    printf("Input a string: ");
    scanf("%s", bufSend);  //获取用户输入的字符串并发送给服务器
    send(sock, bufSend, strlen(bufSend), 0);
    char bufRecv[BUF_SIZE] = {0};
    recv(sock, bufRecv, BUF_SIZE, 0);  //接收服务器传回的数据
    printf("Message form server: %s\n", bufRecv);

    closesocket(sock);  //关闭套接字

    WSACleanup();  //终止使用 DLL

    system("pause");
    return 0;
}

先运行服务器端，再运行客户端，执行结果为：
Input a string: c-language java cpp
Message form server: c-language

scanf() 读取到空格时认为一个字符串输入结束，所以只能读取到“c-language”；如果不希望把空格作为字符串的结束符，可以使用 gets() 函数。

让服务器端持续监听客户端的请求

前面的程序，不管服务器端还是客户端，都有一个问题，就是处理完一个请求立即退出了，没有太大的实际意义。能不能像Web服务器那样一直接受客户端的请求呢？能，使用 while 循环即可。

修改前面的回声程序，使服务器端可以不断响应客户端的请求。

server.cpp

#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll

#define BUF_SIZE 100

int main() {
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);

    SOCKET servSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //创建套接字

    sockaddr_in sockAddr;
    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充
    sockAddr.sin_family = PF_INET;  //使用IPv4地址
    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
    sockAddr.sin_port = htons(1234);  //端口
    bind(servSock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));  //绑定套接字

    listen(servSock, 20);  //进入监听状态

    SOCKADDR clntAddr;
    int nSize = sizeof(SOCKADDR);
    char buffer[BUF_SIZE] = {0};
    while(1) {
        SOCKET clntSock = accept(servSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &nSize);  //接收客户端请求
        int strLen = recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0);  //接收客户端发来的数据
        send(clntSock, buffer, strLen, 0);  //将数据原样返回
        closesocket(clntSock);  //关闭套接字
        memset(buffer, 0, BUF_SIZE);  //重置缓冲区
    }

    closesocket(servSock);  //关闭套接字

    WSACleanup();  //终止 DLL 的使用

    return 0;
}

client.cpp

#include <stdio.h>
#include <WinSock2.h>
#include <windows.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll

#define BUF_SIZE 100

int main() {
    //初始化DLL
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);

    sockaddr_in sockAddr;
    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充
    sockAddr.sin_family = PF_INET;
    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    sockAddr.sin_port = htons(1234);
   
    char bufSend[BUF_SIZE] = {0};
    char bufRecv[BUF_SIZE] = {0};

    while(1) {
        SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  //创建套接字
        connect(sock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));  //向服务器发起请求
        printf("Input a string: ");
        gets(bufSend);  //获取用户输入的字符串并发送给服务器
        send(sock, bufSend, strlen(bufSend), 0);
        recv(sock, bufRecv, BUF_SIZE, 0);  //接收服务器传回的数据
        printf("Message form server: %s\n", bufRecv);
        memset(bufSend, 0, BUF_SIZE);  //重置缓冲区
        memset(bufRecv, 0, BUF_SIZE);  //重置缓冲区
        closesocket(sock);  //关闭套接字
    }

    WSACleanup();  //终止使用 DLL
    return 0;
}

在这里插入图片描述
while(1) 让代码进入死循环，除非用户关闭程序，否则服务端会一直监听客户端的请求。客户端也是一样，会不断向服务器发起连接。

需要注意的是，server.cpp 中调用 closesocket() 不仅会关闭服务器端的 socket，还会通知客户端连接已断开，客户端也会清理 socket 相关资源，所以 client.cpp 中需要将 socket() 放在 while 循环内部，因为每次请求完毕都会清理 socket，下次发起请求时需要重新创建。后续会进行详细讲解。

socket缓冲区以及阻塞模式
socket缓冲区

每个 socket 被创建后，都会分配两个缓冲区，输入缓冲区和输出缓冲区。

write()/send() 并不立即向网络中传输数据，而是先将数据写入缓冲区中，再由TCP协议将数据从缓冲区发送到目标机器。一旦将数据写入到缓冲区，函数就可以成功返回，不管它们有没有到达目标机器，也不管它们何时被发送到网络，这些都是TCP协议负责的事情。

TCP协议独立于 write()/send() 函数，数据有可能刚被写入缓冲区就发送到网络，也可能在缓冲区中不断积压，多次写入的数据被一次性发送到网络，这取决于当时的网络情况、当前线程是否空闲等诸多因素，不由程序员控制。

read()/recv() 函数也是如此，也从输入缓冲区中读取数据，而不是直接从网络中读取。

在这里插入图片描述
这些I/O缓冲区特性可整理如下：

  • I/O缓冲区在每个TCP套接字中单独存在；
  • I/O缓冲区在创建套接字时自动生成；
  • 即使关闭套接字也会继续传送输出缓冲区中遗留的数据；
  • 关闭套接字将丢失输入缓冲区中的数据。

输入输出缓冲区的默认大小一般都是8K，可以通过 getsockopt() 函数获取：
在这里插入图片描述
运行结果：Buffer length: 8192
这里仅给出示例，后面会详细讲解。

阻塞模式

对于TCP套接字（默认情况下），当使用 write()/send() 发送数据时：

  • 首先会检查输出缓冲区，如果输出缓冲区的可用空间长度小于要发送的数据，那么 write()/send() 会被阻塞（暂停执行），直到输出缓冲区中的数据被发送到目标机器，腾出足够的空间，才唤醒 write()/send() 函数继续写入数据。
  • 如果TCP协议正在向网络发送数据，那么输出缓冲区会被锁定，不允许写入，write()/send() 也会被阻塞，直到数据发送完毕缓冲区解锁，write()/send() 才会被唤醒。
  • 如果要写入的数据大于输出缓冲区的最大长度，那么将分批写入。
  • 直到所有数据被写入缓冲区 write()/send() 才能返回。

