分享自己平时使用的socket多客户端通信的代码技术点和软件使用
前言
说到linux下多进程通信，有好几种，之前也在喵哥的公众号回复过，这里再拿出来，重新写一遍：多进程通信有管道，而管道分为匿名和命名管道 ，后者比前者优势在于可以进行无亲缘进程通信；此外信号也是进程通信的一种，比如我们最常用的就是设置ctrl+c的kill信号发送给进程；其次信号量一般来说是一种同步机制但是也可以认为是通信，需要注意的是信号量、共享内存、消息队列在使用时候也有posix和system v的区别；还有我们今天的主角套接字( socket ) ：套接字也是一种进程间通信机制。
线程间的通信的话，共享变量，此外在unpipc书描述的话，同步也属于通讯机制，那么就要补充上线程中我们最多用的互斥量、条件变量、读写锁、记录锁和线程中的信号量使用。
今天想分享一些socket编程的例子，socket嵌入式。linux开发很常用，用于进程间通信很方便，也有很多介绍，今天我也也来做自己的介绍分享。和别人不一样的地方，我主要想分享socket 服务端在linux写的代码，使用vscode调试执行，并且同时分享自己使用tcp监控软件去判断socket通信正确性。
作者：良知犹存
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socket通信基本函数介绍
在这里有一个简单demo演示以及函数的介绍，大家打开这个链接就可以看到哈：
socket重要函数
socket通信有些固定的函数，这里先给大家做简单的分享：
int socket(int domain, int type, int protocol);
该函数用于创建一个socket描述符，它唯一标识一个socket，这个socket描述字跟文件描述字一样，后续的操作都有用到它，把它作为参数，通过它来进行一些读写操作。创建socket的时候，也可以指定不同的参数创建不同的socket描述符，socket函数的三个参数分别为：
1.domain：参数domain表示该套接字使用的协议族，在Linux系统中支持多种协议族，对于TCP/IP协议来说，选择AF_INET就足以，当然如果你的IP协议的版本支持IPv6，那么可以选择AF_INET6，可选的协议族具体见：
- AF_UNIX, AF_LOCAL： 本地通信-AF_INET ：IPv4
- AF_INET6 ：IPv6
- AF_IPX ：IPX - Novell 协议
- AF_NETLINK ： 内核用户界面设备
- AF_X25 ：ITU-T X.25 / ISO-8208 协议
- AF_AX25 ： 业余无线电 AX.25 协议
- AF_ATMPVC ： 访问原始ATM PVC
- AF_APPLETALK ：AppleTalk
- AF_PACKET ： 底层数据包接口
- AF_ALG ： 内核加密API的AF_ALG接口
2.type：参数type指定了套接字使用的服务类型，可能的类型有以下几种：
- SOCK_STREAM：提供可靠的（即能保证数据正确传送到对方）面向连接的Socket服务，多用于资料（如文件）传输，如TCP协议。
- SOCK_DGRAM：是提供无保障的面向消息的Socket 服务，主要用于在网络上发广播信息，如UDP协议，提供无连接不可靠的数据报交付服务。
- SOCK_SEQPACKET：为固定最大长度的数据报提供有序的，可靠的，基于双向连接的数据传输路径。
- SOCK_RAW：表示原始套接字，它允许应用程序访问网络层的原始数据包，这个套接字用得比较少，暂时不用理会它。
- SOCK_RDM：提供不保证排序的可靠数据报层。
3.protocol：参数protocol指定了套接字使用的协议，在IPv4中，只有TCP协议提供SOCK_STREAM这种可靠的服务，只有UDP协议提供SOCK_DGRAM服务，对于这两种协议，protocol的值均为0，因为当protocol为0时，会自动选择type类型对应的默认协议。
int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, socklen_t addrlen);
在进行网络通信的时候，必须把一个套接字与一个IP地址或端口号相关联，这个bind就是绑定的过程。
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
这个connect()函数用于客户端中，将sockfd与远端IP地址、端口号进行绑定，在TCP客户端中调用这个函数将发生握手过程（会发送一个TCP连接请求），并最终建立一个TCP连接，而对于UDP协议来说，调用这个函数只是在sockfd中记录远端IP地址与端口号，而不发送任何数据，参数信息与bind()函数是一样的。
int listen(int s, int backlog);
listen()函数只能在TCP服务器进程中使用，让服务器进程进入监听状态，等待客户端的连接请求，listen()函数在一般在bind()函数之后调用，在accept()函数之前调用，它的函数原型是：
int accept(int s, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
accept()函数就是用于处理连接请求的，accept()函数用于TCP服务器中，等待着远端主机的连接请求，并且建立一个新的TCP连接，在调用这个函数之前需要通过调用listen()函数让服务器进入监听状态，如果队列中没有未完成连接套接字，并且套接字没有标记为非阻塞模式，accept()函数的调用会阻塞应用程序直至与远程主机建立TCP连接；如果一个套接字被标记为非阻塞式而队列中没有未完成连接套接字, 调用accept()函数将立即返回EAGAIN。
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
read 从描述符 fd 中读取 count 字节的数据并放入从 buf 开始的缓冲区中.
