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大家好,我是杂烩君。
在嵌入式开发中,TCP网络通信是我们经常要面对的需求。不管是做物联网设备、工业控制系统,还是各种网络应用,都离不开TCP的身影。
但每次写TCP通信代码的时候,你是不是也有这样的感觉:socket、bind、listen、accept这一套流程写下来,参数一堆,结构体嵌套,代码重复度高,每次都要查资料确认参数怎么填?
今天就和大家一起封装一套实用的TCP应用接口。
1. 为什么要封装TCP接口
先来看看标准的TCP通信流程。对于服务端来说,需要经历创建socket → 绑定地址 → 监听 → 接受连接这几个步骤;客户端则需要创建socket → 连接服务器。这个过程用流程图表示如下:
这个流程本身不复杂,但是每个函数的参数设置都比较繁琐。比如bind函数,需要填充sockaddr_in结构体,设置地址族、IP地址、端口号,还要注意字节序转换。如果每次都手写这些代码,不仅效率低,而且容易出错。
所以,我们的封装目标很明确:把复杂的参数设置和重复性的代码隐藏起来,对外提供简洁易用的接口。
2. 封装方案设计
我们的封装思路是这样的:将TCP通信中的常用操作抽象成几个核心函数,每个函数只需要传入最关键的参数,内部自动完成所有细节处理。整个封装的架构如下:
主要封装了以下几个函数:
- tcp_init:服务端初始化,一个函数搞定socket创建、bind、listen全流程
- tcp_accept:接受客户端连接,简化参数传递
- tcp_connect:客户端连接服务器,只需IP和端口
- tcp_blocking_recv:阻塞方式接收数据
- tcp_nonblocking_recv:非阻塞方式接收数据,带超时控制
3. 核心代码实现
下面我们来看看具体的实现。先从头文件开始:
tcp_socket.h:
#ifndef TCP_SOCKET_H#define TCP_SOCKET_H#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<sys/types.h>#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<unistd.h>#include<signal.h>#include<fcntl.h>#include<errno.h>#include<stdint.h>#define MAX_CONNECT_NUM 10 /* 最大连接队列长度 */#define TCP_NO_TIMEOUT 0 /* 无超时 *//*=========================================================================== * 错误码定义 *=========================================================================*/#define TCP_SUCCESS 0 /* 成功 */#define TCP_ERR_SOCKET -1 /* socket创建失败 */#define TCP_ERR_SETSOCKOPT -2 /* setsockopt设置失败 */#define TCP_ERR_BIND -3 /* bind绑定失败 */#define TCP_ERR_LISTEN -4 /* listen监听失败 */#define TCP_ERR_ACCEPT -5 /* accept接受连接失败 */#define TCP_ERR_CONNECT -6 /* connect连接失败 */#define TCP_ERR_TIMEOUT -7 /* 连接超时 */#define TCP_ERR_SEND -8 /* 发送失败 */#define TCP_ERR_RECV -9 /* 接收失败 *//*=========================================================================== * API 接口 *=========================================================================*/inttcp_init(constchar* ip, int port);inttcp_accept(int server_fd, char *client_ip, int ip_len, int *client_port);inttcp_connect(constchar* ip, int port, int timeout_sec);inttcp_nonblocking_recv(int conn_sockfd, void *rx_buf, int buf_len, int timeval_sec, int timeval_usec);inttcp_blocking_recv(int conn_sockfd, void *rx_buf, uint16_t buf_len);inttcp_send(int conn_sockfd, uint8_t *tx_buf, uint16_t buf_len);inttcp_send_all(int conn_sockfd, uint8_t *tx_buf, uint16_t buf_len);voidtcp_close(int sockfd);#endif
头文件中定义了7个核心函数接口:
3.1 实现细节
tcp_socket.c:
下面我们重点看几个关键函数的实现。
3.1.1 tcp_init - 服务端初始化
inttcp_init(constchar* ip, int port){int optval = 1; int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (server_fd < 0) { perror("socket");return TCP_ERR_SOCKET; }/* 解除端口占用 */if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval)) < 0) { perror("setsockopt"); close(server_fd);return TCP_ERR_SETSOCKOPT; }structsockaddr_inserver_addr; bzero(&server_addr, sizeof(struct sockaddr)); server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_port = htons(port);if (NULL == ip) { server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); }else { server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip); }if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr,sizeof(struct sockaddr)) < 0) { perror("bind"); close(server_fd);return TCP_ERR_BIND; }if(listen(server_fd, MAX_CONNECT_NUM) < 0) { perror("listen"); close(server_fd);return TCP_ERR_LISTEN; }return server_fd;}
