【网络编程】C++实现网络通信服务器程序||计算机网络课设||Linux系统编程||TCP协议(附源码)

news/2024/5/17 18:51:02 标签: 网络, c++, 计算机网络, linux, TCP, 服务器, tcp/ip

0000

TCP网络服务器

  • 🐍 1.程序简洁
  • 🦎2. 服务端ServerTcp程序介绍
  • 🦖3.线程池ThreadPool介绍
  • 🦕 4.任务类Task介绍
  • 🐙5. 客户端Client介绍
  • 🦑6.运行结果：
  • 🦐 7. 源码
    • 🦞7.1 serverTcp.cc
    • 🦀 7.2 ThreadPool.hpp
    • 🐡7.3 Task.hpp
    • 🐠7.4ClientTcp.cc
    • 🐟 7.5 Lock.hpp
    • 🐬7.7头文件util.hpp
    • 🐳7.6Makefile 文件
    • 🐋7.8 日志文件 log.hpp

🐍 1.程序简洁

该程序用C++实现了一个支持并发的服务器，实现了大小写转换的功能，当客户端向服务器发起链接请求时，服务器响应请求，分配资源处理任务，实现大小写的转换功能，用到的相关技术栈有：C++编程、socket套接字编程、线程池等。

🦎2. 服务端ServerTcp程序介绍

0001

在ServerTcp函数定义定义了一个init函数，用于配置服务器的网络监听套接字，绑定IP地址和端口，并开始监听来自客户端的连接请求。
①首先创建套接字：
使用 函数创建一个套接字，这里使用的是IPv4（）和TCP（）协议。如果创建失败，会记录错误信息并退出程序。socketPF_INETSOCK_STREAM
②绑定地址和端口：
创建一个 结构体变量 ，它用于保存服务器的本地地址信息。struct sockaddr_inlocal
2.2. 清空 结构体，然后设置其成员变量，包括地址族（，设为 表示IPv4）、端口号（，通过 将主机字节序转换为网络字节序）、IP地址（），IP地址可以是配置的服务器IP或者通配地址 。localsin_familyPF_INETsin_porthtonssin_addr.s_addrINADDR_ANY
2.3. 使用 函数将创建的套接字 与上述配置绑定。如果绑定失败，会记录错误信息并退出程序。bindlistenSock_
③监听套接字：
使用 函数将套接字设置为监听状态，同时指定了允许等待连接的队列长度为5。如果监听失败，会记录错误信息并退出程序。listen
④加载线程池：
在这里，代码通过 获取了一个线程池的单例对象，用于处理客户端的请求。这个线程池的类型是 ，这是一个自定义的任务类，它将在客户端连接时调用来处理请求。ThreadPool::getInstance()Task
最后的注释解释了程序运行到这一步时，服务器已经配置完成，等待客户端的连接请求。

0002

这段代码是服务器的主循环函数 ，它是服务器的核心部分，用于不断接受客户端的连接请求，然后将连接的处理任务交给线程池来执行。
①打开线程池：
使用 启动线程池。这个操作会让线程池中的线程开始运行，并等待任务的到来。tp_->start()
②记录线程池启动成功的日志：
使用 记录一个 DEBUG 级别的日志，表示线程池启动成功，同时记录线程池中线程的数量。
③主循环：
进入一个无限循环，用于不断接受客户端的连接请求。
④接受连接：
使用 函数等待客户端的连接请求，当有客户端连接时， 返回一个新的套接字 ，用于与客户端通信。
⑤处理连接失败：
如果 返回的套接字小于 0，表示连接失败，代码记录一个 WARNING 级别的日志，包含错误信息，然后继续等待下一个连接请求。
⑥获取客户端信息：
6.1. 获取客户端的端口号和IP地址，并进行字节序的转换，以便后续日志记录和任务处理。
6.2. 记录 DEBUG 级别的日志，表示接受到客户端的连接请求，同时包含连接信息和套接字文件描述符。
创建任务对象：
在这里，代码创建了一个 Task对象 ，这个对象用于包装客户端的套接字、IP地址、端口号以及服务处理的回调函数 。
⑦将任务加入线程池：
使用 tp_->push(t);将任务 添加到线程池中等待执行。然后不断循环

🦖3.线程池ThreadPool介绍

0004

该代码实现了一个简单的线程池类,当创建线程池实例时,调用start函数之后会创建15个线程(预先设定),当有任务通过push接口进入任务队列时,线程会执行threadRountine()函数,首先该判断该线程任务队列里有没有任务在执行,如果有,那就进行条件等待 void waitForTask() { pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_); } ,线程池里支持15个线程同时执行处理任务的函数,当任务数超过15时才会出现等待,实现了多线程并发提高了任务执行效率.