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
不论是客户还是服务器应用程序都可以用recv()函数从TCP连接的另一端接收数据，它与read()函数的功能是差不多的。
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
write()函数一般用于处于稳定的TCP连接中传输数据，当然也能用于UDP协议中，它向套接字描述符 fd 中写入 count 字节的数据，数据起始地址由 buf 指定，函数调用成功返回写的字节数，失败返回-1，并设置errno变量。
int send(int s, const void *msg, size_t len, int flags);
无论是客户端还是服务器应用程序都可以用send()函数来向TCP连接的另一端发送数据。
int sendto(int s, const void *msg, size_t len, int flags, const struct sockaddr *to, socklen_t tolen);
sendto()函数与send函数非常像，但是它会通过 struct sockaddr 指向的 to 结构体指定要发送给哪个远端主机，在to参数中需要指定远端主机的IP地址、端口号等，而tolen参数则是指定to 结构体的字节长度。
int close(int fd);
close()函数是用于关闭一个指定的套接字，在关闭套接字后，将无法使用对应的套接字描述符
TCP客户端一般流程
调用socket()函数创建一个套接字描述符。 调用connect()函数连接到指定服务器中，端口号为服务器监听的端口号。 调用write()函数发送数据。 调用close()函数终止连接。
// 创建套接字描述符
((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
// 建立TCP连接
(connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(struct sockaddr))
write(sockfd, buffer, sizeof(buffer))
close(sockfd);
TCP服务器一般流程
服务器的代码流程如下： 调用socket()函数创建一个套接字描述符。 调用bind()函数绑定监听的端口号。 调用listen()函数让服务器进入监听状态。 调用accept()函数处理来自客户端的连接请求。 调用read()函数接收客户端发送的数据。 调用close()函数终止连接。
// socket create and verification
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// binding newly created socket to given IP and verification
if ((bind(sockfd, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server))) != 0)
// now server is ready to listen and verification
if ((listen(sockfd, 5)) != 0) {
// accept the data packet from client and verification
connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client, &len);
if (read(connfd, buff, sizeof(buff)) <= 0) {
close(connfd);
close(sockfd);
这里也顺带分享一个socket 阻塞和非阻塞的机制 前面提到accept函数中，描述套接字没有标记为非阻塞模式，accept()函数的调用会阻塞应用程序直至与远程主机建立TCP连接；如果一个套接字被标记为非阻塞式而队列中没有未完成连接套接字, 调用accept()函数将立即返回EAGAIN。但是socket默认初始化是阻塞的，正常初始化后accept没有收到客户端的链接请求的话，就会一直的等待阻塞当前线程，直到有客户端进行链接请求。
那么如何才能把socket设置为非阻塞呢？用ioctl(sockfd, FIONBIO, &mode);
//-------------------------
// Set the socket I/O mode: In this case FIONBIO
// enables or disables the blocking mode for the
// socket based on the numerical value of iMode.
// If iMode = 0, blocking is enabled;
// If iMode != 0, non-blocking mode is enabled.
u_long iMode = 1; //non-blocking mode is enabled.
ioctlsocket(m_socket, FIONBIO, &iMode); //设置为非阻塞模式
一般大家介绍会说使用ioctlsocket，但是有些系统使用会报错。如下：
ioctlsocket会报错，所以使用 ioctl就好了，操作都是一样的。
#include <sys/ioctl.h>
ioctl(sockfd, FIONBIO, &mode);
这是一个简单的图表分析，来自下面文章链接，大家有兴趣也可以自行查看。
阻塞非阻塞的介绍 链接：
代码实例
代码有test_socket_client.cpp 、test_socket_server.h、test_socket_server.cpp 三个文件，交互机制以及实现功能如下：
首先test_socket_client.cpp 是客户端代码，用来测试链接服务器端交互，用select进行接收数据，并监听执行终端是否有输入信息，输入信息立刻发送。
test_socket_server.h是test_socket_server.cpp使用定义的类和api的头文件，而在test_socket_server.cpp实现了定义了一个支持多客户端连接的通信接口，同时也时刻检测执行终端输入信息，并广播到全部链接的客户端；而客户端发过来的信息，服务端针对的点对点收发，即接收到特定客户端的信息只发送到该客户端。其中使用了std::future + std::async实现了通信的异步操作，并使用 impl模式包裹了socket接口。在监听执行终端信息时候分别使用了std::condition和std::async实现，大家可以通过宏开关自行选择测试。
还有些其他的技术使用，多线程的调度以及流的输出，忽略SIGPIPE信号用来控制客户端链接断开之后代码正常运行等，再后面我一一给大家分析介绍。
test_socket_client.cpp 这个文件就是随便找了一个socket客户端代码，这个test_socket_client代码来源是网络，大家也可以自己去写或者网上自己找相关的用例，因为本次的重要部分是服务端server代码，所以这块就贴一下代码。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
//g++ test_socket_client.cpp -o test_socket_client
#define BUFLEN 1024
#define PORT 8555
int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in s_addr;
socklen_t len;
unsigned int port;
char buf[BUFLEN];
fd_set rfds;
struct timeval tv;
int retval, maxfd;
/*建立socket*/
