【C++实战(62)】从0到1：C++打造TCP网络通信实战指南

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一、TCP 网络编程的基础概念

1.1 TCP 协议的特点

TCP（Transmission Control Protocol）即传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

面向连接意味着在数据传输之前，通信双方必须先建立连接，就像打电话前要先拨通对方号码一样 。通过三次握手的过程，客户端和服务器之间确认彼此的状态和参数，为后续的数据传输做好准备。比如我们在使用浏览器访问网页时，浏览器与服务器之间就需要先建立 TCP 连接，之后才开始传输网页数据。这种方式确保了数据传输的可靠性和有序性，因为连接建立后，双方可以按照约定的规则进行数据交互，减少了数据丢失和乱序的可能性。

可靠传输是 TCP 的重要特性。TCP 通过序列号、确认应答、重传机制等多种手段来保证数据能够准确无误地到达接收方。每个发送的数据包都有一个序列号，接收方接收到数据包后会返回确认应答，告诉发送方哪些数据已经成功接收。如果发送方在一定时间内没有收到确认应答，就会认为数据包丢失，从而重新发送该数据包。例如在文件传输中，TCP 协议确保了文件的每一个字节都能完整地传输到接收端，不会因为网络波动等原因导致文件损坏或数据缺失。

TCP 是基于字节流的协议，它将数据看作是连续的字节序列，而不是一个个独立的消息。发送方将数据写入 TCP 连接的发送缓冲区，接收方从 TCP 连接的接收缓冲区读取数据，数据的边界由应用层来处理。这就好比水流从一端源源不断地流向另一端，接收方需要根据应用层的协议来解析出完整的 “信息”。例如在实时聊天应用中，发送方可能会连续发送多个短消息，在 TCP 层面这些消息会被当作字节流进行传输，接收方则需要根据聊天协议来区分不同的消息。

1.2 网络编程的核心 API

在 C++ 网络编程中，socket、bind、listen、accept、connect 是几个核心的 API。

socket 函数用于创建一个套接字，它是网络通信的端点，就像是建立了一个 “通信通道” 的入口。其函数原型为int socket(int domain, int type, int protocol);，其中domain指定协议族，如AF_INET表示 IPv4 协议；type指定套接字类型，SOCK_STREAM表示面向流的 TCP 套接字，SOCK_DGRAM表示面向数据报的 UDP 套接字；protocol通常设为 0，表示使用默认协议。成功调用 socket 函数会返回一个文件描述符，后续的网络操作都通过这个描述符进行。例如int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);就创建了一个 TCP 套接字。

bind 函数用于将套接字绑定到一个特定的 IP 地址和端口号上，就像是给这个 “通信通道” 指定一个具体的 “地址”。函数原型是int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);，sockfd是 socket 函数返回的套接字描述符，addr是一个指向sockaddr结构体的指针，该结构体包含了要绑定的 IP 地址和端口号等信息，addrlen是addr结构体的长度。在服务器端，通常会将套接字绑定到一个固定的端口，以便客户端能够找到它。例如在一个 Web 服务器中，会将套接字绑定到 80 端口（HTTP 协议默认端口）。

listen 函数使套接字进入监听状态，准备接受客户端的连接请求，类似于在门口等待客人来访。其原型为int listen(int sockfd, int backlog);，sockfd是要监听的套接字描述符，backlog指定了等待连接队列的最大长度，即最多可以有多少个客户端连接处于等待状态。例如listen(sockfd, 10);表示最多允许 10 个客户端连接在队列中等待。

accept 函数用于接受客户端的连接请求，当有客户端连接到处于监听状态的套接字时，accept 函数会返回一个新的套接字描述符，用于与该客户端进行通信，就像是接待了来访的客人并专门为其开辟了一个交流通道。函数原型为int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);，sockfd是监听套接字描述符，addr用于返回客户端的地址信息，addrlen是addr结构体的长度。服务器通过循环调用 accept 函数，可以处理多个客户端的连接。

connect 函数用于客户端连接到服务器，就像是主动去拜访服务器。其原型为int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);，sockfd是客户端套接字描述符，addr是服务器的地址信息，addrlen是addr结构体的长度。客户端调用 connect 函数后，会尝试与服务器建立 TCP 连接，如果连接成功，就可以开始进行数据传输。