🦕 4.任务类Task介绍

0005

‘Task’ 类的主要作用是将任务与处理该任务的函数关联起来，使任务的处理变得可定制化。当线程池从任务队列中取出任务时，会调用 ‘Task’ 对象的 ‘operator（）’ 函数，进而执行与任务关联的回调函数，完成任务的处理。这种方式允许灵活地定义和执行不同类型的任务。

🐙5. 客户端Client介绍

0006

这是一个简单的客户端程序，用于与服务器建立连接并进行通信。
首先要判断运行客户端的方式必须是 接收3个参数 运行程序+ip+端口
然后绑定协议族等信息,把接收的参数封装起来,与远端的服务器发起链接请求,进行通信,当输入的内容为”quit”时退出客户端.

🦑6.运行结果：

0007

🦐 7. 源码

🦞7.1 serverTcp.cc

#include "util.hpp"
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include"Threadpool.hpp"
#include <pthread.h>
#include"Task.hpp"

 //服务函数  ---->>>小写转换大写
 void transService(int sock,const std::string &clientip,uint16_t clientPort)
    {
        assert(sock >= 0);
        assert(!clientip.empty());
        assert(clientPort >= 1024);

        char inbuffer[BUFFER_SIZE];
        while (true)
        {
             ssize_t s=read(sock,inbuffer,sizeof(inbuffer)-1); //给“\0”留一个位置
             if(s>0)
             {
                //读取成功
                inbuffer[s]='\0';
                if(strcasecmp(inbuffer,"quit")==0)
                {
                    //如果输入quit直接退出
                    logMessage(DEBUG, "client quit -- %s[%d]", clientip.c_str(), clientPort);
                    break;
                }
                logMessage(DEBUG,"trans before: %s[%d]>>>%s",clientip.c_str(),clientPort,inbuffer);
                //下面进行大小写转换 
                  for(int i = 0; i < s; i++)
                {
                    if(isalpha(inbuffer[i]) && islower(inbuffer[i])) 
                        inbuffer[i] = toupper(inbuffer[i]);
                }
                logMessage(DEBUG, "trans after: %s[%d]>>> %s", clientip.c_str(), clientPort, inbuffer);

                //把转换后的写回套接字
                write(sock, inbuffer, strlen(inbuffer));
             
             }
              else if (s == 0)
            {
                logMessage(DEBUG, "client quit -- %s[%d]", clientip.c_str(), clientPort);
                break;
            }
            else
            {
                logMessage(DEBUG, "%s[%d] - read: %s", clientip.c_str(), clientPort, strerror(errno));
                break;
            }
      
        }
          // 只要走到这里，一定是client退出了，服务到此结束
        close(sock); // 如果一个进程对应的文件fd，打开了没有被归还，文件描述符泄漏！
        logMessage(DEBUG, "server close %d done", sock);
        
    }
    
template<class T>
class ServerTcp; // 申明一下ServerTcp
template<class T>
class ThreadData
{
public:
    uint16_t clientPort_;
    std::string clinetIp_;
    int sock_;
    ServerTcp <T>*this_;
public:
        ThreadData(uint16_t port, std::string ip, int sock,  ServerTcp<T> *ts)
            : clientPort_(port), clinetIp_(ip), sock_(sock),this_(ts)
        {}
};
template<class T>
class ServerTcp
{
    public:
    //构造
    ServerTcp(uint16_t port,const std::string &ip=""):port_(port),ip_(ip),listenSock_(-1),tp_(nullptr)
    {}
    //析构
    ~ServerTcp()
    {}
    public:
    void init() //初始化函数
    {
        //1.创建套接字
        listenSock_=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);   //PF_INET=IPV4 SOCK_STREAM=TCP 最后一个参数是协议 默认是0
        if (listenSock_ < 0) //如果socket创建成功会返回一个非负整数
        {
            //创建失败
            logMessage(FATAL, "socket: %s", strerror(errno));
            exit(SOCKET_ERR);
        }
        logMessage(DEBUG, "socket: %s, %d", strerror(errno), listenSock_);
        //2.bind绑定
        //2.1填充服务器信息
        struct sockaddr_in local; // 用户栈
        memset(&local, 0, sizeof local);
        local.sin_family = PF_INET;//ipv4
        local.sin_port = htons(port_);//htons 主机字节序转网络字节序
        ip_.empty()?(local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY):(inet_aton(ip_.c_str(),&local.sin_addr));
        //2.2本地socket信息 写入socket_t对应区域 
        if(bind(listenSock_,(const struct sockaddr*)&local,sizeof local)<0)
        {
            logMessage(FATAL,"bind:%s",strerror(errno));
            exit(BIND_ERR);
        }
        logMessage(DEBUG,"bind:%s,%d",strerror(errno),listenSock_);
        //3.监听套接字 
        if(listen(listenSock_,5)<0)
        {
            logMessage(FATAL,"listen:%s",strerror(errno));
            exit(LISTEN_ERR);
        }
        logMessage(DEBUG,"listen:%s,%d",strerror(errno),listenSock_);
        //加载线程池

