计算机网络套接字编程实验-TCP多进程并发服务器程序与单进程客户端程序（简单回声）

1．实验系列

·Linux NAP-Linux网络应用编程系列

2．实验目的

·理解多进程（Multiprocess）相关基本概念，理解父子进程之间的关系与差异，熟练掌握基于fork（）的多进程编程模式；

·理解僵尸进程产生原理，能基于｜sigaction（）或signal（），使用waitpid（）规避僵尸进程产生；

·理解Linux 文件系统的组织方式，掌握文件描述符的基本概念，理解主进程 fork（）进程后，子进程对于主进程fork（）前创建的文件描述符的继承关系；

·在「TCP单进程循环服务器与单进程客户端」的基础上，进一步实践巩固：a.单进程循环服务器套接字编程基本模式；

b.服务器对于客户端正常结束的识别处理；c.客户端基于命令行指令的退出实现方式；

d.服务器基于SIGINT 信号的退出实现方式（僵速系统调用退出问题）；

同时，还要进一步理解并掌握TCP多进程并发服务器套接字编程模式与技能，包括：a.多进程并发服务器套接字编程核心系统调用模式：

b.多进程并发服务器规避产生僵尸进程的基本模式（包括 SIGCHLD 处理等）；c.简单应用层协议及其PDU的设计、构建与解析处理；

d.文件的读写应用

3．实验内容

·编写TCP多进程循环服务器程序与单进程客户端程序，实现以下主体功能：。客户端启动连接服务器之后，进入命令行交互模式。

操作人员在命令行窗口输入一行字符并回车后，客户端进程立刻从命令行（本质即 stdin）读取数据，并将该行信息发送给服务器。

·服务器收到该行信息后，会将该信息原封不动的返回给客户端，即所谓消息回声（Message Echo）。。客户端收到服务器返回的消息回声后，将其打印输出至屏幕（本质即 stdout）。

·客户端在从命令行收到 EXIT 指令后退出。

·若服务器启动时设定 Established Queue的长度，即listen（）第二个参数backlog为2，则最多可以有2个客户编同时连上服务器并开展交互，此时，再启动另一个客户端连接服务器，观察体验是什么现象，并尝试分析现象背后的底层逻辑。

·本实验不考核以下内容：SIGPIPE 信号处理、基于多次读取的PDU完整获取、PDU 完整设计、多进程客户端.

·本实验不涉及复杂业务，仅要求进行PDU筒单设计（增加了头部要求，但不涉及长度字段），实现简单消息回声服务，以帮助学生理解并构建多进程并发服务器程序的基本框架。

·【重要假设】

·当网络与主机环境均比较理想时，可以支持客户端与服务器实现对于PDU的一次性收发」，即仅通过 read（）／write（）的一次调用，即可实现PDU（本实验中即消息／消息回声）的「完整收发」.

