【Linux网络】各版本TCP服务器构建 - 从理解到实现
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文章目录
- 🏳️🌈一、TcpServer.cpp
- 🏳️🌈二、TcpServer.hpp
- 2.1 枚举错误情况
- 2.2 基本结构
- 2.3 构造函数、析构函数
- 2.4 初始化方法
- 2.5 循环监听
- 2.5.1 server 0 - 单执行流版本
- 2.5.2 server 1 - 多进程版本
- 2.5.3 server 2 - 多线程版本
- 2.5.4 server 3 - 内存池
- 🏳️🌈三、TcpClient.cpp
- 👥总结
前面几篇文章中使用UDP协议实现了相关功能 ，这篇使用TCP协议实现客户端与服务端的通信
相比与UDP协议，TCP协议更加可靠，也更加复杂！与UDP类似，我们先写主函数，然后实现相关函数！
🏳️🌈一、TcpServer.cpp
服务端主函数使用智能指针构造Server对象，然后调用初始化与执行函数，调用主函数使用该可执行程序 + 端口号！
#include "TcpServer.hpp"int main(int argc, char* argv[]){if(argc != 2){std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " port" << std::endl;Die(1);}uint16_t port = std::stoi(argv[1]);std::unique_ptr<TcpServer> tsvr = std::make_unique<TcpServer>(port);tsvr->InitServer();tsvr->Loop();return 0;
}
🏳️🌈二、TcpServer.hpp
2.1 枚举错误情况
与 UDP 同样的，我们先枚举错误情况，将其放在 common.hpp 中
enum {USAGE_ERR = 1,SOCKET_ERR,BIND_ERR,LISTEN_ERR
};
2.2 基本结构
我们这里先实现最基本的 TCP 服务器，基本成员有端口号，文件描述符，与运行状态
class TcpServer{public:TcpServer(){}void InitServer(){}void Loop(int sockfd){}~TcpServer(){}private:int _listensockfd; // 监听socketuint16_t _port;bool _isrunning;
};
2.3 构造函数、析构函数
构造函数初始化成员变量，析构函数无需处理！
- 这里需要为
端口号设置一个默认值 - 8080
static const uint16_t gport = 8080;
// 构造函数
TcpServer(uint16_t port = gport):_port(port),_sockfd(gsockfd),_isrunning(false){}
// 析构函数
~TcpServer(){}
2.4 初始化方法
初始化函数主要分为三步：
- 创建
socket(类型与UDP不同) - bind
sockfd和socket addr - 获取连接(与UDP不同)
获取连接需要使用 listen 函数(将套接字设置为监听模式，以便能够接受进入的连接请求)
·listen· 需要设置一个队列，用来保存等待连接地客户端，我们可以事先设置一个
#define BACKLOG 8来定义这个队列长度
void InitServer() {// 1. 创建 socket_listensockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (_listensockfd < 0) {LOG(LogLevel::ERROR) << "create socket error: " << strerror(errno);Die(2);}LOG(LogLevel::INFO) << "create sockfd success: " << _listensockfd;struct sockaddr_in local;memset(&local, 0, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);// 2. 绑定 socketif (::bind(_listensockfd, CONV(&local), sizeof(local)) < 0) {LOG(LogLevel::ERROR) << "bind socket error: " << strerror(errno);Die(3);}LOG(LogLevel::INFO) << "bind sockfd success: " << _listensockfd;// 3. 因为 tcp 是面向连接的，tcp需要未来不断地获取连接// listen 就是监听连接的意思，所以需要设置一个队列，来保存等待连接的客户端// 队列的长度为 8，表示最多可以有 8 个客户端等待连接// listen(int sockfd, int backlog)// sockfd 就是之前创建的 socket 句柄// backlog 就是队列的长度// 返回值：成功返回 0，失败返回 -1if (::listen(_listensockfd, BACKLOG) < 0) {LOG(LogLevel::ERROR) << "listen socket error: " << strerror(errno);Die(4);}LOG(LogLevel::INFO) << "listen sockfd success: " << _listensockfd;
}
我们先将 Loop() 函数设计成死循环，验证一下 初始化函数 的正确性
// 测试
void Loop() {_isrunning = true;while (_isrunning) {sleep(1);}_isrunning = false;
}
2.5 循环监听
执行服务函数主要分为两步：
- 获取新连接 (
accept函数[从已完成连接队列的头部返回下一个已完成连接，如果队列为空，则阻塞调用进程])
2. 执行服务 (前提是获取到新连接)
2.5.1 server 0 - 单执行流版本
工作机制：
- 单线程通过while(1)循环依次处理每个客户端请求，处理完一个请求后才能处理下一个。