if((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){
perror("socket");
exit(errno);
}else
printf("socket create success!\n");
/*设置服务器ip*/
memset(&s_addr,0,sizeof(s_addr));
s_addr.sin_family = AF_INET;
s_addr.sin_port = htons(PORT);
if (inet_aton("127.0.0.1", (struct in_addr *)&s_addr.sin_addr.s_addr) == 0) {
perror("127.0.0.1");
exit(errno);
}
/*开始连接服务器*/
while(connect(sockfd,(struct sockaddr*)&s_addr,sizeof(struct sockaddr)) == -1){
perror("connect");
sleep(1);
exit(errno);
}
while(1){
FD_ZERO(&rfds);
FD_SET(0, &rfds);
maxfd = 0;
FD_SET(sockfd, &rfds);
if(maxfd < sockfd)
maxfd = sockfd;
tv.tv_sec = 6;
tv.tv_usec = 0;
retval = select(maxfd+1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
if(retval == -1){
printf("select出错，客户端程序退出\n");
break;
}else if(retval == 0){
printf("waiting...\n");
continue;
}else{
/*服务器发来了消息*/
if(FD_ISSET(sockfd,&rfds)){
/******接收消息*******/
bzero(buf,BUFLEN);
len = recv(sockfd,buf,BUFLEN,0);
if(len > 0)
printf("服务器发来的消息是：%s\n",buf);
else{
if(len < 0 )
printf("接受消息失败！\n");
else
printf("服务器退出了，聊天终止！\n");
break;
}
}
/*用户输入信息了,开始处理信息并发送*/
if(FD_ISSET(0, &rfds)){
/******发送消息*******/
bzero(buf,BUFLEN);
fgets(buf,BUFLEN,stdin);
if(!strncasecmp(buf,"quit",4)){
printf("client 请求终止聊天!\n");
break;
}
len = send(sockfd,buf,strlen(buf),0);
if(len > 0)
printf("\t消息发送成功：%s\n",buf);
else{
printf("消息发送失败!\n");
break;
}
}
}
}
/*关闭连接*/
close(sockfd);
return 0;
}
test_socket_server.h 使用的头文件，定义一些外部api
#ifndef _TEST_SOCKET_H
#define _TEST_SOCKET_H
#include <functional>
#include <memory>
#include <thread>
#include <vector>
namespace linx_socket {
int Writen(int fd, const void *vptr, int n);
int Readn(int fd, void *vptr, int maxlen);
int CreatSocket(const char *ip, int port);
int StartLisen(int fd);
bool Close(int fd);
} // namespace linx_socket
class DevSocket {
public:
using CallBack = std::function<void(int ,std::vector<uint8_t>&&)>;
DevSocket();
DevSocket(const CallBack& callback);
bool Send(int fd,const std::vector<uint8_t> &data) const ;
// std::vector<uint8_t> Recive() const ; //当建立连接后 就会在线程里面循环读取客户端发来的信息， 所以不需要专门写rx函数
~DevSocket(){}
private:
class Socket;
std::unique_ptr<Socket> SocketImpl;
};
#endif
test_socket_server.cpp
里面包含的#include "log.h"这个文件是我自己写的log输出文件，打印时间和颜色等，看着比较方便，大家使用代码时候自行替换成自己需要printf或者std::cout或者自己的打印文件
#include <stdio.h>
#include <algorithm>
#include <array>
#include <chrono>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <iostream>
#include <iterator>
#include <string>
#include <thread>
#include <vector>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <net/if.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <future>
#include "test_socket_server.h"
#include "log.h"
// g++ test_socket_server_optimiza_2.cpp -o test_socket_server_optimiza -lboost_thread -lpthread
namespace linx_socket
{
constexpr int socket_que_size = 3;
//使用select进行写入
int Writen(int fd, const void *vptr, int n)
{
ssize_t nleft = n;
const char *ptr = (const char *)vptr;
fd_set write_fd_set;
struct timeval timeout;
while (nleft > 0)
{
ssize_t nwriten = 0;
timeout.tv_sec = 1;
timeout.tv_usec = 0;
FD_ZERO(&write_fd_set);
FD_SET(fd, &write_fd_set);
int s_ret = select(FD_SETSIZE, NULL, &write_fd_set, NULL, &timeout);
if (s_ret < 0)
{
EXC_ERROR("-------write_fd_set error------------");
return -1;
}
else if (s_ret == 0)
{
usleep(100 * 1000);
EXC_ERROR("-------write_fd_set timeout ------------");
continue;
}
if ((nwriten = write(fd, ptr, nleft)) < 0)
{
if (nwriten < 0 && errno == EINTR)
{
nwriten = 0;
