Linux下各类TCP网络服务器的实现源代码

jlwrp

http://www.chinaunix.net
作者:
zhoulifa
  发表于：2006-10-11 19:47:57

大家都知道各类网络服务器程序的编写步骤，并且都知道网络服务器就两大类：循环服务和并发服务。这里附上源代码来个小结吧。
首先，循环网络服务器编程实现的步骤是这样的：
     

种服务器模型是典型循环服务，如果不加上多进程/线程技术，此种服务吞吐量有限，大家都可以看到，如果前一个连接服务数据没有收发完毕后面的连接没办法处理。所以一般有多进程技术，对一个新连接启用一个新进程去处理，而监听socket继续监听。
/************关于本文档********************************************
*filename: Linux下各类TCP网络服务器的实现源代码
*purpose: 记录Linux下各类tcp服务程序源代码
*wrote by: zhoulifa(zhoulifa@163.com) 周立发(http://zhoulifa.bokee.com)
Linux爱好者 Linux知识传播者 SOHO族 开发者 最擅长C语言
*date time:2006-07-04 22:00:00
*Note: 任何人可以任意复制代码并运用这些文档，当然包括你的商业用途
* 但请遵循GPL
*Hope:希望越来越多的人贡献自己的力量，为科学技术发展出力
*********************************************************************/
一个循环TCP服务源代码（因为用fork进行多进程服务了，所以这种服务现实中也有用）如下：

2. /*----------------------源代码开始--------------------------------------------*/
3. #include stdio.h>
4. #include stdlib.h>
5. #include errno.h>
6. #include string.h>
7. #include sys/types.h>
8. #include netinet/in.h>
9. #include sys/socket.h>
10. #include sys/wait.h>
11. /*********************************************************************
12. *filename: cycletcpserver.c
13. *purpose: 循环tcp服务端程序
14. *tidied by: zhoulifa(zhoulifa@163.com) 周立发(http://zhoulifa.bokee.com)
15. Linux爱好者 Linux知识传播者 SOHO族 开发者 最擅长C语言
16. *date time:2006-07-04 22:00:00
17. *Note: 任何人可以任意复制代码并运用这些文档，当然包括你的商业用途
18. * 但请遵循GPL
19. *Thanks to: Google.com
20. *********************************************************************/
21. int main(int argc, char ** argv)
22. {
23.     int sockfd,new_fd; /* 监听socket: sock_fd,数据传输socket: new_fd */
24.     struct sockaddr_in my_addr; /* 本机地址信息 */
25.     struct sockaddr_in their_addr; /* 客户地址信息 */
26.     unsigned int sin_size, myport, lisnum;
27.     if(argv[1]) myport = atoi(argv[1]);
28.     else myport = 7838;
29.     if(argv[2]) lisnum = atoi(argv[2]);
30.     else lisnum = 2;
31.     if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
32.         perror("socket");
33.         exit(1);
34.     }
35.     my_addr.sin_family=PF_INET;
36.     my_addr.sin_port=htons(myport);
37.     my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
38.     bzero(&(my_addr.sin_zero), 0);
39.     if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
40.         perror("bind");
41.         exit(1);
42.     }
43.     if (listen(sockfd, lisnum) == -1) {
44.         perror("listen");
45.         exit(1);
46.     }
47.     while(1) {
48.         sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
49.         if ((new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&their_addr, &sin_size)) == -1) {
50.             perror("accept");
51.             continue;
52.         }
53.         printf("server: got connection from %s\n",inet_ntoa(their_addr.sin_addr));
54.         if (!fork()) { /* 子进程代码段 */
55.             if (send(new_fd, "Hello, world!\n", 14, 0) == -1) {
56.                 perror("send");
57.                 close(new_fd);
58.                 exit(0);
59.             }
60.         }
61.         close(new_fd); /*父进程不再需要该socket*/
62.         waitpid(-1,NULL,WNOHANG);/*等待子进程结束，清除子进程所占用资源*/
63.     }
64. }
65. /*----------------------源代码结束--------------------------------------------*/

