《Linux 网络架构：基于 TCP 协议的多人聊天系统搭建详解》

一、系统概述

        本系统是一个基于 TCP 协议的多人聊天系统，由一个服务器和多个客户端组成。客户端可以连接到服务器，向服务器发送消息，服务器接收到消息后将其转发给其他客户端，实现多人之间的实时聊天。系统使用 C 语言编写，利用了 Unix 系统的网络编程接口和多线程、I/O 多路复用等技术。

二、文件结构

  • server.c：服务器端程序，负责监听客户端连接、接收客户端消息并将消息转发给其他客户端。
  • client1.c：客户端程序，使用 poll 函数实现 I/O 多路复用，同时处理用户输入和服务器消息。
  • client2.c：客户端程序，使用多线程技术，一个线程负责接收服务器消息，另一个线程负责处理用户输入。

三、代码详细分析

1. 数据包结构体

        在三个文件中都定义了相同的数据包结构体 Packet，用于在客户端和服务器之间传输数据。

typedef struct {int type;  // 0 for message, 1 for disconnectchar data[BUFFER_SIZE];
} Packet;
  • type：数据包类型，0 表示消息，1 表示断开连接。
  • data：数据包携带的数据，最大长度为 BUFFER_SIZE。

2. 服务器端程序（server.c）

2.1 主要变量

  • server_fd：服务器套接字文件描述符。
  • client_fd：客户端套接字文件描述符。
  • max_fd：记录最大的文件描述符，用于 select 函数。
  • activity：记录 select 函数返回的活动文件描述符数量。
  • valread：记录从客户端读取的数据长度。
  • server_addr：存储服务器的地址信息。
  • client_addr：存储客户端的地址信息。
  • client_sockets：数组用于存储所有客户端的套接字文件描述符。
  • readfds：文件描述符集合，用于 select 函数监听可读事件。

2.2 主要步骤

  1. 创建套接字：使用 socket 函数创建一个 TCP 套接字。
  2. 绑定地址：使用 bind 函数将套接字绑定到指定的地址和端口。
  3. 监听连接：使用 listen 函数开始监听客户端连接。
  4. 循环处理：使用 select 函数监听服务器套接字和客户端套接字的可读事件。
    • 若服务器套接字有可读事件，说明有新的客户端连接请求，使用 accept 函数接受连接。
    • 若客户端套接字有可读事件，从客户端读取数据包，根据数据包类型进行相应处理。
      • 若数据包类型为消息，将消息转发给其他客户端。
      • 若数据包类型为断开连接或读取到的数据长度为 0，说明客户端断开连接，关闭客户端套接字。

3. 客户端程序（client1.c）

3.1 主要变量

  • client_fd：客户端套接字文件描述符。
  • server_addr：存储服务器的地址信息。
  • packet：用于存储要发送或接收的数据包。
  • fds：数组用于存储要监听的文件描述符及其事件。

3.2 主要步骤

  1. 创建套接字：使用 socket 函数创建一个 TCP 套接字。
  2. 连接服务器：使用 connect 函数连接到服务器。
  3. 初始化 poll 结构体：监听标准输入和客户端套接字的可读事件。
  4. 循环处理：使用 poll 函数监听文件描述符集合中的可读事件。
    • 若标准输入有可读事件，从标准输入读取数据，设置数据包类型为消息，发送给服务器。
    • 若客户端套接字有可读事件，从服务器读取数据包，根据数据包类型进行相应处理。
      • 若数据包类型为消息，输出接收到的消息。
      • 若数据包类型为断开连接或读取数据失败，说明服务器断开连接，关闭客户端套接字，跳出循环。

4. 客户端程序（client2.c）

4.1 主要变量

  • client_fd：客户端套接字文件描述符。
  • server_addr：存储服务器的地址信息。
  • packet：用于存储要发送或接收的数据包。
  • thread_id：存储线程的标识符。

4.2 主要步骤

  1. 创建套接字：使用 socket 函数创建一个 TCP 套接字。
  2. 连接服务器：使用 connect 函数连接到服务器。
  3. 创建线程：创建一个线程来接收服务器发送的消息。
  4. 循环处理：在主线程中，从标准输入读取数据，设置数据包类型为消息，发送给服务器。
  5. 线程函数：在子线程中，持续接收服务器消息，根据数据包类型进行相应处理。
    • 若数据包类型为消息，输出接收到的消息。
    • 若数据包类型为断开连接或读取数据失败，说明服务器断开连接，关闭客户端套接字，退出程序。

