C语言实现一个hello/hi的简单聊天程序并跟踪分析到系统调用

Posted 2020-11-23 zhouxinghui

socket编程介绍

Socket接口是TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数或例程，可以用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。

Socket接口设计者最先是将接口放在Unix操作系统里面的。如果了解Unix系统的输入和输出的话，就很容易了解Socket了。网络的 Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。Socket也具有一个类似于打开文件的函数调用Socket()，该函数返回一个整型的Socket描述符，随后的连接建立、数据传输等操作都是通过该Socket实现的。

常用的Socket类型有两种：流式Socket （SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式是一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。

client/server通信模型

在客户/服务器模式中我们将请求服务的一方称为客户（client），将提供某种服务的一方称为服务器（server）。

一个服务程序通常在一个众所周知的地址监听对服务的请求，也就是说服务进程一直处于休眠状态，直到一个客户对这个服务的地址提出了连接请求。在这个时刻，服务程序被“唤醒”并且为客户提供服务—对客户的请求作出适当的反应。

套接字 

套接字是一个通信终结点，它是Socket应用程序用来在网络上发送或接收数据包的对象。

套接字具有类型，与正在运行的进程相关联，并且可以有名称。

套接字一般只与使用网际协议组的同一“通信域”中的其他套接字交换数据。

 

 

流式套接字编程流程

客户端

1.创建套接字

client_sockfd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0)

用socket函数创建套接字，返回套接字描述符

 

2.定义服务器端地址

struct sockaddr_in remote_addr; //服务器端网络地址结构体memset(&remote_addr,0,sizeof(remote_addr)); //数据初始化--清零
remote_addr.sin_family=AF_INET; //设置为IP通信
remote_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");//服务器IP地址
remote_addr.sin_port=htons(8000); //服务器端口

 

3.与服务器建立连接

connect(client_sockfd,(struct sockaddr *)&remote_addr,sizeof(struct sockaddr)

用于tcp/ip应用的地址结构类型是socketsddr_in，而套接字socket中应用的地址类型为socketaddr，所以需要进行强制类型转换。

 

4.发送接收数据

len=send(client_sockfd,buf,strlen(buf),0);
len=recv(client_sockfd,buf,BUFSIZ,0);

发送数据时已知数据的长度，用strlen(buf)计算；而接收数据时不知道接收数据的长度，就必须将接收长度设为定义的数组的最大值，再通过接收函数的返回值来确定数组的实际大小。

5.关闭套接字

close(client_sockfd);//关闭套接字

没有数据可发送就关闭套接字

 

服务器端

1.创建套接字，定义自身的地址

int server_sockfd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);//服务器端套接字
struct sockaddr_in my_addr;   //服务器网络地址结构体
memset(&my_addr,0,sizeof(my_addr)); //数据初始化--清零
my_addr.sin_family=AF_INET; //设置为IP通信
my_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//服务器IP地址--允许连接到所有本地地址上
my_addr.sin_port=htons(8000); //服务器端口号

 

2.将套接字与地址绑定

 

bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr)

 

3.监听是否有客户请求

listen(server_sockfd,5);

 

4接受客户端请求

client_sockfd=accept(server_sockfd,(struct sockaddr *)&remote_addr,&sin_size)

accept函数返回新的连接的套接字描述符。为每个新的连接请求创建了一个新的套接字，服务器只对新的连接使用该套接字，原来的监听套接字接受其他的连接请求。新的连接上传输数据使用新的套接字，使用完毕，服务器将关闭这个套接字。

 

5.接收并发送数据

while((len=recv(client_sockfd,buf,BUFSIZ,0))>0)
    {
        buf[len]=\'\\0\';
        printf("recieved:%s\\n",buf);
                printf("Enter string to send: ");
                scanf("%s",buf);
        if(send(client_sockfd,buf,strlen(buf),0)<0)
        {
            perror("write");
            return 1;
        }
    }

 

6关闭套接字

close(client_sockfd);
close(server_sockfd);

 

实现代码

客户端

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <string.h>
 3 #include <sys/types.h>
 4 #include <sys/socket.h>
 5 #include <netinet/in.h>
 6 #include <arpa/inet.h>
 7 #include <unistd.h> 
 8 
 9 int main(int argc, char *argv[])
10 {
11     int client_sockfd;
12     int len;
13     struct sockaddr_in remote_addr; //服务器端网络地址结构体
14     char buf[BUFSIZ];  //数据传送的缓冲区
15     memset(&remote_addr,0,sizeof(remote_addr)); //数据初始化--清零
16     remote_addr.sin_family=AF_INET; //设置为IP通信
17     remote_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");//服务器IP地址
18     remote_addr.sin_port=htons(8000); //服务器端口号
19     
20     /*创建客户端套接字--IPv4协议，面向连接通信，TCP协议*/
21     if((client_sockfd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)
22     {
23         perror("socket");
24         return 1;
25     }
26     
27     /*将套接字绑定到服务器的网络地址上*/
28     if(connect(client_sockfd,(struct sockaddr *)&remote_addr,sizeof(struct sockaddr))<0)
29     {
30         perror("connect");
31         return 1;
32     }
33     printf("connected to server\\n");
34     len=recv(client_sockfd,buf,BUFSIZ,0);//接收服务器端信息
35          buf[len]=\'\\0\';
36     printf("%s",buf); //打印服务器端信息
37     
38     /*循环的发送接收信息并打印接收信息--recv返回接收到的字节数，send返回发送的字节数*/
39     while(1)
40     {
41         printf("Enter string to send:");
42         scanf("%s",buf);
43         if(!strcmp(buf,"quit"))
44             break;
45         len=send(client_sockfd,buf,strlen(buf),0);
46         len=recv(client_sockfd,buf,BUFSIZ,0);
47         buf[len]=\'\\0\';
48         printf("received:%s\\n",buf);
49     }
50     close(client_sockfd);//关闭套接字
51     return 0;
52 }