复制代码

一个测试客户端代码如下：
[CODE]
/*----------------------源代码开始--------------------------------------------*/
#include stdio.h>
#include stdlib.h>
#include errno.h>
#include string.h>
#include netdb.h>
#include sys/types.h>
#include netinet/in.h>
#include sys/socket.h>
#define MAXDATASIZE 100 /*每次最大数据传输量 */
/*********************************************************************
*filename: cycletcpclient.c
*purpose: 循环tcp客户端程序
*tidied by: zhoulifa(zhoulifa@163.com) 周立发(http://zhoulifa.bokee.com)
Linux爱好者 Linux知识传播者 SOHO族 开发者 最擅长C语言
*date time:2006-07-04 22:20:00
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*Thanks to: Google.com
*Hope:希望越来越多的人贡献自己的力量，为科学技术发展出力
*********************************************************************/
int main(int argc, char *argv[])
{
    int sockfd, numbytes;
    char buf[MAXDATASIZE];
    struct hostent *he;
    struct sockaddr_in their_addr;
    unsigned int myport;
    if(argv[2]) myport = atoi(argv[2]);
    else myport = 7838;
    if (argc != 3) {
        fprintf(stderr,"usage: %s hostname port\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    if((he=gethostbyname(argv[1]))==NULL) {
        herror("gethostbyname");
        exit(1);
    }
    if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
    their_addr.sin_family=PF_INET;
    their_addr.sin_port=htons(myport);
    their_addr.sin_addr = *((struct in_addr *)he->h_addr);
    bzero(&(their_addr.sin_zero),0);
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&their_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
        perror("connect");
        exit(1);
    }
    if ((numbytes=recv(sockfd, buf, MAXDATASIZE, 0)) == -1) {
        perror("recv");
        exit(1);
    }
    buf[numbytes] = 0;
    printf("Received: %s\n",buf);
    close(sockfd);
    return 0;
}
/*----------------------源代码结束--------------------------------------------*/
用gcc cycletcpserver.c -o tcpserver和gcc cycletcpclient.c -o tcpclient分别编译上述代码后运行情况如下：
服务端运行显示：
[email=administrator@ubuzlf:/data/example/c$]administrator@ubuzlf:/data/example/c$[/email]
./tcpserver
server: got connection from 127.0.0.1
server: got connection from 127.0.0.1
server: got connection from 127.0.0.1
客户端运行显示：
administrator@ubuzlf:/data/example/c$ ./tcpclient 127.0.0.1 7838
Received: Hello, world!
administrator@ubuzlf:/data/example/c$ ./tcpclient 127.0.0.1 7838
Received: Hello, world!
administrator@ubuzlf:/data/example/c$ ./tcpclient 127.0.0.1 7838
Received: Hello, world!



    不得不说的概念性问题：阻塞与非阻塞
    在阻塞服务中，当服务器运行到accept语句而没有客户连接服务请求到来，那么会发生什么情况? 这时服务器就会停止在accept语句上等待连接服务请求的到来；同样，当程序运行到接收数据语句recv时，如果没有数据可以读取，则程序同样会停止在接收语句上。这种情况称为阻塞(blocking)。
但如果你希望服务器仅仅注意检查是否有客户在等待连接，有就接受连接;否则就继续做其他事情，则可以通过将 socket设置为非阻塞方式来实现:非阻塞socket在没有客户在等待时就使accept调用立即返回 。
通过设置socket为非阻塞方式，可以实现“轮询”若干socket。当企图从一个没有数据等待处理的非阻塞socket读入数据时，函数将立即返回，并且返回值置为-1，并且errno置为EWOULDBLOCK。但是这种“轮询”会使CPU处于忙等待方式，从而降低性能。考虑到这种情况，假设你希望服务器监听连接服务请求的同时从已经建立的连接读取数据，你也许会想到用一个accept语句和多个recv()语句，但是由于accept及recv都是会阻塞的，所以这个想法显然不会成功。
调用非阻塞的socket会大大地浪费系统资源。而调用select()会有效地解决这个问题，它允许你把进程本身挂起来，而同时使系统内核监听所要求的一组文件描述符的任何活动，只要确认在任何被监控的文件描述符上出现活动，select()调用将返回指示该文件描述符已准备好的信息，从而实现了为进程选出随机的变化，而不必由进程本身对输入进行测试而浪费CPU开销。
其次，并发服务器，在上述cycletcpserver.c中，由于使用了fork技术也可以称之为并发服务器，但这种服务器并不是真正意义上的IO多路复用的并发服务器，并且由于没有处理阻塞问题，实际应用有各种各样的问题。
一个典型IO多路复用的单进程并发服务器流程如下：
/*IO多路复用并发服务流程图*/