四、编译和运行

4.1 编译

gcc server.c -o server
gcc client1.c -o client1
gcc client2.c -o client2 -lpthread

4.2 运行

  1. 启动服务器：
./server
  1. 启动客户端：
./client1
./client2

4.3运行结果展示

五、源码

5.1服务器端程序（server.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>// 定义服务器监听的端口号
#define PORT 8080
// 定义数据缓冲区的大小
#define BUFFER_SIZE 1024
// 定义服务器允许的最大客户端连接数
#define MAX_CLIENTS 10/*** 定义数据包结构体，用于在服务器和客户端之间传输数据* type 数据包类型，0 表示消息，1 表示断开连接* data 数据包携带的数据*/
typedef struct {int type;  // 0 for message, 1 for disconnectchar data[BUFFER_SIZE];
} Packet;/*** 主函数，服务器程序的入口点* @return 程序的退出状态码，0 表示正常退出*/
int main() {// server_fd 为服务器套接字文件描述符，client_fd 为客户端套接字文件描述符// max_fd 记录最大的文件描述符，用于 select 函数// activity 记录 select 函数返回的活动文件描述符数量// valread 记录从客户端读取的数据长度int server_fd, client_fd, max_fd, activity, valread;// server_addr 存储服务器的地址信息，client_addr 存储客户端的地址信息struct sockaddr_in server_addr, client_addr;// client_len 存储客户端地址结构体的长度socklen_t client_len = sizeof(client_addr);// packet 用于存储从客户端接收的数据包Packet packet;// client_sockets 数组用于存储所有客户端的套接字文件描述符int client_sockets[MAX_CLIENTS] = {0};// readfds 是一个文件描述符集合，用于 select 函数监听可读事件fd_set readfds;// 创建服务器套接字，使用 IPv4 地址族和 TCP 协议if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {// 若套接字创建失败，输出错误信息并退出程序perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 设置服务器地址信息server_addr.sin_family = AF_INET;// 监听所有可用的网络接口server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;// 将端口号从主机字节序转换为网络字节序server_addr.sin_port = htons(PORT);// 将服务器套接字绑定到指定的地址和端口if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {// 若绑定失败，输出错误信息，关闭套接字并退出程序perror("bind failed");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 开始监听客户端连接，允许的最大连接请求队列长度为 3if (listen(server_fd, 3) < 0) {// 若监听失败，输出错误信息，关闭套接字并退出程序perror("listen");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 输出服务器启动信息，显示监听的端口号printf("Server started on port %d\n", PORT);// 进入无限循环，持续处理客户端连接和数据while (1) {// 清空文件描述符集合FD_ZERO(&readfds);// 将服务器套接字添加到文件描述符集合中，监听其可读事件FD_SET(server_fd, &readfds);// 初始化最大文件描述符为服务器套接字文件描述符max_fd = server_fd;// 遍历客户端套接字数组for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {// 获取当前客户端的套接字文件描述符int sd = client_sockets[i];if (sd > 0) {// 若该客户端套接字有效，将其添加到文件描述符集合中FD_SET(sd, &readfds);}if (sd > max_fd) {// 更新最大文件描述符max_fd = sd;}}// 调用 select 函数监听文件描述符集合中的可读事件，无超时时间activity = select(max_fd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);if ((activity < 0) && (errno != EINTR)) {// 若 select 函数调用失败且不是被信号中断，输出错误信息perror("select error");}if (FD_ISSET(server_fd, &readfds)) {// 若服务器套接字有可读事件，说明有新的客户端连接请求if ((client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len)) < 0) {// 若接受连接失败，输出错误信息并继续循环perror("accept");continue;}// 输出新客户端连接的信息，包括套接字文件描述符、IP 地址和端口号printf("New connection, socket fd is %d, ip is : %s, port : %d\n",client_fd, inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));// 遍历客户端套接字数组，找到一个空闲位置存储新客户端的套接字文件描述符for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {if (client_sockets[i] == 0) {client_sockets[i] = client_fd;break;}}}// 遍历客户端套接字数组，检查每个客户端是否有可读事件for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {int sd = client_sockets[i];if (FD_ISSET(sd, &readfds)) {// 从客户端读取数据包valread = read(sd, &packet, sizeof(Packet));if (valread == 0) {// 若读取到的数据长度为 0，说明客户端断开连接getpeername(sd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);// 输出客户端断开连接的信息，包括 IP 地址和端口号printf("Host disconnected, ip %s, port %d\n",inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));// 关闭客户端套接字close(sd);// 将该位置的客户端套接字文件描述符置为 0，表示空闲client_sockets[i] = 0;} else {if (packet.type == 0) {// 若数据包类型为消息，输出接收到的消息printf("Received from client %d: %s", sd, packet.data);// 将消息转发给其他客户端for (int j = 0; j < MAX_CLIENTS; j++) {if (client_sockets[j] != sd && client_sockets[j] != 0) {// 发送数据包给其他客户端send(client_sockets[j], &packet, sizeof(Packet), 0);}}} else if (packet.type == 1) {// 若数据包类型为断开连接，输出客户端断开连接的信息printf("Client %d disconnected\n", sd);// 关闭客户端套接字close(sd);// 将该位置的客户端套接字文件描述符置为 0，表示空闲client_sockets[i] = 0;}}}}}return 0;
}