注意：tcp协议可以直接使用read，write函数读写文件描述符的内容(因为tcp是面向字节流的)！
// server - 0 单执行流版本
// 工作机制：单线程通过while(1)循环依次处理每个客户端请求，处理完一个请求后才能处理下一个。
void Loop() {_isrunning = true;while (_isrunning) {struct sockaddr_in client;socklen_t len = sizeof(client);// 1. 获取新连接int sockfd = ::accept(_listensockfd, CONV(&client), &len);if (sockfd < 0) {LOG(LogLevel::ERROR) << "accept socket error: " << strerror(errno);continue;}InetAddr cli(client);LOG(LogLevel::INFO) << "accept new connection from " << cli.AddrStr()<< " sockfd: " << sockfd;// 获取成功Server(sockfd, cli);}
}
void Server(int sockfd, InetAddr& cli) {// 长服务while (true) {char inbuffer[1024]; // 当作字符串// 1. 读文件// read// 函数的第一个参数是文件描述符，第二个参数是读入缓冲区，第三个参数是读入的字节数// 返回值：成功返回读入的字节数，失败返回 -1ssize_t n = ::read(sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1);if (n > 0) {inbuffer[n] = 0;LOG(LogLevel::INFO)<< "get msg from " << cli.AddrStr() << " msg: " << inbuffer;std::string echo_string = "[server echo]# ";echo_string += inbuffer;// 2. 写文件write(sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size());} else if (n == 0) {LOG(LogLevel::INFO) << "client " << cli.AddrStr() << " closed";break;} else {LOG(LogLevel::ERROR) << "read socket error: " << strerror(errno);break;}}::close(sockfd);
}
2.5.2 server 1 - 多进程版本
工作机制：
- 父进程通过fork()为每个新连接创建子进程，子进程处理完请求后退出。
- 但是进程创建/销毁开销大，高并发时资源耗尽
void Loop() {_isrunning = true;while (_isrunning) {struct sockaddr_in client;socklen_t len = sizeof(client);// 1. 获取新连接int sockfd = ::accept(_listensockfd, CONV(&client), &len);if (sockfd < 0) {LOG(LogLevel::ERROR) << "accept socket error: " << strerror(errno);continue;}InetAddr cli(client);LOG(LogLevel::INFO) << "accept new connection from " << cli.AddrStr()<< " sockfd: " << sockfd;// 获取成功pid_t id = fork();if (id == 0) { // 子进程::close(_listensockfd); // 关闭监听套接字（子进程不需要监听）// 孙子进程的创建if (fork() > 0)exit(0); // 父进程（子进程）退出，孙子进程继续运行// 孙子进程执行实际服务逻辑Server(sockfd, cli);exit(0);}// 父进程（主进程）::close(sockfd); // 关闭连接套接字（父进程不处理具体业务）int n = waitpid(id, nullptr, 0); // 等待子进程退出if (n > 0) {LOG(LogLevel::INFO) << "wait chid success";}}_isrunning = false;
}
void Server(int sockfd, InetAddr& cli) {// 长服务while (true) {char inbuffer[1024]; // 当作字符串// 1. 读文件// read// 函数的第一个参数是文件描述符，第二个参数是读入缓冲区，第三个参数是读入的字节数// 返回值：成功返回读入的字节数，失败返回 -1ssize_t n = ::read(sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1);if (n > 0) {inbuffer[n] = 0;LOG(LogLevel::INFO)<< "get msg from " << cli.AddrStr() << " msg: " << inbuffer;std::string echo_string = "[server echo]# ";echo_string += inbuffer;// 2. 写文件write(sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size());} else if (n == 0) {LOG(LogLevel::INFO) << "client " << cli.AddrStr() << " closed";break;} else {LOG(LogLevel::ERROR) << "read socket error: " << strerror(errno);break;}}::close(sockfd);
}
双重 fork() 的核心目的
- 避免僵尸进程
- 若子进程直接处理请求并退出，父进程需通过 waitpid 回收资源，否则子进程会成为僵尸进程。