下面是一个演示IO多路复用的源程序，是一个端口转发程序，但它的用处相当大，实际应用中的各类代理软件或端口映射软件都是基于这样的代码的，比如Windows下的WinGate、WinProxy等都是在此基础上实现的。源代码如下：

/*----------------------源代码开始--------------------------------------------*/
#include stdlib.h>
#include stdio.h>
#include unistd.h>
#include sys/time.h>
#include sys/types.h>
#include string.h>
#include signal.h>
#include sys/socket.h>
#include netinet/in.h>
#include arpa/inet.h>
#include errno.h>
static int forward_port;
#undef max
#define max(x,y) ((x) > (y) ? (x) : (y))
/*************************关于本文档************************************
*filename: tcpforwardport.c
*purpose: 演示了select的用法，这是一个极好的代理软件核心，专门作端口映射用
*tidied by: zhoulifa(zhoulifa@163.com) 周立发(http://zhoulifa.bokee.com)
Linux爱好者 Linux知识传播者 SOHO族 开发者 最擅长C语言
*date time:2006-07-05 19:00:00
*Note: 任何人可以任意复制代码并运用这些文档，当然包括你的商业用途
* 但请遵循GPL
*Thanks to: Paul Sheer 感谢Paul Sheer在select_tut的man手册里提供了这份源代码
*Hope:希望越来越多的人贡献自己的力量，为科学技术发展出力
*********************************************************************/
static int listen_socket (int listen_port) {
    struct sockaddr_in a;
    int s;
    int yes;
    if ((s = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0))  0) {
        perror ("socket");
        return -1;
    }
    yes = 1;
    if (setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *) &yes, sizeof (yes))  
0) {
        perror ("setsockopt");
        close (s);
        return -1;
    }
    memset (&a, 0, sizeof (a));
    a.sin_port = htons (listen_port);
    a.sin_family = AF_INET;
    if (bind(s, (struct sockaddr *) &a, sizeof (a))  0) {
        perror ("bind");
        close (s);
        return -1;
    }
    printf ("accepting connections on port %d\n", (int) listen_port);
    listen (s, 10);
    return s;
}
static int connect_socket (int connect_port, char *address) {
    struct sockaddr_in a;
    int s;
    if ((s = socket (AF_INET, SOCK_STREAM, 0))  0) {
        perror ("socket");
        close (s);
        return -1;
    }
    memset (&a, 0, sizeof (a));
    a.sin_port = htons (connect_port);
    a.sin_family = AF_INET;
    if (!inet_aton(address, (struct in_addr *) &a.sin_addr.s_addr)) {
        perror ("bad IP address format");
        close (s);
        return -1;
    }
    if (connect(s, (struct sockaddr *) &a, sizeof (a))  0) {
        perror ("connect()");
        shutdown (s, SHUT_RDWR);
        close (s);
        return -1;
    }
    return s;
}
#define SHUT_FD1 { \
    if (fd1 >= 0) { \
        shutdown (fd1, SHUT_RDWR); \
        close (fd1); \
        fd1 = -1; \
    } \
}
#define SHUT_FD2 { \
    if (fd2 >= 0) { \
        shutdown (fd2, SHUT_RDWR); \
        close (fd2); \
        fd2 = -1; \
    } \
}
#define BUF_SIZE 1024
int main (int argc, char **argv) {
    int h;
    int fd1 = -1, fd2 = -1;
    char buf1[BUF_SIZE], buf2[BUF_SIZE];
    int buf1_avail, buf1_written;
    int buf2_avail, buf2_written;
    if (argc != 4) {
        fprintf (stderr, "Usage\n\tfwd \n");
        exit (1);
    }
    signal (SIGPIPE, SIG_IGN);
    forward_port = atoi (argv[2]);
    /*建立监听socket*/
    h = listen_socket (atoi (argv[1]));
    if (h  0) exit (1);
    for (;;) {
        int r, nfds = 0;
        fd_set rd, wr, er;
        FD_ZERO (&rd);
        FD_ZERO (&wr);
        FD_ZERO (&er);
        FD_SET (h, &rd);
        /*把监听socket和可读socket三个一起放入select的可读句柄列表里*/
        nfds = max (nfds, h);
        if (fd1 > 0 && buf1_avail  BUF_SIZE) {
            FD_SET (fd1, &rd);
            nfds = max (nfds, fd1);
        }
        if (fd2 > 0 && buf2_avail  BUF_SIZE) {
            FD_SET (fd2, &rd);
            nfds = max (nfds, fd2);
        }
        /*把可写socket两个一起放入select的可写句柄列表里*/
        if (fd1 > 0 && buf2_avail - buf2_written > 0) {
            FD_SET (fd1, &wr);
