一、说明

最近梳理网络编程的一些知识点时，整理了一些笔记，写了一些demo例程，主要包含下面几部分，后面会陆续完成。

1、Linux下TCP/IP网络编程示例——实现服务器/客户端通信（一）：基于socket实现基本的服务器与客户端通信，不支持多并发，即只支持与一个客户端通信。
2、Linux下TCP/IP网络编程示例——实现服务器/客户端通信（二）：基于socket实现基本的服务器与客户端通信，不使用多进程/多线程和多路复用，实现服务端多并发功能。
3、Linux下TCP/IP网络编程示例——实现服务器/客户端通信（三）：基于socket实现基本的服务器与客户端通信，使用多线程实现服务端的多并发功能。
4、Linux下TCP/IP网络编程示例——实现服务器/客户端通信（四）：基于socket实现基本的服务器与客户端通信，使用多路复用（select）实现服务端的多并发功能。
5、Linux下TCP/IP网络编程示例——实现服务器/客户端通信（五）：基于socket实现基本的服务器与客户端通信，使用多路复用（poll）实现服务端的多并发功能。
6、Linux下TCP/IP网络编程示例——实现服务器/客户端通信（六）：基于socket实现基本的服务器与客户端通信，使用多路复用（epoll）实现服务端的多并发功能。

二、正文

1、TCP网络编程模型

2、网络编程API
（1）socket()
 函数原型：int socket(int domain, int type, int protocol);
 函数作用：创建网络通信套接字；
 参数说明：
    domain：协议族，指定通信时用的协议族；常用选项如下：
        AF_UNIX, AF_LOCAL    ：Local communication，用于本地进程/线程间通信；
        AF_INET                       ：IPv4 Internet protocols，用于IPV4网络通信，下面示例中用的就是该项；
        AF_INET6                     ：IPv6 Internet protocols，用于IPV6网络通信；
    type：套接字类型，常用选项如下：
        SOCK_STREAM         ：流式套接字，唯一对应于TCP；
        SOCK_DGRAM         ：数据报套接字，唯一对应于UDP；
        SOCK_RAW              ：原始（透传）套接字；
    protocol：
        通常填0，在type类型为SOCK_RAW时，需要该参数。
 返回值：成功时返回套接字（文件描述符），失败返回-1。

（2）bind()
 函数原型：int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
 函数作用：绑定服务器相关信息；
 参数说明：
    sockfd：通过socket()得到的文件描述符；
    addr  ：指向struct sockaddr类型结构体变量的指针，包含了IP地址和端口号；实际使用时，如果是网络编程，一般都是定义struct sockaddr_in类型的变量，然后取该变量的地址强转为struct sockaddr*类型；
    addrlen：struct sockaddr类型结构体变量所占内存空间大小；
 返回值：成功时返回0，失败返回-1。
 补充说明：bind()函数中用的是是通用结构体，实际使用中，用于网络编程和本地进程/线程间通信时，一般都不用通用结构体而是用struct sockaddr_in类型和struct sockaddr_un类型的结构体变量。这三种结构体成员如下：
 通用地址结构：
    struct sockaddr
    {    
        u_short  sa_family;    // 地址族, AF_xx 
        char  sa_data[14];     // 14字节协议地址
    };

 Internet协议地址结构：
    struct sockaddr_in 
    {       
        u_short sin_family;      // 地址族, AF_INET，2 bytes    
        u_short sin_port;        // 端口，2 bytes  
        struct in_addr sin_addr; // IPV4地址，4 bytes      
        char sin_zero[8];        // 8 bytes unused，作为填充
    }; 
本地通信协议地址结构：
    struct sockaddr_un
    {
        sa_family_t sun_family; //协议族
        char sun_path[108];     //套接字文件路径
    }

（3）listen()
 函数原型：int listen(int sockfd, int backlog);
 函数作用：将主动套接字变为被动套接字；
 参数说明：
    sockfd：通过socket()得到的文件描述符；
    backlog：指定了正在等待连接的最大队列长度，它的作用在于处理可能同时出现的几个连接请求；
    返回值：成功时返回0，失败返回-1。
（4）accept()
 函数原型：int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
 函数作用：阻塞等待客户端的连接请求，当由客户端请求连接时，该函数返回已经建立连接的新套接字（文件描述符），用于客户端和服务器通信；
 参数说明：
    sockfd：通过socket()得到的文件描述符；
    addr  ：指向struct sockaddr类型结构体变量的指针；用于存放连接过来的客户端的IP地址和端口号，实际使用时，如果不需要客户端的信息，可以直接填NULL；
    addrlen：指向socklen_t类型变量的指针；表示struct sockaddr类型结构体变量所占内存空间大小；
 返回值：成功时返回新的文件描述符，后面与客户端通信用的就是该返回的文件描述符，失败返回-1。
（5）connect()
 函数原型：int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
 函数作用：客户端调用该函数向服务器发起连接请求；
 参数说明：
    sockfd：通过socket()得到的文件描述符；
    addr  ：指向struct sockaddr类型结构体变量的指针，用于填充服务端的IP与端口信息；
    addrlen：struct sockaddr类型结构体变量所占内存空间大小；
 返回值：成功时返回0，失败返回-1。

3、实现简单的服务器/客户端通信例程
例程说明：
下面例程实现了基本的CS通信模型。服务器启动后，等待客户端的连接，如果有客户端连接过来，则打印客户端的IP与端口信息，并接收打印客户端发送过来的消息。但是仅支持一对一的通信连接，即只能与一个客户端进行连接与通信，不支持多并发。