}
else
{
EXC_ERROR("-------nwriten error = %d ------------", nwriten);
return -1;
}
}
nleft -= nwriten;
ptr += nwriten;
}
return n;
}
//使用select进行读取
int Readn(int fd, void *vptr, int maxlen)
{
bool ret = false;
ssize_t nread = 0;
fd_set read_fd_set;
struct timeval timeout;
while (!ret)
{
// EXC_INFO("Readn begine.");
timeout.tv_sec = 1;
timeout.tv_usec = 0;
FD_ZERO(&read_fd_set);
FD_SET(fd, &read_fd_set);
int s_ret = select(FD_SETSIZE, &read_fd_set, NULL, NULL, &timeout);
if (s_ret < 0)
{
EXC_ERROR("-------select error------------");
return -1;
}
else if (s_ret == 0)
{
usleep(100 * 1000);
// EXC_ERROR("-------select timeout ------------");
continue;
}
if ((nread = read(fd, vptr, maxlen)) < 0)
{
if (errno == EINTR)
{
EXC_ERROR("buff = %d, fd=%d, errno=%d.", vptr, fd, errno);
nread = 0;
}
else
{
EXC_ERROR("buff = %d, fd=%d, errno=%d.", vptr, fd, errno);
return -1;
}
}
else
{
if (nread == 0)
{
EXC_ERROR("buff = %d, fd=%d, nread=%d. data:%s", vptr, fd, nread, vptr);
}
// else
// {
// EXC_INFO("buff = %d, fd=%d, nread=%d. data:%s", vptr, fd, nread, vptr);
// }
ret = 1;
}
}
return nread;
}
//进行处理来自客户端的连接请求
int IsListened(int fd)
{
struct sockaddr_in c_addr;
socklen_t c_lent = sizeof(c_addr);
int fd_c = accept(fd, (struct sockaddr *)&c_addr, &c_lent);
if (fd_c < 0)
{
if (errno == EPROTO || errno == ECONNABORTED)
{
return -1;
}
}
EXC_INFO("accept %s: %d sucess", inet_ntoa(c_addr.sin_addr), ntohs(c_addr.sin_port));
return fd_c;
}
//创建一个套接字描述符
int CreatSocket(const char *ip, int port)
{
int ret = -1;
// EXC_INFO("CreatSocket");
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (fd < 0)
{
return -1;
}
int reuse = 1;
//设置套接字的一些选项 SOL_SOCKET：表示在Socket层 SO_REUSEADDR（允许重用本地地址和端口）
if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) < 0)
{
return -1;
}
struct sockaddr_in s_addr;
memset(&s_addr, 0, sizeof(s_addr));
s_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
s_addr.sin_port = htons(port);
s_addr.sin_family = AF_INET;
if (bind(fd, (struct sockaddr *)&s_addr, sizeof(s_addr)) < 0)
{
EXC_ERROR("bind %s: %d error", inet_ntoa(s_addr.sin_addr), ntohs(s_addr.sin_port));
close(fd);
return -2;
}
if (listen(fd, socket_que_size) < 0)
{
close(fd);
return -3;
}
return fd;
}
int CreatSocket(const char *ip, int port, int socket_que_size)
{
int ret = -1;
EXC_INFO("");
int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if (fd < 0)
{
return -1;
}
struct sockaddr_in s_addr;
memset(&s_addr, 0, sizeof(s_addr));
s_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
s_addr.sin_port = htons(port);
s_addr.sin_family = AF_INET;
if (bind(fd, (struct sockaddr *)&s_addr, sizeof(s_addr)) < 0)
{
close(fd);
return -2;
}
if (listen(fd, socket_que_size) < 0)
{
close(fd);
return -3;
}
return fd;
}
bool Close(int fd)
{
close(fd);
return true;
}
} // namespace linx_socket
class Connection
{
public:
Connection(int fd, DevSocket::CallBack c) : call_back_f_(c), fd_(fd)
{
read_sta = std::async(std::launch::async, [this]()
{ Read(); }); //循环读取socket连接的数据
};
void Read()
{
while (!kill_thread_)
{
if (fd_ < 0)
break;
std::array<uint8_t, kBuffSize> buf;
int len = linx_socket::Readn(fd_, buf.data(), kBuffSize);
if (len > 0)
{
if (call_back_f_)
{
data_parser_mutex_.lock();
call_back_f_(fd_, {buf.begin(), buf.begin() + len});
data_parser_mutex_.unlock();
}
}
else if (len < 0)
{
kill_thread_ = true;
EXC_ERROR("read error, fd= %d, rev len= %d.", fd_, len);
break;
}
else if (len == 0)
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