            nfds = max (nfds, fd1);
        }
        if (fd2 > 0 && buf1_avail - buf1_written > 0) {
            FD_SET (fd2, &wr);
            nfds = max (nfds, fd2);
        }
        /*把有异常数据的socket两个一起放入select的异常句柄列表里*/
        if (fd1 > 0) {
            FD_SET (fd1, &er);
            nfds = max (nfds, fd1);
        }
        if (fd2 > 0) {
            FD_SET (fd2, &er);
            nfds = max (nfds, fd2);
        }
        /*开始select*/
        r = select (nfds + 1, &rd, &wr, &er, NULL);
        if (r == -1 && errno == EINTR) continue;
        if (r  0) {
            perror ("select()");
            exit (1);
        }
        /*处理新连接*/
        if (FD_ISSET (h, &rd)) {
            unsigned int l;
            struct sockaddr_in client_address;
            memset (&client_address, 0, l = sizeof (client_address));
            r = accept (h, (struct sockaddr *)&client_address, &l);
            if (r  0) {
                perror ("accept()");
            } else {
                /*关闭原有连接，把新连接作为fd1，同时连接新的目标fd2*/
                SHUT_FD1;
                SHUT_FD2;
                buf1_avail = buf1_written = 0;
                buf2_avail = buf2_written = 0;
                fd1 = r;
                fd2 = connect_socket (forward_port, argv[3]);
                if (fd2  0) {
                    SHUT_FD1;
                } else
                    printf ("connect from %s\n", inet_ntoa(client_address.sin_addr));
            }
        }
        /* NB: read oob data before normal reads */
        if (fd1 > 0)
        if (FD_ISSET (fd1, &er)) {
            char c;
            errno = 0;
            r = recv (fd1, &c, 1, MSG_OOB);
            if (r  1) {
                SHUT_FD1;
            } else
                send (fd2, &c, 1, MSG_OOB);
        }
        if (fd2 > 0)
        if (FD_ISSET (fd2, &er)) {
            char c;
            errno = 0;
            r = recv (fd2, &c, 1, MSG_OOB);
            if (r  1) {
                SHUT_FD1;
            } else
                send (fd1, &c, 1, MSG_OOB);
        }
        /* NB: read data from fd1 */
        if (fd1 > 0)
        if (FD_ISSET (fd1, &rd)) {
            r = read (fd1, buf1 + buf1_avail, BUF_SIZE - buf1_avail);
            if (r  1) {
                SHUT_FD1;
            } else
                buf1_avail += r;
        }
        /* NB: read data from fd2 */
        if (fd2 > 0)
        if (FD_ISSET (fd2, &rd)) {
            r = read (fd2, buf2 + buf2_avail, BUF_SIZE - buf2_avail);
            if (r  1) {
                SHUT_FD2;
            } else
                buf2_avail += r;
        }
        /* NB: write data to fd1 */
        if (fd1 > 0)
        if (FD_ISSET (fd1, &wr)) {
            r = write (fd1, buf2 + buf2_written, buf2_avail - buf2_written);
            if (r  1) {
                SHUT_FD1;
            } else
                buf2_written += r;
        }
        /* NB: write data to fd1 */
        if (fd2 > 0)
        if (FD_ISSET (fd2, &wr)) {
            r = write (fd2, buf1 + buf1_written, buf1_avail - buf1_written);
            if (r  1) {
                SHUT_FD2;
            } else
                buf1_written += r;
        }
        /* check if write data has caught read data */
        if (buf1_written == buf1_avail) buf1_written = buf1_avail = 0;
        if (buf2_written == buf2_avail) buf2_written = buf2_avail = 0;
        /* one side has closed the connection, keep writing to the other side until empty */
        if (fd1  0 && buf1_avail - buf1_written == 0) {
            SHUT_FD2;
        }
        if (fd2  0 && buf2_avail - buf2_written == 0) {
            SHUT_FD1;
        }
    }
    return 0;
}
/*----------------------源代码结束--------------------------------------------*/