当使用 read()/recv() 读取数据时：

  • 首先会检查输入缓冲区，如果输入缓冲区中有数据，那么就读取，否则函数会被阻塞，直到网络上有数据到来。
  • 如果要读取的数据长度小于缓冲区中的数据长度，那么就不能一次性将缓冲区中的所有数据读出，剩余数据将不断积压，直到有 read()/recv() 函数再次读取。
  • 直到读取到数据后 read()/recv() 函数才会返回，否则就一直被阻塞。

这就是TCP套接字的阻塞模式。所谓阻塞，就是上一步动作没有完成，下一步动作将暂停，直到上一步动作完成后才能继续，以保持同步性。

TCP套接字默认情况下是阻塞模式，也是最常用的。当然也可以更改为非阻塞模式

TCP协议的粘包问题（数据的无边界性）

从socket缓冲区和数据的传递过程，可以看到数据的接收和发送是无关的，read()/recv() 函数不管数据发送了多少次，都会尽可能多的接收数据。也就是说，read()/recv() 和 write()/send() 的执行次数可能不同。

例如，write()/send() 重复执行三次，每次都发送字符串"abc"，那么目标机器上的 read()/recv() 可能分三次接收，每次都接收"abc"；也可能分两次接收，第一次接收"abcab"，第二次接收"cabc"；也可能一次就接收到字符串"abcabcabc"。

假设我们希望客户端每次发送一位学生的学号，让服务器端返回该学生的姓名、住址、成绩等信息，这时候可能就会出现问题，服务器端不能区分学生的学号。例如第一次发送 1，第二次发送 3，服务器可能当成 13 来处理，返回的信息显然是错误的。

这就是数据的“粘包”问题，客户端发送的多个数据包被当做一个数据包接收。也称数据的无边界性，read()/recv() 函数不知道数据包的开始或结束标志（实际上也没有任何开始或结束标志），只把它们当做连续的数据流来处理。

下面的代码演示了粘包问题，客户端连续三次向服务器端发送数据，服务器端却一次性接收到所有数据。

server.cpp

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll

#define BUF_SIZE 100

int main() {
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup( MAKEWORD(2, 2), &wsaData);

    SOCKET servSock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  //创建套接字

    sockaddr_in sockAddr;
    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充
    sockAddr.sin_family = PF_INET;  //使用IPv4地址
    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //具体的IP地址
    sockAddr.sin_port = htons(1234);  //端口
    bind(servSock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));  //绑定套接字

    listen(servSock, 20);  //进入监听状态

    SOCKADDR clntAddr;
    int nSize = sizeof(SOCKADDR);
    char buffer[BUF_SIZE] = {0};
    SOCKET clntSock = accept(servSock, (SOCKADDR*)&clntAddr, &nSize);  //接收客户端请求

    Sleep(10000);  //注意这里，让程序暂停10秒

    int recvLen = recv(clntSock, buffer, BUF_SIZE, 0);  //接收客户端发来的数据，并原样返回
    send(clntSock, buffer, recvLen, 0);

    //关闭套接字并终止DLL的使用
    closesocket(clntSock);
    closesocket(servSock);
    WSACleanup();

    return 0;
}

client.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <WinSock2.h>
#include <windows.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  //加载 ws2_32.dll

#define BUF_SIZE 100

int main() {
    //初始化DLL
    WSADATA wsaData;
    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);

    sockaddr_in sockAddr;
    memset(&sockAddr, 0, sizeof(sockAddr));  //每个字节都用0填充
    sockAddr.sin_family = PF_INET;
    sockAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    sockAddr.sin_port = htons(1234);

    SOCKET sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);  //创建套接字
    connect(sock, (SOCKADDR*)&sockAddr, sizeof(SOCKADDR));  //向服务器发起请求
    
    char bufSend[BUF_SIZE] = {0};
    printf("Input a string: ");
    gets(bufSend);  //获取用户输入的字符串并发送给服务器
    for(int i=0; i<3; i++){
        send(sock, bufSend, strlen(bufSend), 0);
    }
    char bufRecv[BUF_SIZE] = {0};
    recv(sock, bufRecv, BUF_SIZE, 0);  //接收服务器传回的数据
    printf("Message form server: %s\n", bufRecv);

    closesocket(sock);  //关闭套接字
    WSACleanup();  //终止使用 DLL

    system("pause");
    return 0;
}

先运行 server，再运行 client，并在10秒内输入字符串"abc"，再等数秒，服务器就会返回数据。运行结果如下：
Input a string: abc
Message form server: abcabcabc

本程序的关键是 server.cpp 的 Sleep(10000);，它让程序暂停执行10秒。在这段时间内，client 连续三次发送字符串"abc"，由于 server 被阻塞，数据只能堆积在缓冲区中，10秒后，server 开始运行，从缓冲区中一次性读出所有积压的数据，并返回给客户端。

另外还需要说明的是 client 执行到 recv() 函数，由于输入缓冲区中没有数据，所以会被阻塞，直到10秒后 server 传回数据才开始执行。用户看到的直观效果就是，client 暂停一段时间才输出 server 返回的结果。

client 的 send() 发送了三个数据包，而 server 的 recv() 却只接收到一个数据包，这很好的说明了数据的粘包问题。

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