1.3 阻塞与非阻塞 IO 的区别

阻塞 IO 是指在执行 IO 操作（如读取或写入数据）时，程序会一直等待，直到操作完成才会继续执行后续代码。例如在使用recv函数接收数据时，如果没有数据到达，线程会被阻塞，无法执行其他任务，就像一个人在等待快递，在快递到达之前什么也做不了。阻塞 IO 的优点是实现简单，适用于简单的应用场景；缺点是在高并发情况下，大量线程被阻塞，会导致资源浪费和性能下降。比如一个简单的文件服务器，在同一时间只处理一个文件传输请求时，阻塞 IO 是可以满足需求的，但如果有多个客户端同时请求文件传输，阻塞 IO 就会使其他请求处于等待状态，降低了系统的响应速度。

非阻塞 IO 则不同，当执行 IO 操作时，如果操作不能立即完成，函数会立即返回，而不会阻塞线程。线程可以继续执行其他任务，通过轮询等方式来检查 IO 操作是否完成。例如在非阻塞模式下调用recv函数，如果没有数据可读，它会立即返回一个错误码（如EWOULDBLOCK），线程可以去处理其他事务，然后过一段时间再检查是否有数据可读。非阻塞 IO 适用于需要处理大量并发请求的场景，提高了系统的并发处理能力和响应速度。但它的实现相对复杂，需要更多的编程技巧来管理和处理 IO 事件。比如在一个高并发的聊天服务器中，使用非阻塞 IO 可以让服务器同时处理多个客户端的消息收发，不会因为某个客户端暂时没有消息而阻塞其他客户端的操作。

二、TCP 服务端的实现

2.1 服务端初始化流程

在实现 TCP 服务端时，初始化流程是关键的第一步。首先是创建 socket，这是网络通信的基础。通过调用socket函数，我们可以创建一个套接字，指定协议族为AF_INET（表示 IPv4 协议），套接字类型为SOCK_STREAM（表示面向流的 TCP 套接字），协议设为 0（使用默认协议）。例如：

int server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (server_socket == -1) {perror("socket creation failed");return -1;
}

这段代码尝试创建一个 TCP 套接字，如果创建失败，socket函数会返回 - 1，并通过perror函数输出错误信息。

创建 socket 后，需要将其绑定到一个特定的 IP 地址和端口号上，这一步通过bind函数完成。我们需要先填充一个sockaddr_in结构体，包含协议族、IP 地址和端口号等信息。例如，将套接字绑定到本地 IP 地址（INADDR_ANY表示任意本地 IP）和端口号 8888：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
server_addr.sin_port = htons(8888);if (bind(server_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("bind failed");close(server_socket);return -1;
}

在这个例子中，htons函数用于将端口号从主机字节序转换为网络字节序，确保不同主机之间的通信一致性。如果bind函数返回 - 1，说明绑定失败，需要关闭之前创建的 socket 并返回错误。

完成绑定后，调用listen函数使套接字进入监听状态，准备接受客户端的连接请求。listen函数的第二个参数指定了等待连接队列的最大长度，比如设置为 10，表示最多可以有 10 个客户端连接在队列中等待：

if (listen(server_socket, 10) == -1) {perror("listen failed");close(server_socket);return -1;
}
printf("Server is listening on port 8888...\n");

如果listen函数执行成功，服务器就开始在指定端口监听客户端连接，并输出提示信息。

2.2 处理客户端连接

当服务器处于监听状态后，通过accept函数来接受客户端的连接请求。accept函数会从等待连接队列中取出一个客户端连接，如果队列为空，它会阻塞等待，直到有新的客户端连接到来。例如：

int client_socket = accept(server_socket, NULL, NULL);
if (client_socket == -1) {perror("accept failed");return -1;
}
printf("New client connected: %d\n", client_socket);

这里accept函数返回一个新的套接字描述符client_socket，用于与该客户端进行通信。如果accept失败，返回 - 1 并输出错误信息。

在实际应用中，服务器往往需要处理多个客户端的连接。一种常见的方式是使用多线程来处理每个客户端连接。每当有新的客户端连接到来时，创建一个新的线程来处理该客户端的通信，这样服务器就可以同时处理多个客户端的请求。例如，使用 POSIX 线程库（pthread）实现多线程处理客户端连接：

#include <pthread.h>void* handle_client(void* arg) {int client_socket = *(int*)arg;// 处理客户端通信的逻辑close(client_socket);pthread_exit(NULL);
}while (true) {int client_socket = accept(server_socket, NULL, NULL);if (client_socket == -1) {perror("accept failed");continue;}pthread_t thread;if (pthread_create(&thread, NULL, handle_client, (void*)&client_socket) != 0) {perror("pthread_create failed");close(client_socket);} else {pthread_detach(thread);}
}

