TCP客户/服务器程序示例
系列文章导航：《Unix 网络编程》笔记
目标
ECHO-Application 结构如下：
除此之外，还有：
- Client 和 Server 启动时发生什么
- Client 正常终止时发生什么
- Server 先意外终止会发生什么
程序代码
服务端
#include "unp.h"
int main(int argc, char **argv)
{
int listenfd, connfd;
pid_t childpid;
socklen_t clilen;
struct sockaddr_in cliaddr, servaddr;
// 创建 Socket
listenfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
// 初始化连接参数
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
// 绑定
Bind(listenfd, (SA *)&servaddr, sizeof(servaddr));
// 开始监听
Listen(listenfd, LISTENQ);
for (;;)
{
clilen = sizeof(cliaddr);
// 服务器阻塞, 等待请求
connfd = Accept(listenfd, (SA *)&cliaddr, &clilen);
if ((childpid = Fork()) == 0)
{ /* child process */
Close(listenfd); /* close listening socket */
str_echo(connfd); /* process the request */
exit(0);
}
Close(connfd); /* parent closes connected socket */
}
}
#include "unp.h"
void str_echo(int sockfd)
{
ssize_t n;
char buf[MAXLINE];
again:
while ((n = read(sockfd, buf, MAXLINE)) > 0)
Writen(sockfd, buf, n);
if (n < 0 && errno == EINTR)
goto again;
else if (n < 0)
err_sys("str_echo: read error");
}
客户端
#include "unp.h"
int main(int argc, char **argv)
{
int sockfd;
struct sockaddr_in servaddr;
if (argc != 2)
err_quit("usage: tcpcli <IPaddress>");
sockfd = Socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);
Inet_pton(AF_INET, argv[1], &servaddr.sin_addr);
Connect(sockfd, (SA *) &servaddr, sizeof(servaddr));
str_cli(stdin, sockfd); /* do it all */
exit(0);
}
#include "unp.h"
void
str_cli(FILE *fp, int sockfd)
{
char sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];
while (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) != NULL) {
Writen(sockfd, sendline, strlen(sendline));
if (Readline(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0)
err_quit("str_cli: server terminated prematurely");
Fputs(recvline, stdout);
}
}
正常情况
当我们把服务器和客户端都启动后，可以通过命令查看网络的情况：
[root@centos-5610 Unix_Network]# netstat -a | grep 9877
tcp 0 0 0.0.0.0:9877 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 localhost:9877 localhost:38160 ESTABLISHED
tcp 0 0 localhost:38160 localhost:9877 ESTABLISHED
- 第一个是服务器的父进程，状态为 LISTEN，监听范围和可接受范围如上所示
- 第二个是客户端进程
- 第三个是服务器的子进程，为客户端提供具体的服务
连接的正常断开
我们在客户端输入 EOF （Ctrl + D），之后会发生一系列事情：
（上述如套接字的操作其实是在内核完成的，这里为了简便所以标在了对应的线程上）
如下，可以看到客户端的 TIME_WAIT 状态持续了一段时间
[root@centos-5610 Unix_Network]# netstat -a | grep 9877
tcp 0 0 0.0.0.0:9877 0.0.0.0:* LISTEN
tcp 0 0 localhost:38160 localhost:9877 TIME_WAIT