EXC_ERROR("call_back_f_ = %d, fd=%d, rev len=%d.", call_back_f_, fd_, len);
}
}
}
bool Write(std::vector<uint8_t> data)
{
if (linx_socket::Writen(fd_, data.data(), data.size()) < 0)
{
kill_thread_ = true;
EXC_ERROR("Writen error.");
return false;
}
return true;
}
bool GetIsKillThread() { return kill_thread_; }
~Connection()
{
EXC_INFO("kill_thread_ is %d", kill_thread_);
kill_thread_ = true;
if (fd_ != -1)
{
linx_socket::Close(fd_);
fd_ = -1;
}
}
std::future<void> &GetReadSta() { return read_sta; }
int GetFd() { return fd_; }
private:
int fd_ = -1;
bool kill_thread_ = false;
DevSocket::CallBack call_back_f_ = nullptr; /**/
boost::mutex data_parser_mutex_;
std::future<void> read_sta;
constexpr static int kBuffSize = 1024;
};
class DevSocket::Socket
{
public:
Socket(){};
Socket(std::pair<std::string, int> port, const CallBack &callback_)
: call_back_f_(callback_)
{
EXC_WARN("Socket ");
int n;
if ((n = linx_socket::CreatSocket(port.first.c_str(), port.second)) < 0)
{
throw std::string("CreatSocket error ") + std::to_string(n);
}
fd = n;
auto threa_func = [this]()
{
while (!kill_thread_)
{
//循环std::launch::async 传递的可调用对象异步执行
std::future<int> listened_status = std::async(std::launch::async, [this]()
{
EXC_INFO("Listened .");
return linx_socket::IsListened(fd);
});
//lister 套接字有没有侦听到连接，任务没返回，没有侦听到连接套接字
while (listened_status.wait_for(std::chrono::seconds(0)) !=
std::future_status::ready)
{
if (kill_thread_)
return;
for (auto it = connections_.begin(); it != connections_.end();)
{
//任务返回了，说明该连接结束了
if ((*it)->GetReadSta().wait_for(std::chrono::seconds(0)) ==
std::future_status::ready)
{
if ((*it)->GetReadSta().valid())
{
EXC_ERROR("connection_kill_thread is %d, socket_kill_thread_ is =%d", (*it)->GetIsKillThread(), kill_thread_);
(*it)->GetReadSta().get();//主动退出
}
EXC_INFO("dis connection_ fd=%d.", (*it)->GetFd());
boost::mutex::scoped_lock lock(connection_mutex_);
it = connections_.erase(it);
if (connections_.size() <= 0)
{
EXC_ERROR("all is dis connected");
}
}
if (it != connections_.end())
{
++it;
}
}
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
}
// EXC_INFO( "==================== thread id: %d" ,std::this_thread::get_id());
//有新的连接
int clien_fd = listened_status.get();
if (clien_fd > 0)
{
boost::mutex::scoped_lock lock(connection_mutex_);
connections_.push_back(
std::make_shared<Connection>(clien_fd, call_back_f_));
EXC_INFO("connection_ fd=%d.", clien_fd);
}
}
};
// EXC_INFO("before move threa_func=%d.", threa_func);
thread_ = std::thread(std::move(threa_func)); //左值变右值传入 减少拷贝
// EXC_INFO("after move threa_func=%d.", threa_func);
}
bool SendData(const std::vector<uint8_t> &data, std::shared_ptr<Connection> connection)
{
boost::mutex::scoped_lock lock(connection_mutex_);
return connection->Write(data);
}
std::vector<std::shared_ptr<Connection>> GetConnections()
{
return connections_;
}
~Socket()
{
kill_thread_ = true;
if (fd != -1)
{
linx_socket::Close(fd);
}
if (thread_.joinable())
{
thread_.join();
}
}
private:
int fd = -1;
bool kill_thread_ = false;
CallBack call_back_f_ = nullptr;
std::thread thread_;
std::vector<std::shared_ptr<Connection>> connections_;
boost::mutex connection_mutex_;
};
#define HOST "127.0.0.1" // 根据你服务器的IP地址修改
#define PORT 8555 // 根据你服务器进程绑定的端口号修改
DevSocket::DevSocket()
{
EXC_WARN("new DevSocket");
std::pair<std::string, int> par{HOST, PORT};
SocketImpl = std::unique_ptr<Socket>(new Socket(par, nullptr));
}
DevSocket::DevSocket(const CallBack &callback)
{
EXC_WARN("new DevSocket");