·本实验中，数据传输量很小（将明确限定一行数据的上限），且测评时客户端与服务器进程均在同一容器内工作，故而不会出现一次收发不能处理「单—PDU」的场景。

服务器端代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>     //exit()函数相关
#include <unistd.h>     //C 和 C++ 程序设计语言中提供对 POSIX 操作系统 API 的访问功能的头文件
#include <sys/types.h>  //Unix/Linux系统的基本系统数据类型的头文件,含有size_t,time_t,pid_t等类型
#include <sys/socket.h> //套接字基本函数相关
#include <netinet/in.h> //IP地址和端口相关定义，比如struct sockaddr_in等
#include <arpa/inet.h>  //inet_pton()等函数相关
#include <string.h>    //bzero()函数相关
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include <sys/wait.h> //SIGCHLD信号使用
#include <pthread.h>
#define BACKLOG    5      //listen函数参数
#define MAXDATASIZE    140
char p[MAXDATASIZE + 100];
void handle_sigint(int sig);
void srv_biz(int connfd,char* veri_code);
void sig_chld(int signo);
void sig_pipe(int signo);
char buf[MAXDATASIZE];
int sigint_flag = 0; // 标记服务器进程是否受到signal信号
int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 4){                 //如果命令行用法不对，则提醒并退出printf("usage: %s  <server IP address>  <server port> <veri_code>\n",argv[0]);exit(0);}int    listenfd, connectfd;        //分别是监听套接字和连接套接字struct sockaddr_in server, client; //存放服务器和客户端的地址信息（前者在bind时指定，后者在accept时得到）int    sin_size;                      // accept时使用，得到客户端地址大小信息pid_t pid;//安装使用SIGPIPEstruct sigaction sigact_pipe;sigemptyset(&sigact_pipe.sa_mask);sigact_pipe.sa_handler = sig_pipe;//信号处理函数sigact_pipe.sa_flags = 0;sigact_pipe.sa_flags |= SA_RESTART;//设置受影响的慢系if (sigaction(SIGPIPE, &sigact_pipe, NULL) < 0){perror("cannot ignore SIGPIPE");return -1;}//安装SIGINT信号处理器struct sigaction sa;sa.sa_flags = 0;sa.sa_handler = handle_sigint;sigemptyset(&sa.sa_mask);if(sigaction(SIGINT, &sa, NULL) < 0){return -1;}//注册SIGCHLD的处理函数struct sigaction sigact_chld, old_sigact_chld;sigemptyset(&sigact_chld.sa_mask);sigact_chld.sa_handler = sig_chld;sigact_chld.sa_flags = 0;if (sigaction(SIGCHLD, &sigact_chld, &old_sigact_chld) < 0){return -1;}if((listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)  //建立监听套接字{//perror是系统函数，参见https://www.cnblogs.com/noxy/p/11188583.htmlperror("Create socket failed.");exit(-1);}int opt = SO_REUSEADDR;setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)); //将地址和端口设为可立即重用（后续再解释）//这4行是设置地址结构变量的标准做法，可直接套用bzero(&server, sizeof(server));server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &server.sin_addr) == 0){perror("Server IP Address Error:\n");exit(1);}//把server里的地址信息绑定到监听套接字上if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {perror("Bind error.");exit(-1);}if (listen(listenfd, BACKLOG) == -1) { //开始监听perror("listen error.");exit(-1);}sprintf(p,"[srv](%d)[srv_sa](%s:%s)[vcd](%s) Server has initialized!\n",getpid(),argv[1],argv[2],argv[3]);fputs(p, stdout);sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);int sym = 0;while(!sigint_flag) {//接受客户端连接（从监听队列里取出）if ((connectfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&client, (socklen_t *)&sin_size)) == -1) {if(errno == EINTR){continue;} else{perror("accept error.");exit(-1);}} sprintf(p,"[srv] client[%s:%d] is accepted!\n",inet_ntoa(client.sin_addr),client.sin_port);fputs(p, stdout);if ((pid= fork()) > 0) { // 父进程close(connectfd);continue;} else if (pid == 0) { // 子进程close(listenfd);srv_biz(connectfd, argv[3]);close(connectfd);return 0;} else { // 出现错误perror("Create child process failed.");exit(1);}close(connectfd); //关闭连接套接字} close(listenfd); //关闭监听套接字
}void srv_biz(int connfd,char* veri_code){char tep[MAXDATASIZE + 3];short cid_net;while(1){int numbytes; // 从客户端接收字节数numbytes = read(connfd,&cid_net,2); // 读取2字节的客户端编号if(numbytes == 0){break;}if((numbytes = read(connfd,buf,MAXDATASIZE)) == -1) {perror("recv error.");exit(1);}if(numbytes == 0){break;}sprintf(p, "[chd](%d)[cid](%d)[ECH_RQT] %s", getpid(), (short)ntohs(cid_net), buf);fputs(p,stdout);bzero(p, sizeof(p));bzero(tep,sizeof(tep));short vcd_net = (short)htons((uint16_t)atoi(veri_code));memcpy(tep, &vcd_net,2);memcpy(tep + 2, buf, numbytes);write(connfd, tep, sizeof(tep));}
}void handle_sigint(int sig){ // 定义SIGNAL信号处理器sprintf(p,"[srv] SIGINT is coming!\n");fputs(p, stdout);sigint_flag = 1;
}
void sig_chld(int signo){pid_t pid_chld;int stat;while((pid_chld = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0){sprintf(p, "[srv](%d)[chd](%d) Child has terminated!\n",getppid(),pid_chld);fputs(p, stdout);}
}void sig_pipe(int signo) {int sig_num = signo;pid_t pid = getpid();printf("[srv](%d) SIGPIPE is coming!\n", pid);
}