这个函数把socket创建、设置端口复用、地址绑定、开始监听这四个步骤合并到一起。调用时只需传入IP地址和端口号,如果IP传NULL则自动绑定所有网卡地址(INADDR_ANY)。使用SO_REUSEADDR选项避免程序重启时的"Address already in use"错误。
3.1.2 tcp_accept - 接受客户端连接
inttcp_accept(int server_fd, char *client_ip, int ip_len, int *client_port){structsockaddr_inclient_addr = {0};socklen_t addrlen = sizeof(struct sockaddr);int new_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*) &client_addr, &addrlen);if(new_fd < 0) { perror("accept");return TCP_ERR_ACCEPT; }/* 返回客户端IP和端口信息 */if (client_ip != NULL && ip_len > 0) {snprintf(client_ip, ip_len, "%s", inet_ntoa(client_addr.sin_addr)); }if (client_port != NULL) { *client_port = ntohs(client_addr.sin_port); }return new_fd;}
这个函数封装了accept调用,并增强了功能:可以获取客户端的IP和端口信息。如果不需要这些信息,传NULL即可。注意addrlen参数类型是socklen_t,符合POSIX标准。
使用示例:
/* 需要客户端信息 */char client_ip[32];int client_port;int client_fd = tcp_accept(server_fd, client_ip, sizeof(client_ip), &client_port);printf("客户端: %s:%d\n", client_ip, client_port);/* 不需要客户端信息 */int client_fd = tcp_accept(server_fd, NULL, 0, NULL);
3.1.3 tcp_connect - 客户端连接(支持超时)
inttcp_connect(constchar *ip, int port, int timeout_sec){int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (server_fd < 0) { perror("socket");return TCP_ERR_SOCKET; }structsockaddr_inserver_addr; bzero(&server_addr, sizeof(struct sockaddr)); server_addr.sin_family = AF_INET; server_addr.sin_port = htons(port); server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);/* 无超时,使用系统默认(阻塞模式) */if (timeout_sec == 0) {if (connect(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0) { perror("connect"); close(server_fd);return TCP_ERR_CONNECT; }return server_fd; }/* 有超时,使用非阻塞模式 */int flags = fcntl(server_fd, F_GETFL, 0);if (flags < 0 || fcntl(server_fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK) < 0) { perror("fcntl"); close(server_fd);return TCP_ERR_SOCKET; }int ret = connect(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(struct sockaddr));if (ret < 0) {if (errno != EINPROGRESS) { perror("connect"); close(server_fd);return TCP_ERR_CONNECT; }/* 使用select等待连接完成 */ fd_set writeset;structtimevaltimeout; timeout.tv_sec = timeout_sec; timeout.tv_usec = 0; FD_ZERO(&writeset); FD_SET(server_fd, &writeset); ret = select(server_fd + 1, NULL, &writeset, NULL, &timeout);if (ret <= 0) {/* 超时或错误 */ close(server_fd);return TCP_ERR_TIMEOUT; }/* 检查连接是否成功 */int error = 0;socklen_t len = sizeof(error);if (getsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, &len) < 0 || error != 0) { close(server_fd);return TCP_ERR_CONNECT; } }/* 恢复阻塞模式 */ fcntl(server_fd, F_SETFL, flags);return server_fd;}
