使用select实现的UDP/TCP组合服务器

独立的 TCP 服务器和UDP服务器，可以找到很多例子，但如果一个服务希望在同一个端口上既提供 TCP 服务，也提供 UDP 服务，写两个服务端显然不是一个好的办法，也不利于以后的维护，本文将把UDP服务器和 TCP 服务器合并成一个服务器，该服务器既可以提供 UDP 服务也可以提供 TCP 服务，本文将给出完整的源代码，阅读本文需要掌握基本的 socket 编程方法，本文对初学者难度不大。

1. 基本流程

• 本示例一共有三个程序，tcp/udp 服务器：tu-server.c，tcp 客户端：t-client.c 和 udp 客户端： u-client.c
• 服务器端程序的基本思路是：在程序中为 tcp 服务和 udp 服务各建立一个 socket，将这两个 socket 放入 readfds 中，并将参数传递给 select()，当 readfds 中(也就是 tcp 或者 udp socket)的某一个有数据发过来(udp)或者有客户端连接请求时，select() 将返回，程序判断是哪个 socket 需要处理然后根据需要进入 TCP 处理程序或者 UDP 处理程序处理 socket 事件；
• 本例中，服务器端做了简单化处理，收到客户端信息后，并不作处理，对 TCP 客户端，回应 "Hello TCP Client"，对UDP客户端，则回应 "Hello UDP Client"；

• 服务器端程序流程

  1. 建立一个用于侦听TCP连接请求的TCP socket

     int tcp_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
     

  2. 建立一个用于接收UDP数据的UDP socket

     int udp_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
     

  3. 将这两个socket均绑定到服务器的地址上

     #define PORT            5000
     
     struct sockaddr_in server_addr;
     
     bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
     server_addr.sin_family = AF_INET;
     server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
     server_addr.sin_port = htons(PORT);
     
     bind(tcp_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
     bind(udp_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
     

  4. 在TCP socket上侦听

     listen(tcp_fd, 5);
     

  5. 将TCP socket和UDP socket均加入到一个空的描述符集中

     fd_set rset;
     
     FD_ZERO(&rset);
     FD_SET(tcp_fd, &rset);
     FD_SET(udp_fd, &rset);
     

  6. 调用select()直至其中一个socket有可读数据

     int max_fd = (tcp_fd > udp_fd) ? tcp_fd : udp_fd + 1;
     select(max_fd, &rset, NULL, NULL, NULL);
     

  7. 处理TCP客户端发出的请求

     如果是 TCP 客户端发出请求，则接受客户端的连接请求，接收客户端发来的信息，然后回应 "Hello TCP Client"，然后退出，回到步骤 5；

     #define BUF_SIZE        1024
     
     struct sockaddr_in client_addr;
     char buffer[BUF_SIZE];
     socklen_t len;
     ssize_t n;
     char *tcp_msg = "Hello TCP Client";
     
     socklen_t len = sizeof(client_addr);
     int conn_fd = accept(tcp_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &len);
     if (conn_fd > 0) {
        bzero(buffer, sizeof(buffer));
        n = 0;
        n = read(conn_fd, buffer, sizeof(buffer));
        if (n > 0) {
            buffer[n] = '\0';
            write(conn_fd, tcp_msg, strlen(tcp_msg));
        }
        close(conn_fd);
     }
     

  8. 处理UDP客户端发来的消息

     如果是 UDP 客户端发来消息，则接收客户端发来的信息，然后回应 "Hello UDP Client"，回到步骤5

     #define BUF_SIZE        1024
     
     struct sockaddr_in client_addr;
     char buffer[BUF_SIZE];
     socklen_t len;
     ssize_t n;
     char *udp_msg = "Hello UDP Client";
     
     socklen_t len = sizeof(client_addr);
     bzero(buffer, sizeof(buffer));
     n = 0;
     n = recvfrom(udp_fd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
     if (n > 0) {
        buffer[n] = '\0';
        sendto(udp_fd, udp_msg, strlen(udp_msg), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, sizeof(client_addr));
     }
     

• tcp 客户端程序流程

  1. 建立一个TCP socket

     sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
     

  2. 向服务器发出连接请求，等待服务器接受

     #define SERVER_IP   "192.168.2.112"
     #define PORT        5000
     
     struct sockaddr_in server_addr;
     memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
     
     server_addr.sin_family      = AF_INET;
     server_addr.sin_port        = htons(PORT);
     server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
     
     connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
     

  3. 向服务器发送信息，并等待服务器的回应

     char *message = "Hello Server";
     write(sockfd, message, strlen(message));
     

  4. 接收到服务器回应

     #define BUF_SIZE    1024
     
     char buffer[BUF_SIZE];
     int n = 0
     memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
     n = read(sockfd, buffer, sizeof(buffer));
     buffer[n] = '\0';
     printf("Message from server: %s\n", buffer);
     

  5. 关闭socket，退出

     close(sockfd);
     

• udp客户端程序流程

  1. 建立一个UDP socket

     int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
     

  2. 向服务器发送信息，并等待服务器回应

     #define SERVER_IP   "192.168.2.112"
     #define PORT        5000
     
     char *message = "Hello Server";
     struct sockaddr_in server_addr;
     
     memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
     
     // Filling server information
     server_addr.sin_family      = AF_INET;
     server_addr.sin_port        = htons(PORT);
     server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);
     // send hello message to server
     sendto(sockfd, message, strlen(message), 0, (const struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
     

