Linux网络编程(四)——点对点聊天程序实现

╰半橙微兮° 2022-06-01 05:11 341阅读 0赞

# 目录 #

### 文章目录 ###

*  目录
 *  前言
 *  函数介绍
 *   *  \`setsockopt\`
     *  \`fork\`函数
     *   *  代码示例
 *  点对点聊天程序实现
 *   *  实现要点
     *  实现代码
 *  总结
 *  链接地址

# 前言 #

这篇文章记录了实现一个简易点对点聊天程序的过程，软件开发比较好的地方就是能够看到许多日常事务的本质，但也导致出去玩的时候会没有惊奇感，不过知道更多的未知的才会更有意思吧！

# 函数介绍 #

## `setsockopt` ##

服务器端尽可能使用`SO_REUSEADDR`。  
在绑定之前尽可能调用`setsockopt`来设置`SO_REUSEADDR`套接字选项。  
使用`SO_REUSEADDR`选项可以使得不必等待`TIME_WAIT`状态消失就可以重启服务器。

// 功能：获取或者设置与某个套接字关联的选项。选项可能存在于多层协议中，它们总会出现在最上面的套接字层。当操作套接字选项时,选项位于的层和选项的名称必须给出。为了操作套接字层的选项,应该将层的值指定为SOL_SOCKET。为了操作其他层的选项,控制选项的合适协议号必须给出。例如,为了表示一个选项由TCP协议解析,层应该设定为协议号TCP.
    #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
    #include <sys/socket.h>
    
    int getsockopt(int sockfd, int level, int optname,
                   void *optval, socklen_t *optlen);
    int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,
                   const void *optval, socklen_t optlen); 
    参数1：sockfd 标识一个套接口的描述字
    参数2：level 选项定义的层次; 支持SOL_SOCKET IPPROTO_TCP IPPROTO_IP IPPROTO_IPV6
    参数3：optname 需设置的选项
    参数4：optval 指针 指向存放选项待设置的新值的缓冲区
    参数5：optlen optval缓冲区长度
    返回值：若无错误发生,setsockopt()返回0.否则的话,返回SOCKET_ERROR(-1)。
    
    当level为SOL_SOCKET时，比较常用的设置选项如下：
    1. SO_RCVBUF和SO_SNDBUF:用于设置/读取发送缓冲区(SO_RCVBUF)和接收缓冲区大小(SO_SNDBUF),选项值类型：int,指定新的缓冲区大小,对setsockopt和getsockopt有效。
    说明：设置缓冲区大小只能在TCP连接建立之前进行,TCP将接收缓冲区大小用于流量控制,UDP不提供流量控制,UDP没有实际的发送缓冲区,设置发送缓冲区的大小将改变能发送的最大UDP数据报的大小。使用如下：
    int rcv_buf_size = 32*1024, snd_buf_size = 32*1024;  
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &rcv_buf_size, sizeof(int));  
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &SND_buf_size, sizeof(int));
    
    2. SO_REUSEADDR:用于复用socket地址(端口号),选项值类型:int 0-不能复用 1-可以复用,默认值为0,对setsockopt和getsockopt有效。
    复用地址一般用于下列情况:
    	a.快速启动服务器：服务器在有客户端连接时终止,然后立即重启,由于TIME_WAIT状态,会导致原来的socket依然存在,bind操作将失败,如果指定SO_RUSEADDR选项可以避免这个问题。
    	b.启动一个服务器程序的多个实例：当使用IP别名的时候,可以将若干个服务程序使用不同IP绑定到同一端口上。
    	c.多个socket绑定同一端口:用于UDP程序在有多个网络接口时,为了区分数据报来自哪一个网络接口而使用。
    举例：
        int on = 1;
        if(setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)                           
        {
            ERR_EXIT("setsockopt");
        }
    3. SO_KEEPALIVE:用于TCPsocket检测/保持网络连接,这个选项被设置后,2小时以内双方没有数据交互,将发送一个探测数据段到对方,此时可能出现以下情况:
    	a. 得到对方正确响应,继续等待下一次2小时超时;
    	b. 收到RST数据段 返回错误ECONNRESET
    	c. 对方无响应 多次发送探测数据段直到超时返回错误ETIMEOUT
    	d. 选项值类型 int 0-不能发送 1-可以发送 默认值为0 对setsockopt和getsockopt有效

## `fork`函数 ##

一个进程，包括代码、数据和分配给进程的资源。`fork()`函数通过系统调用创建一个原来进程几乎完全相同的进程，也就是两个进程可以做完全相同的事，但如果初始参数或者传入的变量不同，两个进程也可以做不同的事。一个进程调用`fork()`函数后，系统先给新的进程分配资源，例如存储数据和代码的空间。

### 代码示例 ###

#include <stdio.h>                                                                                    
    #include <unistd.h>
    #include <signal.h>
    #include <errno.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    
    #define ERR_EXIT(m) \
            do  \
            {   \
                perror(m);      \
                exit(EXIT_FAILURE); \
            }while(0)
    
    
    void handler(int sig)
    {
        printf("recv a sig=%d\n", sig);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    
    int main(void)
    {
        int count = 0;
        pid_t pid;
        pid = fork();
        if(-1 == pid)
        {
            ERR_EXIT("fork");
        }
    
        if(0 == pid)
        {
            signal(SIGUSR1, handler);
            printf("this is child process %d\n", getpid());
            count++;
        }
        else
        {
            printf("this is father process %d\n", getpid());
            count++;
        }
        printf("count=%d\n", count);
    
        return 0;
    }
    // 结果输出：
    this is father process 12842
    count=1
    this is child process 12843
    count=1