客户端例程：client.c

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

#define SERVER_PORT		6000    //
#define SERVER_IP		"192.168.99.112"	//服务器IP地址

int main(int argc, const char *argv[])
{
	int connect_fd = -1;
	struct sockaddr_in server;
	socklen_t saddrlen = sizeof(server);

	memset(&server, 0, sizeof(server));
	
	connect_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (connect_fd < 0)
	{
		printf("socket error!\n");
		return -1;
	}

	server.sin_family = AF_INET;
	server.sin_port = htons(SERVER_PORT);
	server.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

	if (connect(connect_fd, (struct sockaddr *)&server, saddrlen) < 0)
	{
		printf("connect failed!\n");
		return -1;
	}

	char buf[256] = {0};
	while (1)
	{
		printf(">");
		fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
		if (strcmp(buf, "quit\n") == 0)
		{
			printf("client will quit!\n");
			break;
		}
		write(connect_fd, buf, sizeof(buf));
	}
	close(connect_fd);

	return 0;
}

服务端例程：server.c

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

#define SERVER_PORT		6000
#define SERVER_IP		"192.168.99.112"

int listen_fd = -1;

void signal_handler(int arg)
{
	printf("close listen_fd(signal = %d)\n", arg);
	close(listen_fd);
	exit(0);
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
	int new_fd  = -1;
	struct sockaddr_in server;
	struct sockaddr_in client;
	socklen_t saddrlen = sizeof(server);
	socklen_t caddrlen = sizeof(client);

	signal(SIGINT, signal_handler);

	memset(&server, 0, sizeof(server));
	memset(&client, 0, sizeof(client));

	listen_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	if (listen_fd < 0)
	{
		printf("socket error!\n");
		return -1;
	}

	server.sin_family = AF_INET;
	server.sin_port = htons(SERVER_PORT);
	server.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

	if (bind(listen_fd, (struct sockaddr *)&server, saddrlen) < 0)
	{
		printf("bind error!\n");
		return -1;
	}

	if (listen(listen_fd, 5) < 0)
	{
		printf("listen error!\n");
		return -1;
	}

	char rbuf[256] = {0};
	int read_size = 0;
	while (1)
	{
		/*
		socket()创建的套接字默认是阻塞的，所以accept()在该套接字上进行监听时，
		如果没有客户端连接请求过来，accept()函数会一直阻塞等待；换句话说，程序
		就停在accept()函数这里，不会继续往下执行，直到有新的连接请求发送过来，唤醒accept()。
		*/
		new_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *)&client, &caddrlen);
		if (new_fd < 0)
		{
			perror("accept");
			return -1;
		}

		printf("new client connected.IP:%s,port:%u\n", inet_ntoa(client.sin_addr), ntohs(client.sin_port));
		while (1)
		{
			read_size = read(new_fd, rbuf, sizeof(rbuf));
			if (read_size < 0)
			{
				printf("read error!\n");
				continue;
			}
			else if (read_size == 0)
			{
				printf("client (%d) is closed!\n", new_fd);
				close(new_fd);
				break;
			}

			printf("recv:%s\n", rbuf);
		}
	}

	close(listen_fd);

	return 0;
}

关于server.c代码的说明：
1、为什么要将read()接收处理代码放到另一层while循环中，而不是和accept()放在同一层while循环中？

将接收客户端消息处理的代码放到单独的while循环中，是因为如果将read接收处理代码与accept放到同一层while循环中，会导致客户端在发送一次消息给服务器后，就没法再发送了。假如我们将上面read()和accept()相关部分代码写成下面这样，然后来分析一下代码的执行；

while (1)
{
	new_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr *)&client, &caddrlen);
	if (new_fd < 0)
	{
		perror("accept");
		return -1;
	}

	printf("new client connected.IP:%s,port:%u\n", inet_ntoa(client.sin_addr), ntohs(client.sin_port));
	
	read_size = read(new_fd, rbuf, sizeof(rbuf));
	if (read_size < 0)
	{
		printf("read error!\n");
		continue;
	}
	else if (read_size == 0)
	{
		printf("client (%d) has been closed!\n", new_fd);
		close(new_fd);
		break;
	}

	printf("recv:%s\n", rbuf);
}

假如我们现在打开了一个客户端，服务器端accept()检测到该客户端连接请求，然后成功建立连接并返回了一个新的文件描述符；代码执行到read()部分，阻塞等待，因为客户端虽然打开，但是尚未从键盘输入任何信息，也就没有消息发送到服务器，对于read来说，就是无数据可读，所以会阻塞等待，直到有消息可读；现在在客户端窗口输入信息，回车后，消息被发送到服务器；服务器收到客户端发送的消息后，即read有数据可读，被唤醒，将数据读出到缓存rbuf中，然后打印收到的消息；之后再次回到accept(),由于没有新的客户端连接请求过来，所以程序就一直阻塞在accept()这里；此时如果客户端终端窗口中输入消息，会发现服务端没有任何反应，因为程序阻塞在accept()处，没有执行到read()部分，也就不会有消息打印输出。

所以上面例程中，将read()接收处理代码放到另一层while循环中，这样当打开一个客户端后，服务器就一直处于等待接收客户端消息的状态，只要客户端发送消息过来，就立即接收并打印；只有当前客户端退出时，服务器端才从新进入等待客户端连接请求状态。当然了，这里只是一个简单的示例，并不是一定要写成这样。