  3. 收到服务器回应

     #define BUF_SIZE    1024
     
     char buffer[BUF_SIZE];
     int len = sizeof(struct sockaddr_in);
     int n = 0;
     memset(buffer, 0, BUF_SIZE);
     n = recvfrom(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&server_addr, (socklen_t *)&len);
     buffer[n] = '\0';
     printf("Message from server: %s\n", buffer);
     

  4. 关闭socket，退出

     close(sockfd);
     

2. 主要函数、宏和数据结构

• select()函数

  • select() 函数用于监视文件描述符的变化情况——可读、可写或是异常。
  • 函数定义

    int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
    

  • 参数说明
    1. nfds：最大的文件描述符加1
    2. readfds：等待可读事件的文件描述符集合，如果不关心读事件，可设置为NULL；
    3. writefds：等待可写事件(缓冲区中是否有空间)的文件描述符集合，如果不关心写事件，可设置为NULL；
    4. exceptfds：当相应的文件描述符发生异常时，失败的文件描述符将被放进exceptfds中，如果不关心异常事件，可设置为NULL；
    5. timeout：等待select返回的事件；如果timeout=NULL，则一直等待，直至select返回；如果timeout=固定值，则等待固定时间后返回；如果timeout=0，则立即返回；

• struct timeval结构

  • 该结构用于指定 select 函数的超时时间
  • 定义

    struct timeval {
        long    tv_sec;         /* seconds */
        long    tv_usec;        /* microseconds */
    };
    

  • 如果希望 select() 等待5秒后返回，则要设置 struct timeval timeout={5, 0};

• fd_set

  • 文件描述符集，该结构定义在头文件 sys/select.h 中
  • 本质上，fd_set 是一个 long int 的数组，其中的每一位表示一个文件描述符，在 x86-64 中，long int 长度为 8 个字节，64 位，所以 fd_set[0] 可以表示文件描述符 fd=0-63，fd_set[1] 可以表示文件描述符 fd=64-127；
  • fd_set是一个文件描述符的集合，当fd_set中的某一位为1，表示这个集合中包含有这个fd

• 宏FD_ZERO

  • 该宏定义在头文件 sys/select.h 中
  • 该宏可以将一个 fd_set 全部清空，下面的例子将 fds 清空

    fd_set fds;
    FD_ZERO(fds);
    

• 宏FD_SET

  • 该宏定义在头文件 sys/select.h 中
  • 将指定的文件描述符 fd 加入到某一个文件描述符集 fd_set 中，下面的例子将文件描述符 fd 加入到文件描述符集 fds 中

    fd_set fds;
    FD_SET(FD, fds);
    

• 宏FD_ISSET

  • 该宏定义在头文件 sys/select.h 中
  • 检查一个文件描述符集 fds 中是否有文件描述符 fd，下面例子中检查文件描述符集 fds 中是否存在文件描述符 fd；

    fd_set fds
    ......
    if (FD_ISSET(fd, &fds)) {
        // fd is part of the set fds.
        some codes
    } else {
        // fd is not in the fds
        some codes
    }
    

• 其它函数和数据结构的介绍，请参考另两篇文章《使用C语言实现服务器/客户端的UDP通信》和《使用C语言实现服务器/客户端的TCP通信》

3. 实例

• 本示例一共有三个程序，tcp/udp 服务器：tu-server.c，tcp 客户端：t-client.c 和 udp 客户端：u-client.c
• 本示例演示了如何使用 select 机制在一个服务器程序里既提供 TCP 服务，又提供 UDP 服务；有些服务(比如聊天)，可以既允许 UDP 接入，也允许 TCP 接入的，这种情况下，这样一种机制就显得比较实用；

• 服务器端程序：tu-server.c(点击文件名下载源程序)

• 服务器端程序的编译

  gcc -Wall tu-server.c -o tu-server
  

• 服务器端程序的测试

  • 在一台机器上启动服务器端程序

    ./tu-server
    

  • 假定服务器 IP 为 192.168.2.112，在另一台机器上启动 nc 模拟客户端，测试 TCP

    nc -n 192.168.2.112 5000
    hello server
    

  • 退出 TCP 测试，重新启动 nc，测试 UDP

    nc -n -u 192.168.2.112 5000
    

  • 有关 nc 命令的使用方法，可以参考另一篇文章《如何在Linux命令行下发送和接收UDP数据包》

  • 在服务器端的运行截屏

    

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  • TCP 测试客户端的截屏

    

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  • UDP 测试客户端的截屏

    

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• TCP 客户端程序：t-client.c(点击文件名下载源程序)

• UDP 客户端程序：u-client.c(点击文件名下载源程序)

• 客户端程序编译

  gcc -Wall t-client.c -o t-client
  gcc -Wall u-client.c -o u-client
  

• 程序运行

  • 在服务器上(192.168.2.112)上运行服务器端程序

    ./tu-server
    

  • 在另一台机器上运行客户端程序

    ./t-client
    ./u-client
    

  • 服务器端的运行截图

    

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  • 客户端的运行截图

    

4. 后记

• 服务器端对 TCP 连接的处理是在是太简陋了，因为 TCP 连接建立后，产生一个新的 socket，本例中为 conn_fd，通常的做法应该是把 conn_fd 也加入到 rset 中，这样就可以处理多个 TCP 连接了，同时在处理 TCP 连接时也不会让程序阻塞；
• 服务器端对 TCP 连接的处理，也可以使用多线程的方式，即 accept 一个连接请求后，生成新的 conn_fd，建立一个线程，专门处理这个 connection，也不失为一个办法，但相对要复杂一些。

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