在这段代码中，handle_client函数是线程的执行函数，负责处理单个客户端的通信。每当有新的客户端连接时，创建一个新线程并将client_socket传递给线程函数。pthread_detach函数用于将线程设置为分离状态，使其结束后资源能够被系统自动回收。

除了多线程，也可以使用线程池来处理多客户端连接。线程池是一组预先创建好的线程，它们可以重复利用，避免了频繁创建和销毁线程的开销。在使用线程池时，当有新的客户端连接到来，将其任务添加到线程池的任务队列中，线程池中的线程从任务队列中取出任务并执行。这样可以更有效地管理资源，提高系统的性能和稳定性 。

2.3 数据收发逻辑

在服务端与客户端建立连接后，就可以进行数据的收发。接收数据使用recv函数，发送数据使用send函数。

recv函数用于从指定的套接字接收数据，它的原型为int recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);，其中sockfd是套接字描述符，buf是接收数据的缓冲区，len是缓冲区的大小，flags一般设置为 0。例如：

char buffer[1024];
int bytes_received = recv(client_socket, buffer, sizeof(buffer), 0);
if (bytes_received > 0) {buffer[bytes_received] = '\0';printf("Received from client: %s\n", buffer);
} else if (bytes_received == 0) {printf("Client disconnected\n");
} else {perror("recv failed");
}

这段代码尝试从client_socket接收数据，将数据存储在buffer中。如果接收到的数据长度大于 0，说明接收成功，在缓冲区末尾添加字符串结束符’\0’并输出接收到的数据；如果接收到的数据长度为 0，说明客户端断开了连接；如果recv函数返回 - 1，说明接收失败，输出错误信息。

send函数用于向指定的套接字发送数据，原型为ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);，参数含义与recv类似。例如：

const char* response = "Message received";
int bytes_sent = send(client_socket, response, strlen(response), 0);
if (bytes_sent == -1) {perror("send failed");
}

这里将字符串"Message received"发送给客户端，如果send函数返回 - 1，说明发送失败，输出错误信息。

为了提高数据收发的效率，合理设计数据缓冲区非常重要。可以采用环形缓冲区（Circular Buffer），它是一种特殊的数据结构，通过循环利用缓冲区空间，减少了内存的分配和释放操作，提高了数据处理的效率。在环形缓冲区中，有读指针和写指针，当写入数据时，写指针移动；当读取数据时，读指针移动。当写指针追上读指针时，表示缓冲区已满；当读指针追上写指针时，表示缓冲区为空。通过这种方式，可以有效地管理数据的读写，避免数据的丢失和覆盖，提高数据收发的效率和稳定性 。例如在一个高并发的网络服务器中，使用环形缓冲区可以大大提高数据处理的速度，确保服务器能够及时响应大量客户端的请求。

三、TCP 客户端的实现

3.1 客户端初始化流程

客户端初始化的第一步是创建 socket，这和服务端创建 socket 的方式类似，通过调用socket函数来完成。指定协议族为AF_INET，套接字类型为SOCK_STREAM，协议设为 0：

int client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (client_socket == -1) {perror("socket creation failed");return -1;
}

创建好 socket 后，就需要连接到服务端。这需要先填充一个sockaddr_in结构体，包含服务端的 IP 地址和端口号等信息，然后调用connect函数进行连接。假设服务端的 IP 地址为127.0.0.1，端口号为 8888：

struct sockaddr_in server_addr;
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
server_addr.sin_port = htons(8888);if (connect(client_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("connect failed");close(client_socket);return -1;
}
printf("Connected to server\n");

在这段代码中，inet_addr函数将点分十进制的 IP 地址转换为网络字节序的二进制形式，htons函数将端口号从主机字节序转换为网络字节序。如果connect函数返回 - 1，说明连接失败，需要关闭 socket 并返回错误；如果连接成功，会输出提示信息。

3.2 数据收发与异常处理

客户端与服务端建立连接后，就可以进行数据的收发。发送数据使用send函数，接收数据使用recv函数，这和服务端的数据收发函数是一样的。例如，发送数据：

const char* message = "Hello, server";
int bytes_sent = send(client_socket, message, strlen(message), 0);
if (bytes_sent == -1) {perror("send failed");
}