[root@centos-5610 Unix_Network]# netstat -a | grep 9877
tcp 0 0 0.0.0.0:9877 0.0.0.0:* LISTEN
POSIX信号处理
僵死进程
背景
在上述程序中，其实子进程结束后，会向父进程发送一个 SIGCHLD 信号，我们这里没有捕捉，默认行为为被忽略。
既然父进程未加处理，子进程于是进入僵死状态，如下状态 Z 所示：
[root@centos-5610 Unix_Network]# ps -t pts/0 -o pid,ppid,stat,tty,args,wchan
PID PPID STAT TT COMMAND WCHAN
2008 1771 S pts/0 ./tcpserv01 inet_csk_accept
2382 2008 Z pts/0 [tcpserv01] <defunct> do_exit
或如下所示：
[root@centos-5610 tcpcliserv]# ps
PID TTY TIME CMD
1771 pts/0 00:00:00 bash
2008 pts/0 00:00:00 tcpserv01
2382 pts/0 00:00:00 tcpserv01 <defunct>
2555 pts/0 00:00:00 tcpserv01 <defunct>
2654 pts/0 00:00:00 tcpserv01 <defunct>
2886 pts/0 00:00:00 tcpserv01 <defunct>
3238 pts/0 00:00:00 tcpserv01 <defunct>
6685 pts/0 00:00:00 ps
为什么会有僵死进程
设置僵死的目的是维护子进程的信息，以便父进程在以后某个时候获取这些信息（包括进程 ID、终止状态、资源利用情况）
父进程终止了，还有人管这些僵死进程吗
如果父进程也终止了，而其有处于僵死状态的子进程，那么子进程的父进程会被设置为 1（init 进程的 ID），init 进程会清理他们（wait，后续讲解）
僵死进程的坏处
他们占用内核的空间，最终可能导致我们耗尽处理资源，所以我们必须处理僵死进程。
信号基础
信号就是告知某个进程发生了某个事件的通知，有时也称为软件中断。
信号的来源
- 一个进程发送给另一个进程（或自身）
- 由内核发给某个进程
信号的处理
通过调用 sigaction 函数设定一个信号的处理，并有三种选择：
- 设置一个信号处理函数。SIGKILL 和 SIGSTOP 不能被捕获
- 设定为
SIG_IGN来忽略它。同样，上述两个信号不能被忽略 - 设定为
SIG_DFL来启用他的默认处置。默认处置通常是终止进程
signal
sigaction 函数太过于复杂，所以一般我们会调用 signal 函数。
但是 signal 函数由于历史和标准的原因在不同的系统上实现不一致，所以我们实现自己的 signal 方法。其签名如下：
void (*signal(int signo, void (*func)(int)))(int);
我们会做一些处理，简化其表示：
typedef void Sigfunc(int);
Sigfunc *signal(int signo, Sigfunc * func);
signal 函数如下：
#include "unp.h"
Sigfunc *signal(int signo, Sigfunc *func)
{
struct sigaction act, oact;
act.sa_handler = func;
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags = 0;
if (signo == SIGALRM)
{
#ifdef SA_INTERRUPT
act.sa_flags |= SA_INTERRUPT; /* SunOS 4.x */
#endif
}
else
{
#ifdef SA_RESTART
act.sa_flags |= SA_RESTART; /* SVR4, 44BSD */
#endif
}
if (sigaction(signo, &act, &oact) < 0)
return (SIG_ERR);
return (oact.sa_handler);
}
处理 SIGCHLD 信号
建立一个俘获 SIGCHLD 信号的信号处理函数，在函数体中调用 wait（后面会提到）：
void sig_chld(int signo)
{
pid_t pid;
int stat;
pid = wait(&stat);
printf("child %d terminated\n", pid);
return;
}
在 Listen 方法后调用：（必须在 fork 前调用，且只能执行一次）
Listen(listenfd, LISTENQ);
Signal(SIGCHLD, sig_chld);
此时就不会再出现僵死进程了。
被中断的系统调用
慢系统调用
如 accept 等函数，如果没有用户连接，将一直阻塞下去，把这样的系统调用称为慢系统调用。
满系统调用的中断
如前一节我们处理 SIGCHLD 信号时，当系统阻塞于一个慢系统调用时，而该进程又捕获了一个信号，且相应的信号处理函数返回时，该系统调用可能会返回一个 IENTER 错误。
有些系统可能会自动重启某些被中断的系统调用，但是出于对程序的可移植性考虑，我们应该对此有所准备。
for (;;) {
clilen = sizeof(cliaddr);