用gcc tcpforwardport.c -o MyProxy编译此程序后运行效果如下：
./MyProxy 8000 80 172.16.100.218
accepting connections on port 8000
connect from 127.0.0.1
当有用户访问本机的8000端口时，MyProxy程序将把此请求转发到172.16.100.218主机的80端口，即实现了一个http代理。
关于select函数：
其函数原型为：
int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
此函数的功能是由内核检测在timeout时间内，是否有readfds，writefds，exceptfds三个句柄集(file descriptors)里的某个句柄（file descriptor)的状态符合寻求，即readfds句柄集里有句柄可读或writefds句柄集里有可写或exceptfds句柄集里有例外发生，任何一个有变化函数就立即返回，返回值为timeout发生状态变化的句柄个数。
n是所有readfds，writefds，exceptfds三个句柄集(file descriptors)里编号最大值加1。比如：要检测两个socket句柄fd1和fd2在timeout时间内是否分别可读和可写就可以这样：
先把两个句柄集(file descriptors)清零：
        FD_ZERO (&readfds);
        FD_ZERO (&writefds);
然后把fd1加入读检测集：
        FD_SET (fd1, &readfds);
然后把fd2加入写检测集：
        FD_SET (fd2, &writefds);
再给timeout设置值，timeout是这样的一个结构：
              struct timeval {
                  long    tv_sec;         /* seconds */
                  long    tv_usec;        /* microseconds */
              };
你可以这样赋值：
        timeout.tv_sec=1;
        timeout.tv_uec=0;
表示检测在1秒钟内是否有句柄状态发生变化。
如果有句柄发生变化，就可以用FD_ISSET检测各个句柄，比如：
                FD_ISSET (fd1, &readfds);//检测是否fd1变成可读的了
                FD_ISSET (fd2, &writefds);//检测是否fd2变成可写的了
示意程序代码如下：
/*----------------------示意代码开始--------------------------------------------*/
    fd1 = socket();//创建一个socket
    fd2 = socket();//创建一个socket
    while(1) {
        FD_ZERO (&readfds);
        FD_ZERO (&writefds);
        FD_SET (fd1, &readfds);
        FD_SET (fd2, &writefds);
        timeout.tv_sec=1;
        timeout.tv_uec=0;
        ret = select(fd1>fd2?(fd1+1):(fd2+1), &readfds, &writefds, NULL, &timeout);
        if(ret  0) {printf("系统错误，select出错，错误代码：%d, 错误信息：%s", errno, strerror(errno));}
        else if(ret == 0) {printf("select超时返回，没有任何句柄状态发生变化！");}
        //有句柄状态发生了变化
        if(FD_ISSET(fd1, &readfds)) {
            fd1有数据可读;
            fd1里的数据被读出来;
        }
        if(FD_ISSET(fd2, &writefds)) {
            fd2可写;
            fd2里发送数据给对方;
        }
    }
/*----------------------示意代码结束--------------------------------------------*/


本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u/4390/showart_205597.html