这里将字符串"Hello, server"发送给服务端，如果send函数返回 - 1，说明发送失败，输出错误信息。

接收数据的示例代码如下：

char buffer[1024];
int bytes_received = recv(client_socket, buffer, sizeof(buffer), 0);
if (bytes_received > 0) {buffer[bytes_received] = '\0';printf("Received from server: %s\n", buffer);
} else if (bytes_received == 0) {printf("Server disconnected\n");
} else {perror("recv failed");
}

这段代码尝试从服务端接收数据，将数据存储在buffer中。如果接收到的数据长度大于 0，说明接收成功，在缓冲区末尾添加字符串结束符’\0’并输出接收到的数据；如果接收到的数据长度为 0，说明服务端断开了连接；如果recv函数返回 - 1，说明接收失败，输出错误信息。

在实际应用中，可能会遇到连接断开的异常情况，比如网络波动、服务端异常关闭等。为了提高系统的稳定性，可以实现连接断开重连机制。例如，当检测到连接断开（recv返回 0）时，尝试重新连接服务端：

while (true) {char buffer[1024];int bytes_received = recv(client_socket, buffer, sizeof(buffer), 0);if (bytes_received > 0) {buffer[bytes_received] = '\0';printf("Received from server: %s\n", buffer);} else if (bytes_received == 0) {printf("Server disconnected, trying to reconnect...\n");close(client_socket);sleep(5); // 等待5秒后尝试重连client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (client_socket == -1) {perror("socket creation failed during reconnection");return -1;}if (connect(client_socket, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("connect failed during reconnection");close(client_socket);return -1;}printf("Reconnected to server\n");} else {perror("recv failed");}
}

在这个示例中，当检测到连接断开时，先关闭当前的 socket，等待 5 秒后重新创建 socket 并尝试连接服务端。如果重连成功，继续进行数据收发；如果重连失败，根据具体情况进行处理。

3.3 客户端与服务端的协议设计

为了确保客户端和服务端能够准确无误地进行数据交互，需要设计一套自定义的协议，尤其是消息格式。一种常见的自定义消息格式设计是采用 “头部 + 长度 + 内容” 的形式。例如，定义一个消息头部结构体：

struct MessageHeader {int message_type; // 消息类型，如登录消息、聊天消息等int message_length; // 消息内容的长度
};

在发送消息时，先填充MessageHeader结构体，设置好消息类型和长度，然后将头部和消息内容一起发送。假设要发送一条聊天消息：

const char* chat_message = "How are you?";
MessageHeader header;
header.message_type = 1; // 假设1表示聊天消息
header.message_length = strlen(chat_message);char send_buffer[1024];
memcpy(send_buffer, &header, sizeof(header));
memcpy(send_buffer + sizeof(header), chat_message, header.message_length);int bytes_sent = send(client_socket, send_buffer, sizeof(header) + header.message_length, 0);
if (bytes_sent == -1) {perror("send failed");
}

在接收消息时，先接收头部，根据头部的长度再接收消息内容：

MessageHeader received_header;
int bytes_received = recv(client_socket, &received_header, sizeof(received_header), 0);
if (bytes_received == sizeof(received_header)) {char received_content[1024];bytes_received = recv(client_socket, received_content, received_header.message_length, 0);if (bytes_received == received_header.message_length) {received_content[bytes_received] = '\0';if (received_header.message_type == 1) {printf("Received chat message: %s\n", received_content);}} else {perror("recv content failed");}
} else {perror("recv header failed");
}

这样，通过自定义的消息格式和解析方法，客户端和服务端能够清晰地识别和处理不同类型的消息，提高了数据传输的准确性和可靠性。

四、实战项目：简易聊天系统（TCP 版）

4.1 项目需求

本实战项目旨在基于 TCP 协议实现一个简易的聊天系统，满足以下功能需求：

• 多客户端同时连接：服务器能够处理多个客户端同时发起的连接请求，允许多个用户同时在线聊天，就像一个热闹的聊天室，大家都可以进入交流。
• 实时消息收发：客户端之间可以实时发送和接收聊天消息，确保消息能够快速准确地传递，让用户感觉就像面对面交流一样，几乎没有延迟。
• 用户身份标识：每个客户端在连接服务器时，需要进行身份标识，例如使用用户名进行登录。这样在聊天过程中，能够明确显示消息的发送者，方便用户识别和交流，就像在群聊中每个人都有自己的昵称一样。

4.2 线程池处理多客户端连接，自定义协议解析消息

为了高效地处理多客户端连接，我们采用线程池技术。线程池预先创建一定数量的线程，当有新的客户端连接到来时，将处理该连接的任务分配给线程池中的空闲线程，避免了频繁创建和销毁线程的开销。