这个函数实现了带超时控制的连接功能。当timeout_sec为0时,使用系统默认超时(阻塞模式);当timeout_sec大于0时,通过设置非阻塞模式配合select实现精确的超时控制。连接成功后自动恢复为阻塞模式。
使用示例:
/* 5秒超时连接 */int fd = tcp_connect("192.168.1.100", 8080, 5);if (fd == TCP_ERR_TIMEOUT){printf("连接超时\n");}elseif (fd == TCP_ERR_CONNECT){printf("连接被拒绝\n");}/* 使用系统默认超时(无限等待) */int fd = tcp_connect("192.168.1.100", 8080, 0);
3.1.4 数据收发函数
对于数据的收发,封装了四个函数:
- tcp_send:普通发送,自动防止SIGPIPE信号
- tcp_nonblocking_recv:非阻塞式接收,带超时控制
inttcp_send(int conn_sockfd, uint8_t *tx_buf, uint16_t buf_len){#ifdef MSG_NOSIGNALreturn send(conn_sockfd, tx_buf, buf_len, MSG_NOSIGNAL);#elsereturn send(conn_sockfd, tx_buf, buf_len, 0);#endif}inttcp_send_all(int conn_sockfd, uint8_t *tx_buf, uint16_t buf_len){uint16_t total_sent = 0;int sent = 0;while (total_sent < buf_len) {#ifdef MSG_NOSIGNAL sent = send(conn_sockfd, tx_buf + total_sent, buf_len - total_sent, MSG_NOSIGNAL);#else sent = send(conn_sockfd, tx_buf + total_sent, buf_len - total_sent, 0);#endifif (sent < 0) {if (errno == EINTR) {/* 被信号中断,继续发送 */continue; } perror("send");return TCP_ERR_SEND; }elseif (sent == 0) {/* 连接已关闭 */return TCP_ERR_SEND; } total_sent += sent; }return total_sent;}
tcp_send使用MSG_NOSIGNAL标志避免SIGPIPE信号。tcp_send_all循环发送直到所有数据都发送完成,处理了EINTR信号中断的情况,确保数据完整性。
inttcp_nonblocking_recv(int conn_sockfd, void *rx_buf, int buf_len, int timeval_sec, int timeval_usec){ fd_set readset;structtimevaltimeout = {0, 0};int maxfd = 0;int fp0 = 0;int recv_bytes = 0;int ret = 0; timeout.tv_sec = timeval_sec; timeout.tv_usec = timeval_usec; FD_ZERO(&readset); FD_SET(conn_sockfd, &readset); maxfd = conn_sockfd > fp0 ? (conn_sockfd+1) : (fp0+1); ret = select(maxfd, &readset, NULL, NULL, &timeout); if (ret > 0) {if (FD_ISSET(conn_sockfd, &readset)) {if ((recv_bytes = recv(conn_sockfd, rx_buf, buf_len, MSG_DONTWAIT))== -1) { perror("recv");return-1; } } } else {return-1; }return recv_bytes;}inttcp_blocking_recv(int conn_sockfd, void *rx_buf, uint16_t buf_len){return recv(conn_sockfd, rx_buf, buf_len, 0);}
阻塞接收函数会一直等待数据到达,适合单一连接的简单场景。
非阻塞接收通过select实现超时控制:
inttcp_nonblocking_recv(int conn_sockfd, void *rx_buf, int buf_len, int timeval_sec, int timeval_usec){ fd_set readset;structtimevaltimeout = {0, 0};int recv_bytes = 0;int ret = 0; timeout.tv_sec = timeval_sec; timeout.tv_usec = timeval_usec; FD_ZERO(&readset); FD_SET(conn_sockfd, &readset); ret = select(conn_sockfd + 1, &readset, NULL, NULL, &timeout); if (ret > 0 && FD_ISSET(conn_sockfd, &readset)) { recv_bytes = recv(conn_sockfd, rx_buf, buf_len, MSG_DONTWAIT);if (recv_bytes == -1) { perror("recv");return-1; } } else {return-1; }return recv_bytes;}
非阻塞接收可以设置秒和微秒级别的超时时间,适合需要轮询多个连接或不想被recv阻塞的场景。
3.2 核心特性总结
通过以上实现,我们的TCP封装库具有以下特点:
- 功能完整:支持超时控制、客户端信息获取、完整发送等高级功能
- 健壮性强:自动防止SIGPIPE、正确的资源管理、详细的错误码
4. 实战应用示例
我们用一个简单的回声服务器(echo server)来演示这套封装的使用。
4.1 服务端实现
tcp_server.c:
#include"tcp_socket.h"intmain(int argc, char **argv){printf("==================tcp server==================\n");/* 初始化服务器,监听4321端口 */int server_fd = tcp_init(NULL, 4321);if (server_fd < 0) {printf("tcp_init error! code: %d\n", server_fd);exit(EXIT_FAILURE); }printf("Server listening on port 4321...\n");/* 接受客户端连接并获取客户端信息 */char client_ip[32] = {0};int client_port = 0;int client_fd = tcp_accept(server_fd, client_ip, sizeof(client_ip), &client_port);if (client_fd < 0) {printf("tcp_accept error! code: %d\n", client_fd); tcp_close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE); }printf("Client connected: %s:%d\n", client_ip, client_port);/* 循环接收数据并回显 */while (1) {char buf[128] = {0};int recv_len = tcp_blocking_recv(client_fd, buf, sizeof(buf));if (recv_len <= 0) {printf("Client disconnected\n"); tcp_close(client_fd); tcp_close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE); }printf("Received: %s\n", buf);/* 使用tcp_send_all确保完整发送 */int send_len = tcp_send_all(client_fd, (uint8_t*)buf, strlen(buf));if (send_len < 0) {printf("Send error! code: %d\n", send_len); tcp_close(client_fd); tcp_close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE); }printf("Echo sent: %d bytes\n", send_len); } tcp_close(server_fd);return0;}
服务端的核心代码非常简洁:
- 调用tcp_init初始化服务器,监听4321端口
- 调用tcp_accept等待客户端连接,同时获取客户端IP和端口
- 循环接收数据并使用tcp_send_all完整回显
4.2 客户端实现
tcp_client.c:
#include"tcp_socket.h"intmain(int argc, char **argv){printf("==================tcp client==================\n");if (argc < 3) {printf("Usage: ./tcp_client <ip> <port>\n");exit(EXIT_FAILURE); }char ip_buf[32] = {0};int port = 0;memcpy(ip_buf, argv[1], strlen(argv[1])); port = atoi(argv[2]);/* 连接服务器,5秒超时 */printf("Connecting to %s:%d ...\n", ip_buf, port);int server_fd = tcp_connect(ip_buf, port, 5);if (server_fd < 0) {if (server_fd == TCP_ERR_TIMEOUT) {printf("Connection timeout!\n"); }else {printf("tcp_connect error! code: %d\n", server_fd); }exit(EXIT_FAILURE); }printf("Connected successfully!\n");/* 循环发送和接收数据 */while (1) {char buf[128] = {0};printf("\nInput message: ");if (scanf("%s", buf)) {/* 使用tcp_send_all确保完整发送 */int send_len = tcp_send_all(server_fd, (uint8_t*)buf, strlen(buf));if (send_len < 0) {printf("tcp_send error! code: %d\n", send_len); tcp_close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE); }printf("Sent: %d bytes\n", send_len); bzero(buf, sizeof(buf));int recv_len = tcp_blocking_recv(server_fd, buf, sizeof(buf));if (recv_len <= 0) {printf("Server disconnected\n"); tcp_close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE); }printf("Received: %s (%d bytes)\n", buf, recv_len); } } tcp_close(server_fd);return0;}
客户端的逻辑同样简洁:
- 循环从标准输入读取数据,发送给服务器,然后接收回显的数据
4.3 运行
5.本文代码
https://gitee.com/EmbeddedLinuxZn/tcp_socket
https://github.com/EmbeddedLinuxZn/tcp_socket
6. 总结
这套TCP接口封装方案已经在多个嵌入式项目中使用,它能显著提高开发效率,降低出错概率。
另外,可以根据自己项目的实际需求,在这套封装的基础上进行扩展。比如增加SSL/TLS支持、实现连接池管理、加入心跳检测机制等。
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