- 高并发场景下，父进程可能因频繁调用 waitpid 而阻塞，无法及时处理新连接。
- 解决方案：
- 子进程创建孙子进程后立即退出，孙子进程成为 孤儿进程，由 init 进程（PID=1）接管并自动回收资源。
- 父进程只需等待子进程（短暂存在）退出，避免阻塞。
- 父进程快速回到主循环
- 父进程的 waitpid 仅需等待子进程（而非孙子进程），子进程退出速度极快（仅执行 fork() 和 exit()），父进程迅速返回 accept 循环。
- 提升服务器并发处理能力。
2.5.3 server 2 - 多线程版本
工作机制：
- 为每个新连接分配独立的线程处理业务逻辑
- 主线程（
Loop函数）通过 accept 循环监听新连接，为每个新连接创建线程（pthread_create）传递连接信息给子线程（通过 ThreadDate 结构体） - 子线程（
Execute函数）调用 pthread_detach 分离自身（避免主线程调用 pthread_join）执行 Server 函数处理具体业务逻辑线程结束后自动释放资源（通过 delete td） - 业务处理（
Server函数）循环读取客户端数据（read），处理业务逻辑（示例中的回显服务），发送响应（write）关闭连接（close(sockfd)）
// server - 2 多线程版本// 为每个新连接分配独立的线程处理业务逻辑// （Loop 函数）通过 accept 循环监听新连接，为每个新连接创建线程（pthread_create）传递连接信息给子线程（通过 ThreadDate 结构体）// （Execute 函数）调用 pthread_detach 分离自身（避免主线程调用 pthread_join）执行 Server 函数处理具体业务逻辑线程结束后自动释放资源（通过 delete td）// （Server 函数）循环读取客户端数据（read），处理业务逻辑（示例中的回显服务），发送响应（write）关闭连接（close(sockfd)）void Loop(){_isrunning = true;while(_isrunning){struct sockaddr_in client;socklen_t len = sizeof(client);// 1. 获取新连接int sockfd = ::accept(_listensockfd, CONV(&client), &len);if(sockfd < 0){LOG(LogLevel::ERROR) << "accept socket error: " << strerror(errno);continue;}InetAddr cli(client);LOG(LogLevel::INFO) << "accept new connection from " << cli.AddrStr() << " sockfd: " << sockfd;// 获取成功pthread_t tid;ThreadDate* td = new ThreadDate(sockfd, this, cli);// pthread_create 第一个参数是线程id，第二个参数是线程属性，第三个参数是线程函数，第四个参数是线程函数参数pthread_create(&tid, nullptr, Execute, td);}_isrunning = false;}// 线程函数参数对象class ThreadDate{public:int _sockfd;TcpServer* _self;InetAddr _addr;public:ThreadDate(int sockfd, TcpServer* self, const InetAddr& addr): _sockfd(sockfd), _self(self), _addr(addr){}};// 线程函数static void* Execute(void* args){ThreadDate* td = static_cast<ThreadDate*>(args);// 子线程结束后由系统自动回收资源，无需主线程调用 pthread_joinpthread_detach(pthread_self()); // 分离新线程，无需主线程回收td->_self->Server(td->_sockfd, td->_addr);delete td;return nullptr;}void Server(int sockfd, InetAddr& cli){// 长服务while(true){char inbuffer[1024]; // 当作字符串// 1. 读文件// read 函数的第一个参数是文件描述符，第二个参数是读入缓冲区，第三个参数是读入的字节数// 返回值：成功返回读入的字节数，失败返回 -1ssize_t n = ::read(sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1);if(n > 0){inbuffer[n] = 0;LOG(LogLevel::INFO) << "get msg from " << cli.AddrStr() << " msg: " << inbuffer;std::string echo_string = "[server echo]# ";echo_string += inbuffer;// 2. 写文件write(sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size());}else if(n == 0){LOG(LogLevel::INFO) << "client " << cli.AddrStr() << " closed";break;}else{LOG(LogLevel::ERROR) << "read socket error: " << strerror(errno);break;}}::close(sockfd);}
2.5.4 server 3 - 内存池
将执行服务的函数入线程池队列，该函数需要是参数为空和返回值为void的函数，因此需要bind绑定函数！
using task_t = std::function<void(int sockfd, InetAddr& cli)>;
// server - 3 内存池版本