if ((connfd = accept(listenfd, (SA *)&cliaddr, &clilen)) < 0) {
if (errno == EINTER) {
continue;
}
else {
err_sys("XXX");
}
}
}
这种方式对 accept 以及诸如 read、write、select、open 之类的函数来说都是合适的，但是如前面所说，connect 函数不能重启。
wait 和 waitpid
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *statloc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);
相同之处
均返回已终止子进程的 ID，以及通过 statloc 指针返回的子进程终止状态
一些宏 WIFEXIST、WEXITSTATUS 可以用来查看其信息
不同之处
如果调用 wait 的进程没有已终止的子进程，则阻塞至第一个现有子进程终止为止
而 waitpid 可以通过 pid 和 options 参数来进行更多的控制
wait 的问题
如果我们用多台客户端发送请求，然后同时终止，如下：
多个 SIGCHLD 信号会到达，但是 wait 只会被执行一次，导致会留下 4 个僵死进程，如果是在不同的机器上执行的，则更为不确定。
用 waitpid 可以解决这个问题：
#include "unp.h"
void sig_chld(int signo) {
pid_t pid;
int stat;
while ( (pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0)
printf("child %d terminated\n", pid);
return;
}
- WNOHANG 表示如果没有终止的子进程就阻塞（因此我们可以用 while 循环）
异常情况
accept 返回前连接中止
连接刚刚建立，客户端就发送一个 RST。
如何处理这种情况取决于具体的实现。
服务器进程终止
这里指的是服务器的子进程，也就是提供具体服务的那个进程。
我们先把 server/client 启动，然后把子进程关闭掉，观察现象：
[root@centos-5610 tcpcliserv]# ./tcpcli01 127.0.0.1
>>1
str_cli: server terminated prematurely
- 如果我们什么也不做，那么客户端会一直被 fgets 阻塞，它对外界发生的事情一无所知
- 如果我们发送什么新的信息，那么会出现一个报错信息
过程解释
- 服务器的相关 socket 关闭后，会发送一个 FIN 个客户端
- 客户端 socket 虽然接收到了，但是这只表示服务器进程关闭了连接的服务器端，从而不在往其中发送任何消息了，但并没有告知客户 TCP 服务器进程已经终止；所以客户端还是可以发送 writen 的
- 当服务器 TCP 接收到来自客户的数据时，由于该 TCP 已经被关闭，所以会相应一个 RST
- 客户端在调用 write 后便进入 readline，于是接收到了 TCP 之前发送到的 FIN （客户端没有接收到 RST），这将使 readline 返回 0，程序结束
- 客户端进行关闭资源的各项操作
本例的问题在于：
- 客户端同时应对了两个描述符：套接字和用户输入
- 客户端应该阻塞在其中任何一个源的输入上，而不是单纯地阻塞在这两个源中某个特定源的输入上
这正是后文 select 和 poll 这两个函数的目的之一；后文经过修改，即可让程序立刻对服务器的 FIN 进行处理
SIGPIPE 信号
- 前文：接收到客户端的 FIN 后，仍然可以 write 写数据
- 但是，如果接收到了服务器的 RST，此时如果再写数据，就会由内核向进程发送一个 SIGPIPE 信号；此信号的默认行为是终止进程
- 我们可以捕获该信号，不过无论是否捕获，readline 还是会返回一个 EPIPE 错误
服务器主机崩溃
例如服务器宕机了，这种情况下服务器来不及交代“遗言”就挂掉了。
发生的事情
- 如果客户端不发送消息，则会想上文提到的场景一样，永远等下去
- 如果发送消息，则会由于接收不到服务器的响应而不断尝试重新发送，书中等待了 9 分钟才放弃发送，返回
ETIMEDOUT，如果被路由器判定不可达，则返回EHOSTUNREACH或ENETUNREACH
改进
- 对于上述第一种问题，可以采用后文的
SO-KEEPALIVE套接字选项 - 第二个人问题可以对
readline设置一个超时
如果服务器重启
- 尽管重启了，但是 TCP 套接字的信息都丢失了
- 只能对发过来的请求说：我认识你吗（RST）
- 客户端 readline 接收到 RST 后，返回
ECONNRESET错误
服务器主机关机
Unix 系统关机时，会“先礼后兵”：
- 先发送
SIGTERM信号给所有进程，在一段时间后再发送SIGKILL信号 - 接收到
SIGTERM进程一般会进行一些善后操作，如果进程不捕获这个信号，那他的默认行为就是终止进程 -
SIGKILL会让所有进程终止，自然也会释放套接字等信息
数据格式
由于如下的问题：
- 不同的实现以不同的方式存储二进制，如大小端字节序
- 不同的实现在存储相同的 C 数据类型上的差异
- 不同的实现给结构打包的方式存在差异
所以通过套接字传输二进制数据是不明智的。
解决方法有：
- 把所有的数值数据作为文本串来传递
- 显示定义所支持数据类型的二进制格式，并传输此格式的数据，如 RPC 通常包括这种技术