 

服务器端

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <string.h>
 3 #include <sys/types.h>
 4 #include <sys/socket.h>
 5 #include <netinet/in.h>
 6 #include <arpa/inet.h>
 7 #include <unistd.h> 
 8 
 9 int main(int argc, char *argv[])
10 {
11     int server_sockfd;//服务器端套接字
12     int client_sockfd;//客户端套接字
13     int len;
14     struct sockaddr_in my_addr;   //服务器网络地址结构体
15     struct sockaddr_in remote_addr; //客户端网络地址结构体
16     int sin_size;
17     char buf[BUFSIZ];  //数据传送的缓冲区
18     memset(&my_addr,0,sizeof(my_addr)); //数据初始化--清零
19     my_addr.sin_family=AF_INET; //设置为IP通信
20     my_addr.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//服务器IP地址--允许连接到所有本地地址上
21     my_addr.sin_port=htons(8000); //服务器端口号
22     
23     /*创建服务器端套接字--IPv4协议，面向连接通信，TCP协议*/
24     if((server_sockfd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)
25     {  
26         perror("socket");
27         return 1;
28     }
29  
30         /*将套接字绑定到服务器的网络地址上*/
31     if (bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr))<0)
32     {
33         perror("bind");
34         return 1;
35     }
36     
37     /*监听连接请求--监听队列长度为5*/
38     listen(server_sockfd,5);
39     
40     sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
41     
42     /*等待客户端连接请求到达*/
43     if((client_sockfd=accept(server_sockfd,(struct sockaddr *)&remote_addr,&sin_size))<0)
44     {
45         perror("accept");
46         return 1;
47     }
48     printf("accept client %s\\n",inet_ntoa(remote_addr.sin_addr));
49     len=send(client_sockfd,"Welcome to my server\\n",21,0);//发送欢迎信息
50     
51     /*接收客户端的数据并将其发送给客户端--recv返回接收到的字节数，send返回发送的字节数*/
52     while((len=recv(client_sockfd,buf,BUFSIZ,0))>0)
53     {
54         buf[len]=\'\\0\';
55         printf("recieved:%s\\n",buf);
56                 printf("Enter string to send: ");
57                 scanf("%s",buf);
58         if(send(client_sockfd,buf,strlen(buf),0)<0)
59         {
60             perror("write");
61             return 1;
62         }
63     }
64     close(client_sockfd);
65     close(server_sockfd);
66     return 0;
67 }

 

 运行结果

 

跟踪分析到系统调用

当用户进程使用socket API 的时候，会产生向量为0x80的编程异常，系统执行系统调用。

进程传递系统调用号到寄存器eax，指明需要哪个系统调用，同时会将系统调用需要的参数存入相关寄存器。

系统调用处理函数system_call是Linux中所有系统调用的入口点，通过进程存在eax寄存器中的系统调用号决定调用哪个系统调用，而所有的socket系统调用的总入口时sys_socketcall()。

 

对如下代码跟踪分析

int socket(int domain, int type, int protocol);

 用户进程将sys_socket()的系统调用号198存入eax中，并将socket（）函数中的三个参数分别存入ebx,ecx,edx寄存器，产生一个0x80的编程异常。系统调用处理函数根据系统调用号，执行sys_socket()。

sys_socket在内核中的源码为：

SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol)
{
    int retval;
    struct socket *sock;
    int flags;

...
    retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
    if (retval < 0)
        goto out;

    retval = sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
    if (retval < 0)
        goto out_release;

out:
    /* It may be already another descriptor 8) Not kernel problem. */
    return retval;

out_release:
    sock_release(sock);
    return retval;
}

可以看到，socket函数主要由sock_create和sock_map_fd这两个函数完成。

sock_create函数用于创建socket。sock_create() 实际调用的是 __sock_create(),其中比较重要的是sock_alloc()和pf->create()两个函数。

sock_map_fd函数用于得到一个文件号。这个函数主要有两个部分，一个是创建file文件结构，fd文件描述符，另一部分是将file文件结构和fd文件描述符关联，同时将上一步返回的socket也一起绑定，形成一个完整的逻辑。

socket系统调用的操作概述为：首先在内核生成一个socket_alloc 和tcp_sock类型的对象，其中sock_alloc对象中的socket和tcp_sock对象的sock绑定，sock_alloc对象中的inode和file类型对象绑定。然后将分配的文件描述符fd和file对象关联，最后将这个文件描述符fd返回给用户使用。