void Loop() {_isrunning = true;while (_isrunning) {struct sockaddr_in client;socklen_t len = sizeof(client);// 1. 获取新连接int sockfd = ::accept(_listensockfd, CONV(&client), &len);if (sockfd < 0) {LOG(LogLevel::ERROR) << "accept socket error: " << strerror(errno);continue;}InetAddr cli(client);LOG(LogLevel::INFO) << "accept new connection from " << cli.AddrStr()<< " sockfd: " << sockfd;// 获取成功task_t task = std::bind(&TcpServer::Server, this, sockfd, cli);ThreadPool<task_t>::getInstance()->Equeue(task);}_isrunning = false;
}
void Server(int sockfd, InetAddr& cli) {// 长服务while (true) {char inbuffer[1024]; // 当作字符串// 1. 读文件// read// 函数的第一个参数是文件描述符，第二个参数是读入缓冲区，第三个参数是读入的字节数// 返回值：成功返回读入的字节数，失败返回 -1ssize_t n = ::read(sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1);if (n > 0) {inbuffer[n] = 0;LOG(LogLevel::INFO)<< "get msg from " << cli.AddrStr() << " msg: " << inbuffer;std::string echo_string = "[server echo]# ";echo_string += inbuffer;// 2. 写文件write(sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size());} else if (n == 0) {LOG(LogLevel::INFO) << "client " << cli.AddrStr() << " closed";break;} else {LOG(LogLevel::ERROR) << "read socket error: " << strerror(errno);break;}}::close(sockfd);
}
🏳️🌈三、TcpClient.cpp
- 创建Socket,调用 socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0) 创建TCP套接字。失败时打印错误并退出。
- 设置服务器地址，通过 sockaddr_in 结构指定服务器的IP和端口。inet_pton 将字符串IP转换为网络字节序。
- 建立连接，调用 connect 主动连接服务器。失败时打印错误并退出。
- 交互式通信，循环读取用户输入（如 hello）。通过 write 发送消息到服务器。通过 read 读取服务器回显的消息并显示。若服务器断开或读失败，退出循环。
- 关闭连接，调用 close 关闭套接字。
#include "TcpClient.hpp"int main(int argc, char* argv[]){if(argc != 3){std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <server_ip> <server_port>" << std::endl;Die(1);}std::string serverip = argv[1];uint16_t serverport = std::stoi(argv[2]);// 1. 创建套接字// AF_INET: IPv4协议// SOCK_STREAM: TCP协议// 0: 表示默认协议int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if(sockfd < 0){std::cerr << "Create socket error: " << std::strerror(errno) << std::endl;Die(2);}// 2. 设置服务器地址struct sockaddr_in server;memset(&server, 0, sizeof(server));server.sin_family = AF_INET; // IPv4协议server.sin_port = htons(serverport); // 端口号// 这句话表示将字符串形式的IP地址转换为网络字节序的IP地址// inet_pton函数的作用是将点分十进制的IP地址转换为网络字节序的IP地址// 这里的AF_INET表示IPv4协议// 这里的serverip.c_str()表示IP地址的字符串形式// &server.sin_addr表示将IP地址存储到sin_addr成员变量中::inet_pton(AF_INET, serverip.c_str(), &server.sin_addr); // IP地址// 3. 与服务器建立连接int n = ::connect(sockfd, CONV(&server), sizeof(server));if(n < 0){std::cerr << "Connect error: " << std::strerror(errno) << std::endl;Die(5);}// 4. 发送消息while(true){std::string mag;std::cout << "Enter# ";std::getline(std::cin, mag);write(sockfd, mag.c_str(), mag.size());char echo_buf[1024];n = read(sockfd, echo_buf, sizeof(echo_buf));if(n > 0){echo_buf[n] = 0;std::cout << "Echo: " << echo_buf << std::endl;}else{break;}}// 5. 关闭套接字::close(sockfd);return 0;
}
👥总结
本篇博文对 【Linux网络】各版本TCP服务器构建 - 从理解到实现 做了一个较为详细的介绍，不知道对你有没有帮助呢
觉得博主写得还不错的三连支持下吧！会继续努力的~