        tp_=ThreadPool<Task>::getInstance();//获取单例



        //到这一步就运行起来等待客户端链接...

    }

    //多线程
   
    static void *threadRoutine(void *args)
    {
        pthread_detach(pthread_self()); //设置线程分离
        ThreadData<T> *td = static_cast<ThreadData<T>*>(args);
        td->this_->transService(td->sock_, td->clinetIp_, td->clientPort_);
        delete td;
        return nullptr;
    }


    void loop()
    {   
       //打开线程池 初始化
        tp_->start();
        logMessage(DEBUG, "thread pool start success, thread num: %d", tp_->threadNum());
      while(true)
      {
          struct sockaddr_in peer;
        socklen_t len=sizeof(peer);
        //4.获取链接
        int serviceSock=accept(listenSock_,(struct sockaddr* )&peer,&len);
        if(serviceSock<0)
        {
            //获取链接失败
            logMessage(WARINING,"Accept :%s[%d]",strerror(errno),serviceSock);
            continue;//获取失败继续获取
        }

        //4.1获取客户端基本信息
           uint16_t peerPort = ntohs(peer.sin_port);
            std::string peerIp = inet_ntoa(peer.sin_addr);

            logMessage(DEBUG, "accept: %s | %s[%d], socket fd: %d",
                       strerror(errno), peerIp.c_str(), peerPort, serviceSock);
            //5 提供服务, echo -> 小写 -> 大写
            //5.0 v0 版本 -- 单进程 -- 一旦进入transService，主执行流，就无法进行向后执行，只能提供完毕服务之后才能进行accept
            //transService(serviceSock, peerIp, peerPort);


            //多线版本
            // ThreadData *td = new ThreadData(peerPort, peerIp, serviceSock, this);
            // pthread_t tid;
            // pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, (void*)td);


            //线程池
     
            Task t(serviceSock, peerIp, peerPort, transService);
        
        

            tp_->push(t);
           

      }
    }

   

    private:
        // sock
    int listenSock_;
    // port
    uint16_t port_;
    // ip
    std::string ip_;
        // 引入线程池
    ThreadPool<Task> *tp_;
};

static void Usage(std::string proc)
{
    std::cerr << "Usage:\n\t" << proc << " port ip" << std::endl;
    std::cerr << "example:\n\t" << proc << " 8080 127.0.0.1\n" << std::endl;

}

 
// ./ServerTcp local_port local_ip
int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 2 && argc != 3 )
    {
        //只能提供两个或者三个参数
        Usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    uint16_t port = atoi(argv[1]);
    std::string ip;
    if(argc == 3) ip = argv[2];
    ServerTcp<Task> svr(port, ip);
    svr.init();
    svr.loop();
    return 0;
}

🦀 7.2 ThreadPool.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <cassert>
#include <queue>
#include <memory>
#include <cstdlib>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/prctl.h>
#include "Lock.hpp"
using namespace std;

int gThreadNum = 15; // 线程数
template <class T>
class ThreadPool
{
private:
    ThreadPool(int threadNum = gThreadNum) : threadNum_(threadNum), isStart_(false)
    {
        assert(threadNum_ > 0);
        pthread_mutex_init(&mutex_, nullptr);
        pthread_cond_init(&cond_, nullptr);
    }
    // 禁止掉拷贝构造和赋值构造
    ThreadPool(const ThreadPool<T> &) = delete;
    void operator=(const ThreadPool<T> &) = delete;

public:
    static ThreadPool<T> *getInstance()
    {
        static Mutex mutex;
        if (nullptr == instance) // 检查是否已经存在单例对象 （第一次检查）
        {
            LockGuard LockGuard(&mutex); // 进入代码块 加锁 退出
            if (nullptr == instance)     // （第二次检查）
            {
                instance = new ThreadPool<T>();
            }
            /*首先在没有锁的情况下检查一次instance是否为空，然后在加锁的情况下再进行一次检查
                确保多线程情况之下，只有一个线程成功创建实例*/
        }
        return instance;
    }