在语句`pid = fork();`之前，只有一个进程在执行这段代码，但在这条语句之后，就变成两个进程在执行了，这两个进程几乎完全相同，我们可以根据`fork()`的返回值来在两个进程中执行不同的任务。fork调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次，却能够返回两次，它可能有三种不同的返回值：

1.  在父进程中，`fork`返回新创建子进程的进程`ID`；
2.  在子进程中，`fork`返回0；
3.  如果出现错误，`fork`返回一个负值。

所以，在fork之后，count变量分别存在于子进程和父进程中，互不干扰。

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在`fork`函数执行完毕后，如果创建进程成功，则出现两个进程，一个是子进程，一个是父进程。在子进程中，`fork`函数返回0；在父进程中，`fork`返回子进程的进程`ID`。我们可以通过`fork`返回的值来判断当前进程是子进程还是父进程。  
其实就相当于链表，父进程返回的`pid`指向子进程的进程`id`，因为子进程没有子进程，所以其`pid`为0。  
`fork`出错可能有两种原因：

1.  当前的进程已经达到了系统规定的上限，这是`errno`的值被设置为`EAGAIN`。
2.  系统内存不足，这是`errno`的值被设置为`ENOMEM`。  
    创建新进程成功后，系统中出现两个基本完全相同的进程，这两个进程执行没有固定的先后顺序，哪个进程先执行要看系统的进程调度策略。  
    每个进程都有一个独特(互不相同)的进程标识符(`Process ID`)，可以通过`getpid()`函数获得，还有一个记录父进程`pid`的变量，可以通过`getppid()`函数获得变量的值。

--------------------

更为详细的参考[linux中fork（）函数详解][linux_fork]，这篇博客总结的非常好！

# 点对点聊天程序实现 #

## 实现要点 ##

*  客户端  
    客户端分为两个进程：一个进程用于接收服务器进程发送过来的数据；另一个进程用于接收服务器进程发送过来的数据
 *  服务器  
    服务器分为两个进程：一个进程用于接收客户端进程发送过来的数据；另一个进程用于接收客户端进程发送过来的数据

## 实现代码 ##

*  p2pcli.c

*  p2psvr.c

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    
    #include <sys/types.h>          /* See NOTES */
    #include <sys/socket.h>
    #include <signal.h>
    
    #include <netinet/in.h>
    #include <arpa/inet.h>
    
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    #include <errno.h>
    
    #define ERR_EXIT(m)	\
    		do	\
    		{	\
    			perror(m);		\
    			exit(EXIT_FAILURE);	\
    		}while(0)
    
    void handler(int sig)
    {
    	printf("recv a sig=%d\n", sig);
    	exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    /********
    1.问题：不能处理多个客户端连接服务器
     ********/
    int main(void)
    {
    	int listenfd;
    	listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
    //	listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    	if(listenfd <0)
    		ERR_EXIT("socket");
    	
    	struct sockaddr_in servaddr;
    	memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    	servaddr.sin_family = AF_INET;
    	servaddr.sin_port = htons(5188);
    	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);		// 绑定本机的任意地址 网络字节序
    //	servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
    //	inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);
    
    // 没有这个会出现bind: Address already in use
    #if 1
    	int on = 1;
    	if(setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)
    	{
    		ERR_EXIT("setsockopt");
    	}
    #endif
    
    	if(bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
    	{
    		ERR_EXIT("bind");
    	}
    	
    	if(listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0)
    	{
    		ERR_EXIT("listen");
    	}
    	
    	struct sockaddr_in peeraddr;
    	socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr);
    	int conn;
    	// 原因在于服务器端无法接收第二个客户端的连接请求，第一次请求之后就直接进入了和第一个客户端响应的程序中
    	if((conn = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&peeraddr, &peerlen)) < 0)	// conn表示已连接套接字
    	{
    		ERR_EXIT("accept");
    	}
    	
    	printf("ip=%s, port=%d\n", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port));
    	
    	pid_t pid;
    	pid = fork();
    	if(-1 == pid)
    	{
    		ERR_EXIT("fork");
    	}
    	
    	if(0 == pid)
    	{
    		// 通知子进程关闭
    		signal(SIGUSR1, handler);
    		char sendBuf[1024] = {0};
    		while(fgets(sendBuf, sizeof(sendBuf), stdin) != NULL)
    		{
    			write(conn, sendBuf, strlen(sendBuf));
    			memset(sendBuf, 0, sizeof(sendBuf));
    		}
    		exit(EXIT_SUCCESS);
    	}
    	else
    	{
    		char recvBuf[1024];
    		while(1)
    		{
    			memset(recvBuf, 0, sizeof(recvBuf));
    			int ret = read(conn, recvBuf, sizeof(recvBuf));
    			if(-1 == ret)
    			{
    				ERR_EXIT("read");
    			}
    			else if(0 == ret)
    			{
    				printf("peer close\n");
    				break;
    			}
    			fputs(recvBuf, stdout);		
    		}
    		kill(pid ,SIGUSR1);
    		exit(EXIT_SUCCESS);
    	}
    
    	close(conn);
    	close(listenfd);
    	
    	return 0;
    }

# 总结 #

所有的学习都贵在坚持！！！

# 链接地址 #

[setsockopt()函数功能介绍][setsockopt]  
[setsockopt和getsockopt函数解析][setsockopt_getsockopt]  
[linux中fork（）函数详解][linux_fork]

[linux_fork]: https://www.cnblogs.com/dongguolei/p/8086346.html
[setsockopt]: https://www.cnblogs.com/eeexu123/p/5275783.html
[setsockopt_getsockopt]: http://blog.csdn.net/diaolingle/article/details/51122673