以 C++ 的std::thread和std::mutex为例，实现一个简单的线程池：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <functional>class ThreadPool {
public:ThreadPool(size_t numThreads) {for (size_t i = 0; i < numThreads; ++i) {threads.emplace_back([this] {while (true) {std::function<void()> task;{std::unique_lock<std::mutex> lock(this->queueMutex);this->condition.wait(lock, [this] { return this->stop ||!this->tasks.empty(); });if (this->stop && this->tasks.empty())return;task = std::move(this->tasks.front());this->tasks.pop();}task();}});}}~ThreadPool() {{std::unique_lock<std::mutex> lock(queueMutex);stop = true;}condition.notify_all();for (std::thread& thread : threads) {thread.join();}}template<class F, class... Args>void enqueue(F&& f, Args&&... args) {{std::unique_lock<std::mutex> lock(queueMutex);if (stop)throw std::runtime_error("enqueue on stopped ThreadPool");tasks.emplace(std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...));}condition.notify_one();}private:std::vector<std::thread> threads;std::queue<std::function<void()>> tasks;std::mutex queueMutex;std::condition_variable condition;bool stop = false;
};

在服务器端，当有新的客户端连接时，将处理该客户端的任务添加到线程池：

ThreadPool pool(4); // 创建包含4个线程的线程池
while (true) {int client_socket = accept(server_socket, NULL, NULL);if (client_socket == -1) {perror("accept failed");continue;}pool.enqueue([client_socket] {// 处理客户端通信的逻辑char buffer[1024];int bytes_received = recv(client_socket, buffer, sizeof(buffer), 0);if (bytes_received > 0) {buffer[bytes_received] = '\0';std::cout << "Received from client: " << buffer << std::endl;} else if (bytes_received == 0) {std::cout << "Client disconnected" << std::endl;} else {perror("recv failed");}close(client_socket);});
}

对于消息的解析，我们设计一个自定义协议。例如，采用 “头部 + 长度 + 内容” 的格式，头部包含消息类型（如普通消息、登录消息等）和消息长度。定义一个消息头部结构体：

struct MessageHeader {int message_type;int message_length;
};

在发送消息时，先填充头部，然后将头部和消息内容一起发送：

const char* chat_message = "Hello, everyone!";
MessageHeader header;
header.message_type = 1; // 假设1表示普通消息
header.message_length = strlen(chat_message);char send_buffer[1024];
memcpy(send_buffer, &header, sizeof(header));
memcpy(send_buffer + sizeof(header), chat_message, header.message_length);int bytes_sent = send(client_socket, send_buffer, sizeof(header) + header.message_length, 0);
if (bytes_sent == -1) {perror("send failed");
}

在接收消息时，先接收头部，根据头部的长度再接收消息内容：

MessageHeader received_header;
int bytes_received = recv(client_socket, &received_header, sizeof(received_header), 0);
if (bytes_received == sizeof(received_header)) {char received_content[1024];bytes_received = recv(client_socket, received_content, received_header.message_length, 0);if (bytes_received == received_header.message_length) {received_content[bytes_received] = '\0';if (received_header.message_type == 1) {std::cout << "Received chat message: " << received_content << std::endl;}} else {perror("recv content failed");}
} else {perror("recv header failed");
}

4.3 系统稳定性测试

为了确保系统的稳定性，需要进行一系列测试：

• 长时间连接测试：让多个客户端与服务器保持连接数小时甚至数天，观察是否会出现连接断开、内存泄漏等问题。在测试过程中，不断发送和接收消息，模拟真实的聊天场景。如果发现连接断开，分析断开的原因，可能是网络波动、服务器资源耗尽等。对于内存泄漏问题，可以使用内存检测工具如 Valgrind（在 Linux 环境下）来检测程序运行过程中的内存使用情况，确保程序在长时间运行后不会因为内存问题而崩溃。
• 高并发消息测试：同时向服务器发送大量的聊天消息，测试服务器在高并发情况下的性能。可以使用多线程或专门的测试工具来模拟多个客户端同时发送消息的场景。观察服务器的响应时间、吞吐量等指标，判断系统是否能够承受高并发的压力。如果服务器响应时间过长或出现消息丢失的情况，需要分析原因并进行优化。可能需要调整服务器的缓冲区大小、优化线程池的调度策略等，以提高系统在高并发情况下的性能和稳定性。

通过以上测试，根据测试结果对系统进行优化，不断调整参数和代码逻辑，直到系统能够稳定可靠地运行，满足实际应用的需求。