    // 线程执行函数
    static void *threadRountine(void *args)
    {
        /*每个线程将在该函数中循环等待任务，获取任务，执行任务，然后再次等待*/
        pthread_detach(pthread_self()); // 线程分离  防止资源泄漏
        ThreadPool<T> *tp = static_cast<ThreadPool<T> *>(args);
        while (1)
        {
            tp->lockQueue();
            while (!tp->haveTask())
            {
                tp->waitForTask();
            }
            // 拿到任务
            T t = tp->pop();
            tp->unlockQueue();
            t();
        }
    }

    void start()
    {
        assert(!isStart_);
        for (int i = 0; i < threadNum_; i++)
        {
            pthread_t temp;
            pthread_create(&temp, nullptr, threadRountine, this); // 创建线程
        }
        isStart_ = true; // 修改状态
    }

    void push(const T &in)
    {
        lockQueue();
        taskQueue_.push(in);
        choiceThreadForHandler();
        unlockQueue();
    }

    ~ThreadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex_);
        pthread_cond_destroy(&cond_);
    }

    int threadNum()
    {
        return threadNum_;
    }

private:
    void lockQueue()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_);
    } // 加锁

    void unlockQueue() { pthread_mutex_unlock(&mutex_); }          // 解锁
    bool haveTask() { return !taskQueue_.empty(); }                // 判断有没有任务在执行
    void waitForTask() { pthread_cond_wait(&cond_, &mutex_); }     // 条件等待
    void choiceThreadForHandler() { pthread_cond_signal(&cond_); } // 唤醒等待
    T pop()
    {
        T temp = taskQueue_.front();
        taskQueue_.pop();
        return temp;
    }

private:
    bool isStart_;
    int threadNum_;
    queue<T> taskQueue_;    // 任务队列
    pthread_mutex_t mutex_; // 锁
    pthread_cond_t cond_;   // 条件变量
    /*条件标志的作用是在一个或多个线程
    等待某个条件成立的情况下，阻塞自己，
    直到其他线程改变了共享数据并发出
    信号告诉等待的线程可以继续执行*/

    static ThreadPool<T> *instance; // 设置单例
    // const static int a = 100;
};
template <class T>
ThreadPool<T> *ThreadPool<T>::instance = nullptr;

🐡7.3 Task.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <pthread.h>
#include "log.hpp"

class Task
{
public:
    //等价于
    // typedef std::function<void (int, std::string, uint16_t)> callback_t;
    using callback_t = std::function<void (int, std::string, uint16_t)>;
private:
    int sock_; // 给用户提供IO服务的sock
    uint16_t port_;  // client port
    std::string ip_; // client ip
    callback_t func_;  // 回调方法
public:
    Task():sock_(-1), port_(-1)
    {}
    Task(int sock, std::string ip, uint16_t port, callback_t func)
    : sock_(sock), ip_(ip), port_(port), func_(func)
    {}
    void operator () ()
    {
        logMessage(DEBUG, "线程ID[%p]处理%s:%d的请求 开始啦...",\
            pthread_self(), ip_.c_str(), port_);

        func_(sock_, ip_, port_);

        logMessage(DEBUG, "线程ID[%p]处理%s:%d的请求 结束啦...",\
            pthread_self(), ip_.c_str(), port_);
    }
    ~Task()
    {}
};

🐠7.4ClientTcp.cc

#include "util.hpp"
// 2. 需要bind吗？？需要，但是不需要自己显示的bind！ 不要自己bind！！！！
// 3. 需要listen吗？不需要的！
// 4. 需要accept吗？不需要的!

volatile bool quit = false;

static void Usage(std::string proc)
{
    std::cerr << "Usage:\n\t" << proc << " serverIp serverPort" << std::endl;
    std::cerr << "Example:\n\t" << proc << " 127.0.0.1 8081\n"
              << std::endl;
}
// ./clientTcp serverIp serverPort
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    std::string serverIp = argv[1];
    uint16_t serverPort = atoi(argv[2]);