5.2客户端程序（client1.c）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <poll.h>
#include <errno.h>// 定义服务器监听的端口号
#define PORT 8080
// 定义数据缓冲区的大小
#define BUFFER_SIZE 1024/*** 定义数据包结构体，用于在客户端和服务器之间传输数据* type 数据包类型，0 表示消息，1 表示断开连接* data 数据包携带的数据*/
typedef struct {int type;  // 0 for message, 1 for disconnectchar data[BUFFER_SIZE];
} Packet;/*** 主函数，客户端程序的入口点* @return 程序的退出状态码，0 表示正常退出*/
int main() {// client_fd 为客户端套接字文件描述符int client_fd;// server_addr 存储服务器的地址信息struct sockaddr_in server_addr;// packet 用于存储要发送或接收的数据包Packet packet;// fds 数组用于存储要监听的文件描述符及其事件struct pollfd fds[2];// 创建客户端套接字，使用 IPv4 地址族和 TCP 协议if ((client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {// 若套接字创建失败，输出错误信息并退出程序perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 设置服务器地址信息server_addr.sin_family = AF_INET;// 将端口号从主机字节序转换为网络字节序server_addr.sin_port = htons(PORT);// 将服务器的 IP 地址转换为网络字节序server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");// 连接到服务器if (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {// 若连接失败，输出错误信息，关闭套接字并退出程序perror("connect");close(client_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 输出连接成功的信息printf("Connected to server\n");// 初始化 poll 结构体// 监听标准输入的可读事件fds[0].fd = STDIN_FILENO;fds[0].events = POLLIN;// 监听客户端套接字的可读事件fds[1].fd = client_fd;fds[1].events = POLLIN;// 进入无限循环，持续处理输入和服务器消息while (1) {// 调用 poll 函数监听文件描述符集合中的可读事件，无超时时间int activity = poll(fds, 2, -1);if ((activity < 0) && (errno != EINTR)) {// 若 poll 函数调用失败且不是被信号中断，输出错误信息perror("poll error");}if (fds[0].revents & POLLIN) {// 若标准输入有可读事件// 清空数据包的数据部分memset(packet.data, 0, BUFFER_SIZE);if (fgets(packet.data, BUFFER_SIZE, stdin) != NULL) {// 若成功从标准输入读取数据// 设置数据包类型为消息packet.type = 0;// 发送数据包给服务器send(client_fd, &packet, sizeof(Packet), 0);}}if (fds[1].revents & POLLIN) {// 若客户端套接字有可读事件// 清空数据包memset(&packet, 0, sizeof(Packet));if (read(client_fd, &packet, sizeof(Packet)) > 0) {// 若成功从服务器读取数据if (packet.type == 0) {// 若数据包类型为消息，输出接收到的消息printf("Received from server: %s", packet.data);} else if (packet.type == 1) {// 若数据包类型为断开连接，输出服务器断开连接的信息printf("Server disconnected\n");// 关闭客户端套接字close(client_fd);// 跳出循环break;}} else {// 若读取数据失败，说明服务器断开连接printf("Server disconnected\n");// 关闭客户端套接字close(client_fd);// 跳出循环break;}}}// 关闭客户端套接字close(client_fd);return 0;
}