客户端代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>     //exit()函数，atoi()函数
#include <unistd.h>     //C 和 C++ 程序设计语言中提供对 POSIX 操作系统 API 的访问功能的头文件
#include <sys/types.h>  //Unix/Linux系统的基本系统数据类型的头文件,含有size_t,time_t,pid_t等类型
#include <sys/socket.h> //套接字基本函数
#include <netinet/in.h> //IP地址和端口相关定义，比如struct sockaddr_in等
#include <arpa/inet.h>  //inet_pton()等函数
#include <string.h>     //bzero()函数
#include <signal.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#define MAXDATASIZE    140
char p[MAXDATASIZE + 300];
void handle_sigint(int sig);
void cli_biz(int fd, char* cid);
void sig_chld(int signo);
int sigint_flag = 0; // 标记服务器进程是否受到signal信号
int main(int argc, char *argv[])
{int    clientfd;      //clientfd是客户端套接字struct sockaddr_in server_addr; //存放服务器端地址信息，connect()使用if (argc != 4){                 //如果命令行用法不对，则提醒并退出printf("usage: %s  <server IP address>  <server port> <cid>\n",argv[0]);exit(0);}//安装使用SIGPIPEstruct sigaction ssa;ssa.sa_handler = SIG_IGN;sigemptyset(&ssa.sa_mask);ssa.sa_flags = 0;if (sigaction(SIGPIPE, &ssa, NULL) < 0){perror("cannot ignore SIGPIPE");return -1;}//安装SIGINT信号处理器struct sigaction sa;sa.sa_flags = 0;sa.sa_handler = handle_sigint;sigemptyset(&sa.sa_mask);sigaction(SIGINT, &sa, NULL);//注册SIGCHLD的处理函数struct sigaction sigact_chld, old_sigact_chld;sigemptyset(&sigact_chld.sa_mask);sigact_chld.sa_handler = sig_chld;sigact_chld.sa_flags = 0;sigaction(SIGCHLD, &sigact_chld, &old_sigact_chld);if ((clientfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {perror("Create socket failed.");exit(1);}bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));server_addr.sin_family = AF_INET;// argv[1] 为服务器IP字符串，需要用inet_pton转换为IP地址if(inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr) == 0){perror("Server IP Address Error:\n");exit(1);}// argv[2] 为服务器端口，需要用atoi及htons转换server_addr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if (connect(clientfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {perror("connect failed.");exit(1);}sprintf(p,"[cli](%d)[srv_sa](%s:%s) Server is connected!\n",getpid(),argv[1],argv[2]);fputs(p,stdout);cli_biz(clientfd, argv[3]);close(clientfd);sprintf(p,"[cli] clientfd is closed!\n");fputs(p, stdout);sprintf(p,"[cli] clinetfd is to return!\n");fputs(p, stdout);return 0;
}void handle_sigint(int sig){ // 定义SIGNAL信号处理器sprintf(p,"[srv] SIGINT is coming!\n");fputs(p, stdout);sigint_flag = 1;
}void cli_biz(int clientfd, char* cid){char buf[MAXDATASIZE + 3];     //缓冲区，用于存放从服务器接收到的信息char msg[MAXDATASIZE];  // 从命令行中读取的消息short vcd_net;while(1){int numbytes; // numbytes是服务器端接收到的字节数int msg_len;fgets(msg,MAXDATASIZE,stdin);msg_len = strlen(msg);if(sigint_flag || strncmp(msg, "EXIT", 4) == 0){sprintf(p,"[cli](%d)[cid](%s)[ECH_RQT] %s",getpid(), cid, msg);fputs(p,stdout);bzero(p,sizeof(p));break;}if(msg_len > MAXDATASIZE - 2){printf("messge is too long!\n");exit(1);}msg[msg_len] = '\0';sprintf(p,"[cli](%d)[cid](%s)[ECH_RQT] %s",getpid(), cid, msg);fputs(p,stdout);bzero(p,sizeof(p));short cid_net = htons((uint16_t)atoi(cid));memcpy(buf,&cid_net,2);memcpy(buf + 2,msg, msg_len);write(clientfd, buf, sizeof(buf)); //发送原始数据和客户端编号到服务器端bzero(buf,sizeof(buf));read(clientfd, &vcd_net, 2); // 读取2字节的验证码if((numbytes = read(clientfd, buf, MAXDATASIZE)) == -1) {perror("recv error.");exit(1);}sprintf(p, "[cli](%d)[vcd](%d)[ECH_REP] %s",getpid(), (short)ntohs(vcd_net), buf);fputs(p,stdout);bzero(p, sizeof(p));}
}
void sig_chld(int signo){pid_t pid_chld;int stat;while((pid_chld = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0){sprintf(p, "[srv](%d)[chd](%d) Child has terminated!\n",getppid(),pid_chld);fputs(p, stdout);}
}

注意事项：

关于学生客户端服务器在本地交互测试一切正常，但是上线测试即出现各种错误甚至超时的问题

·在线测试时采用以下模式进行交互：学生客户端＜＝＞标准服务器；标准客户端＜＝＞学生服务器。

·当学生自行编写的客户端、服务器在本地进行交互测试时表现正常，并不能充分说明编码符合题设。

【案例】学生客户端与服务器收发数据时均未进行 PDU字节序转换

学生客户端与服务器收发数据时均未进行PDU字节序转换，本地测试看起来一切正常，但究其根本，是因为学生客户端与服务器程序虽未遵循网络字节序规范，但相当于遵循了无需字节序转换的自定义协议规范，且客户端、服务器进程都运行在同一主机上，因此字节序问题并不会暴露。但标准客户端与标准服务器并不认可该协议，所以上线测试即表现出各种问题。

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