    // 1. 创建socket SOCK_STREAM
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock < 0)
    {
        std::cerr << "socket: " << strerror(errno) << std::endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }

    // 2. connect，向服务器发起链接请求， 
    // 2.1 先填充需要连接的远端主机的基本信息
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(serverPort);
    inet_aton(serverIp.c_str(), &server.sin_addr);
    // 2.2 发起请求，connect 会自动帮我们进行bind！
    if (connect(sock, (const struct sockaddr *)&server, sizeof(server)) != 0)
    {
        std::cerr << "connect: " << strerror(errno) << std::endl;
        exit(CONN_ERR);
    }
    std::cout << "info : connect success: " << sock << std::endl;

    std::string message;
    while (!quit)
    {
        message.clear();
        std::cout << "请输入你的消息>>> ";
        std::getline(std::cin, message); // 结尾不会有\n
        if (strcasecmp(message.c_str(), "quit") == 0)
            quit = true;

        ssize_t s = write(sock, message.c_str(), message.size());
        if (s > 0)
        {
            message.resize(1024);
            ssize_t s = read(sock, (char *)(message.c_str()), 1024);
            if (s > 0)
                message[s] = 0;
            std::cout << "Server Echo>>> " << message << std::endl;
        }
        else if (s <= 0)
        {
            break;
        }
    }
    close(sock);
    return 0;
}

🐟 7.5 Lock.hpp

本程序暂不涉及临界资源的访问 互斥锁的机制 可加可不加 我这里加上了 是为了学习和使用。

#pragma once
#include<iostream>
#include<pthread.h>
class Mutex
{
    public:
    Mutex()
    {
        pthread_mutex_init(&lock_,nullptr);
    }
    ~Mutex()
    {
        pthread_mutex_destroy(&lock_);
    }
       void lock()
    {
        pthread_mutex_lock(&lock_);
    }
    void unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(&lock_);
    }

private:
    pthread_mutex_t lock_;
};


class LockGuard
{
public:
    LockGuard(Mutex *mutex) : mutex_(mutex)
    {
        mutex_->lock();
        std::cout << "加锁成功..." << std::endl;
    }

    ~LockGuard()
    {
        mutex_->unlock();
        std::cout << "解锁成功...." << std::endl;
    }

private:
    Mutex *mutex_;
};

🐬7.7头文件util.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cassert>
#include <ctype.h>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "log.hpp"

#define SOCKET_ERR 1
#define BIND_ERR   2
#define LISTEN_ERR 3
#define USAGE_ERR  4
#define CONN_ERR   5

#define BUFFER_SIZE 1024

🐳7.6Makefile 文件

.PHONY:all
all:clientTcp serverTcp

clientTcp: ClientTCP.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
serverTcp:ServerTCP.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread

.PHONY:clean
clean:
	rm -f serverTcp clientTcp

00007

🐋7.8 日志文件 log.hpp

#pragma once

#include <cstdio>
#include <ctime>
#include <cstdarg>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <stdlib.h>

#define DEBUG 0
#define NOTICE 1
#define WARINING 2
#define FATAL 3

const char *log_level[]={"DEBUG", "NOTICE", "WARINING", "FATAL"};//四个提示等级

// logMessage(DEBUG, "%d", 10);
void logMessage(int level, const char *format, ...)//可变参数
{
    assert(level >= DEBUG);
    assert(level <= FATAL);

    char *name = getenv("USER");

    char logInfo[1024];//存储日志数据
    va_list ap; // ap -> char*                    va_list是一种允许您操作变量参数的类型，
    va_start(ap, format);                        //va_start用于初始化 ava_list以指向第一个变量参数

    vsnprintf(logInfo, sizeof(logInfo)-1, format, ap);

    va_end(ap); // ap = NULL


    FILE *out = (level == FATAL) ? stderr:stdout;

    fprintf(out, "%s | %u | %s | %s\n", \
        log_level[level], \
        (unsigned int)time(nullptr),\
        name == nullptr ? "unknow":name,\
        logInfo);

  
}

注：本程序是基于Linux系统下进行的，请在Linux环境下进行运行，本文为原创作品，各位转载请说明出处，创作不易，点赞支持技术大涨~~早日进大厂 ，关于程序有任何问题请在评论区留言…

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