std::pair<std::string, int> par{HOST, PORT};
SocketImpl = std::unique_ptr<Socket>(new Socket(par, callback));
}
bool DevSocket::Send(int fd, const std::vector<uint8_t> &data) const
{
for (auto connection : SocketImpl->GetConnections())
{
if (nullptr == connection)
continue;
if (fd == connection->GetFd() || fd == 0) //fd ==0 全部发送
{
int ret = SocketImpl->SendData(data, connection);
EXC_WARN("fd %d send status :%d", connection->GetFd(), ret);
}
}
return true;
}
std::ostream &operator<<(std::ostream &out, std::vector<uint8_t> &data)
{
EXC_WARN("operator 1<<<<<<<<<<<<<<");
out << "hex ";
out << std::hex;
for (auto &d : data)
{
out << "0x" << std::hex << (int)d << " ";
}
out << std::endl;
EXC_WARN("operator 2<<<<<<<<<<<<<");
return out;
}
#include <signal.h>
void pipesig_handler(int sig)
{
EXC_ERROR("receive signal %d", sig);
}
#if 1 //std::async 控制发送
int main(int argc, char *argv[])
{
DevSocket *Device;
// 为SIGPIPE添加信号处理函数，处理完程序继续执行 1
signal(SIGPIPE, pipesig_handler);
bool SendFlag = false;
std::vector<uint8_t> send_data;
int read_fd{-1};
try
{
EXC_INFO("device socket init");
Device =
new DevSocket([&](int fd, std::vector<uint8_t> &&d)
{
EXC_INFO("recive call fd :%d", fd);
send_data = d;
SendFlag = true;
std::ostringstream ss;
ss << "recive data:[";
std::for_each(send_data.begin(), send_data.end(),
[&](uint8_t temp)
{ ss << " " << temp << ","; });
EXC_WARN("%s]", ss.str().c_str());
// std::cout << send_data; //使用operator<< 函数
});
}
catch (const std::string s)
{
EXC_INFO("Device.emplace_back:%s", s.c_str());
return EXIT_FAILURE;
}
const int BUFLEN = 1024;
char buf[BUFLEN];
std::thread input_keyboard = std::thread([&]
{
while (true)
{
memset(buf, 0, sizeof(buf));
/*fgets函数：从流中读取BUFLEN-1个字符*/
fgets(buf, BUFLEN, stdin);
EXC_INFO("from terminal:%s", buf);
if (!strncasecmp(buf, "quit", 4))
{
EXC_INFO("server quit!");
exit(0);
}
std::vector<uint8_t> send_msg;
for (int i = 0; buf[i] != '\0'; i++)
{
// EXC_INFO("data:index[%d] :%d", i, buf[i]);
send_msg.emplace_back(buf[i]);
}
Device->Send(0, send_msg); //代表全部链接的都发送 fd =0
}
});
while (true)
{
// EXC_INFO(" ");
std::future<bool> send_future = std::async(std::launch::async, [&]()
{
while(true)
{
if(SendFlag)
{
return true;
}
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(20));
return false;
}
});
{
if (send_future.wait_for(std::chrono::milliseconds(30)) == std::future_status::ready) //子线程已执行完
{
// EXC_INFO( "ready...");
if(send_future.get())
{
SendFlag=false;
std::ostringstream ss;
ss.clear();
ss << "send date :[";
std::for_each(send_data.begin(), send_data.end(),
[&](uint8_t &temp)
{ ss << " " << temp << ","; });
EXC_INFO("%s]", ss.str().c_str());
if (!send_data.empty())
{
Device->Send(read_fd, send_data);
send_data.clear();
}
}
}
}
}
input_keyboard.join();
}
#elif 1 //std::condition_variable 选择发送
int main(int argc, char *argv[])
{
std::mutex SendMutex;
std::condition_variable SendCondition;
bool SendFlag = false;
DevSocket *Device;
// 为SIGPIPE添加信号处理函数，处理完程序继续执行 1
signal(SIGPIPE, pipesig_handler);
std::vector<uint8_t> send_data; //(8, 1);
int read_fd{-1};
EXC_WARN("");
{
std::ostringstream ss;
ss << "send_date 1:[";
std::for_each(send_data.begin(), send_data.end(),
[&](uint8_t temp)
{ ss << " " << temp << ","; });
EXC_INFO("%s]", ss.str().c_str());
}
const int BUFLEN = 1024;
char buf[BUFLEN];
try
{
EXC_INFO("Device.emplace_back");
Device =
new DevSocket([&](int fd,std::vector<uint8_t> &&d)
{
EXC_INFO("recive call fd :%d",fd);
{
std::lock_guard<std::mutex> m(SendMutex);
send_data = d;