5.3客户端程序（client2.c）

// 包含标准输入输出库，用于使用 printf、perror 等函数进行输入输出操作
#include <stdio.h>
// 包含标准库，提供 exit 等函数用于程序退出等操作
#include <stdlib.h>
// 包含字符串处理库，提供 memset、strlen 等字符串操作函数
#include <string.h>
// 包含 Unix 标准库，提供 close、read、write 等系统调用函数
#include <unistd.h>
// 包含网络地址转换库，提供 inet_ntoa、htons 等网络地址转换函数
#include <arpa/inet.h>
// 包含线程相关的头文件，用于创建和管理线程
#include <pthread.h>// 定义服务器监听的端口号
#define PORT 8080
// 定义数据缓冲区的大小
#define BUFFER_SIZE 1024/*** 定义数据包结构体，用于在客户端和服务器之间传输数据* type 数据包类型，0 表示消息，1 表示断开连接* data 数据包携带的数据*/
typedef struct {int type;  // 0 for message, 1 for disconnectchar data[BUFFER_SIZE];
} Packet;// 全局变量，存储客户端套接字文件描述符
int client_fd;/*** 线程函数，用于接收服务器发送的消息* arg 线程函数的参数，此处未使用* @return 线程返回值，此处为 NULL*/
void *receive_messages(void *arg) {// 定义数据包变量，用于存储从服务器接收的数据包Packet packet;// 进入无限循环，持续接收服务器消息while (1) {// 清空数据包memset(&packet, 0, sizeof(Packet));if (read(client_fd, &packet, sizeof(Packet)) > 0) {// 若成功从服务器读取数据if (packet.type == 0) {// 若数据包类型为消息，输出接收到的消息printf("Received from server: %s", packet.data);} else if (packet.type == 1) {// 若数据包类型为断开连接，输出服务器断开连接的信息printf("Server disconnected\n");// 关闭客户端套接字close(client_fd);// 退出程序，返回失败状态exit(EXIT_FAILURE);}} else {// 若读取数据失败，说明服务器断开连接printf("Server disconnected\n");// 关闭客户端套接字close(client_fd);// 退出程序，返回失败状态exit(EXIT_FAILURE);}}return NULL;
}/*** 主函数，客户端程序的入口点* @return 程序的退出状态码，0 表示正常退出*/
int main() {// server_addr 存储服务器的地址信息struct sockaddr_in server_addr;// packet 用于存储要发送的数据包Packet packet;// thread_id 存储线程的标识符pthread_t thread_id;// 创建客户端套接字，使用 IPv4 地址族和 TCP 协议if ((client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {// 若套接字创建失败，输出错误信息并退出程序perror("socket failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 设置服务器地址信息server_addr.sin_family = AF_INET;// 将端口号从主机字节序转换为网络字节序server_addr.sin_port = htons(PORT);// 将服务器的 IP 地址转换为网络字节序server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");// 连接到服务器if (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {// 若连接失败，输出错误信息，关闭套接字并退出程序perror("connect");close(client_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 输出连接成功的信息printf("Connected to server\n");// 创建线程来接收消息if (pthread_create(&thread_id, NULL, receive_messages, NULL) != 0) {// 若线程创建失败，输出错误信息，关闭套接字并退出程序perror("pthread_create");close(client_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 进入无限循环，持续从标准输入读取数据并发送给服务器while (1) {// 清空数据包的数据部分memset(packet.data, 0, BUFFER_SIZE);if (fgets(packet.data, BUFFER_SIZE, stdin) != NULL) {// 若成功从标准输入读取数据// 设置数据包类型为消息packet.type = 0;// 发送数据包给服务器send(client_fd, &packet, sizeof(Packet), 0);}}// 关闭客户端套接字close(client_fd);return 0;
}

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