SendFlag = true;
std::ostringstream ss;
ss.clear();
ss << "recive 2:[";
std::for_each(send_data.begin(), send_data.end(),
[&](uint8_t temp)
{ ss << " " << temp << ","; });
EXC_WARN("%s]", ss.str().c_str());
std::cout << send_data;
}
SendCondition.notify_one();
EXC_INFO("");
});
}
catch (const std::string s)
{
EXC_INFO("Device.emplace_back:%s", s.c_str());
return EXIT_FAILURE;
}
std::thread input_keyboard = std::thread([&]
{
while (true)
{
memset(buf, 0, sizeof(buf));
/*fgets函数：从流中读取BUFLEN-1个字符*/
fgets(buf, BUFLEN, stdin);
EXC_INFO("from terminal:%s", buf);
if (!strncasecmp(buf, "quit", 4))
{
EXC_INFO("server quit!");
exit(0);
}
std::vector<uint8_t> send_msg;
for (int i = 0; buf[i] != '\0'; i++)
{
EXC_INFO("data:index[%d] :%d", i, buf[i]);
send_msg.emplace_back(buf[i]);
}
Device->Send(0,send_msg);//代表全部链接的都发送 fd =0
}
});
while (true)
{
EXC_INFO(" ");
{
std::unique_lock<std::mutex> m(SendMutex);
SendCondition.wait(m, [&]
{ return SendFlag; });
SendFlag = false;
}
{
std::ostringstream ss;
ss.clear();
ss << "send_date 3:[";
std::for_each(send_data.begin(), send_data.end(),
[&](uint8_t &temp)
{ ss << " " << temp << ","; });
EXC_ERROR("%s]", ss.str().c_str());
}
EXC_INFO("");
if (!send_data.empty())
{
Device->Send(read_fd,send_data);
send_data.clear();
}
}
input_keyboard.join();
}
#endif
分析介绍服务端代码使用到的技术点
代码展示完毕，接下来给大家一点点分析里面用的一些关键点：
使用的技术点：
std::future + std::async
使用代码：std::future<void> read_sta = std::async(std::launch::async, [this]() { Read(); });
异步调用往往不知道何时返回，但是如果异步调用的过程需要同步，或者说后一个异步调用需要使用前一个异步调用的结果。这个时候就要用到future。
首先std::future是一个类模板，其对象存储将来的值。提供了一种访问该值的机制，即使用get()成员函数。但是，如果此时在get()函数可用之前访问它的未来关联值，则get()函数将阻塞当前线程，直到get()函数准备好它的数据。std::future期待一个返回，从一个异步调用的角度来说，future更像是执行函数的返回值，C++标准库使用std::future为一次性事件建模，如果一个事件需要等待特定的一次性事件，那么这线程可以获取一个future对象来代表这个事件。
线程可以周期性的在这个future上等待一小段时间，检查future是否已经ready，如果没有，该线程可以先去做另一个任务，一旦future就绪，该future就无法复位（无法再次使用这个future等待这个事件），所以future代表的是一次性事件。
std::future对象是std::async、std::promise、std::packaged_task的底层对象，用来传递其他线程中操作的数据结果。这就是我们会有std::future + std::async 、std::future + std::promise 、std::future + std::packaged_task的组合使用。几者使用的方法大同小异，std::async是函数，std::promise和std::packaged_task是类， 相信对比这篇文章之后大家会有更加详细的理解用法，这里我就不多做赘述了。
本次使用了std::async函数，以及配合使用了wait_for()函数和get()函数，使用这两个部分原因是阻塞动作，因为std::async创建异步任务时候创建一个线程去执行任务，使用以上两个函数可以进行确认异步线程的状态，两者的区别是使用get函数时候，要是异步线程没有执行完成，当前线程会原地阻塞直接异步线程执行完成；而wait_for()调用也会在当前位置阻塞，但wait_for有阻塞时间的参数，如果参数为std::chrono::seconds(0),那么就不会阻塞当前线程。
而在本次的代码里面，std::future
题外话：在实际开发中，有时候某线程的值不止被一个线程所需要，而get()却只能只用一次，std::future自身问题，它只容许一个线程等待结果。若我们要让多个线程等待同一个目标事件，这时可以通过std::shared_future达到多次通过get()获取值的目的。
注：get()函数只能使用一次，因为get()函数的设计是一个移动语义，相当于将future对象中的值转移到了get()调用者中，所以再次get()就会报出异常。
std::condition_variable
处理一次性事件，我们std::condition_variable可以用于异步事件的重复通知，condition_variable可以用于异步事件的重复通知是条件变量，和条件变量pthread_cond_t类似，而std::condition_variable在Linux 下也有使用 Pthread 库中的 pthread_cond_*() 函数提供了与条件变量相关的功能，所以两者使用方法都是类似的，效果也是一样的。
std::condition_variable 对象通常使用 std::unique_lockstd::mutex 来等待，当 std::condition_variable 对象的某个 wait 函数被调用的时候，它使用 std::unique_lock(通过 std::mutex) 来锁住当前线程。当前线程会一直被阻塞，直到另外一个线程在相同的 std::condition_variable 对象上调用了 notification 函数来唤醒当前线程，使用 notify_all可以通知所有等待的线程，notify_one则只会唤醒一个线程。
signal信号处理
信号是进程通信一种手段，除了通信，很多代码跑飞的问题，都是内核通知信号到进程的，所以解决bug时候我们也会这里面为什么要忽略这个信号呢，后面gdb调试可以看到详细的信息，这里直接说原因，是因为本次代码是 一个socket服务端对应多个客户端，而中间交互过程中，会有一些客户端链接也有客户端断开，而当服务器完整close这个连接时，若客户端端接着发数据。根据TCP协议的规定，会收到一个RST响应，client再往这个服务器发送数据时，系统会发出一个SIGPIPE信号给进程，告诉进程这个连接已经断开了，不要再写了。这个时候进程会game over，所以为了避免进程退出, 可以捕获SIGPIPE信号, 或者忽略它, 给它设置SIG_IGN信号处理函数。
直接把这个信号忽略掉
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
为SIGPIPE添加信号处理函数，处理完程序继续执行
void pipesig_handler(int sig)
{
EXC_ERROR("receive signal %d", sig);
}
// 为SIGPIPE添加信号处理函数，处理完程序继续执行 1
signal(SIGPIPE, pipesig_handler);
运行原理分析：
linx_socket命名空间写了socket通信基本一些接口，基于select的read write读写函数、socket创建函数、用来处理客户端链接的IsListened函数、close函数关闭socket，这部分代码用来做后面类成员函数的基本调用的”库“函数；Connection类实现了每一个客户端链接成功后，都会执行Read函数，Read是一个while循环，使用std::async启动之后，，循环退出的条件在析构函数置位；此外还有Write函数做外部接口。
DevSocket类是最终使用的socket通信的外部接口，其中使用impl模式包装外部接口，在DevSocket类里面定义一个Socket类，这个类最重要的就是
Socket(std::pair<std::string, int> port, const CallBack &callback_) : call_back_f_(callback_)这个构造函数，除了使用CreatSocket函数初始化建立一个socket设备描述符，还启动一个lambda线程函数threa_func，该线程一直循环执行std::async去创建线程去调用linx_socket::IsListened(fd)处理随时来的客户端链接请求。A：做了这一步之后
listened_status.wait_for开始无延时判断linx_socket::IsListened函数的执行状态，在没有客户端有链接请求的时候，listened_status.wait_for会返回std::future_status::timeout，然后循环判断所有connections_中的read_sta中Read函数是否已经执行完成，而Read函数只有读取失败这里才会退出循环，执行完函数，这时候其实对应这个链接结束。B：而当
istened_status.wait_for返回std::future_status::ready之后connections_.push_back(std::make_shared<Connection>(clien_fd, call_back_f_));这段代码把新的客户端链接添加到connections_中去，然后一直循环执行A B动作。除了Socket这个构造函数，还有SendData去调用我们上面提到Connection的Write函数，包装成新的外部接口。
&operator<<函数重载了<<运算符，方便输出std::vector<uint8_t>类型数据，这个类型数据是std::vector<uint8_t> send_data; 大家可以打开我上面的注释代码测试验证。main函数，这部分有两处，用
#if #elif进行选择，分别使用了std::async和std::condition_variable实现收到的数据之后唤醒主线程，再令主线程把收到的数据转发到对应链接的客户端；其次还启动了input_keyboard这个线程，用来监控，终端界面输入的字符，转发到所有链接的客户端。
调试方法
这里我分享两种调试方法，gdb和vscode
首先代码gdb调试时候，编译记得加上-g
g++ test_socket_server.cpp -o test_socket_server -g -lboost_thread -lpthread
直接gdb + 编译好的可执行文件
gdb test_socket_server_optimiza 进入之后使用layout src再加 l命令查看源码调试，很方便。
gdb调试时候遇到这个报错received signal SIGPIPE, Broken pipe.
需要忽略SIGPIPE信号
vscode c++程序中添加外部动态链接库 帮助调试
在每个vscode打开的工程目录下，都有.vscode目录，里面会有几个.json文件，打开打开tasks.json文件，在 "${fileDirname}/${fileBasenameNoExtension}",继续增加自己链接需要库 "-lboost_thread","-lpthread"，如下所示：
这样子就可以正常调试了
通信过程分析
下图是我执行代码的log日志输出效果，那么我们怎么查看底层的传输数据呢？
我这里分享使用的两个软件可以互相配合使用：
tcpdump 抓包分析
tcpdump，就是：dump the traffic on a network，根据使用者的定义对网络上的数据包进行截获的包分析工具。tcpdump可以将网络中传送的数据包的“头”完全截获下来提供分析。它支持针对网络层、协议、主机、网络或端口的过滤，并提供and、or、not等逻辑语句来帮助你去掉无用的信息。
它有很多命令操作，链接
我直接实时显示了数据sudo tcpdump host 127.0.0.1 and port 8555 -i lo
这里面详细信息分析，大家直接可以看这篇文章进行对比，这位仁兄写的很详细，链接。
但是数据有时候无法实时查看，这个时候把数据保存起来，然后用Wireshark进行分析 sudo tcpdump host 127.0.0.1 and port 8555 -i lo -w socket_test.pcap
然后使用wireshark socket_test.pcap打开
.pcap文件直接使用Wireshark打开就可以看到了，这里面的小demo应该可以帮到你。
Wireshark抓包分析
Wireshark 是一款自由开源的网络协议分析器，它在全球被广泛使用。通过使用 Wireshark，你可以实时捕获网络的传入和传出数据包，并将其用于网络故障排除、数据包分析、软件和通信协议开发等。windows和Ubuntu都可以使用， 本次我使用场景是Ubuntu。
Wireshark 可以在 Ubuntu 的 Universe 存储库中找到。你可以启用 universe 存储库，然后按如下方式安装：
sudo add-apt-repository universe
sudo apt install wireshark
安装时候有wireshark-common设置，我选择了默认的否，里面提示也是建议禁用它。
后期大家自己想更改的话，也可以使用 sudo dpkg-reconfigure wireshark-common命令重新修改。
使用sudo wireshark打开软件
打开保存好的.pcapwireshark socket_test.pcap
实时监控sudo wireshark
筛选栏进行设置port，我的端口是8555，所以如此设置tcp.port == 8555，就可以看到实时交互的底层数据了。
这里只是配合自己的demo进行简单的软件简单使用分享，更为详细使用，大家可以网上自行搜索。
结语
这就是我自己的一些socket相关的代码和软件使用分享。如果大家有更好的想法和需求，也欢迎大家加我好友交流分享哈。
作者：良知犹存，白天努力工作，晚上原创公号号主。公众号内容除了技术还有些人生感悟，一个认真输出内容的职场老司机，也是一个技术之外丰富生活的人，摄影、音乐 and 篮球。关注我，与我一起同行。
‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ END ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧推荐阅读
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