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十,Linux C++ TCP socket编程

  • 2026-10-11 06:42:47
十,Linux C++ TCP socket编程
这节课有奇怪的东西,比如大部分的TCP server讲义是错的。
这节课的知识点非常多,包括了多线程、串口、modbus、TCP、epoll。值得深入研究。
前面的课程我们学习了串口,modbus等编程,也学习了传感器的使用,但是无论是做边缘计算还是物联网,数据上云是最目的。边缘计算是将任务分发出去,让多个具有一定算力的边缘设备对数据进行预处理,然后将清洗过的数据传回服务器进行模型训练。物联网是将传感器的数据读取后通过网络回传至数据中心。这些数据传输的过程中都是以 TCP socket为基础。
在进行TCP socket 编程开发前,我们先学习一下相关理论。
TCP、UDP和socket的关系
TCP、UDP 和 Socket 是网络通信中三个密切相关但本质不同的概念。它们的关系可以概括为:TCP 和 UDP 是网络通信的传输层协议,负责“怎么传”数据;Socket 是应用层与传输层之间的“编程接口”,负责“怎么用”这些协议进行通信。
具体关系与区别如下:
1. TCP 与 UDP 的关系(传输层协议)
TCP(传输控制协议):面向连接、可靠、基于字节流的协议。通信前需通过“三次握手”建立连接,能保证数据按序、无差错地送达,但传输开销相对较大、时延较高。适用于对数据可靠性要求高的场景,如网页浏览(HTTP)、文件传输(FTP)、邮件等。
UDP(用户数据报协议):无连接、不可靠、基于数据报的协议。通信前无需建立连接,直接发送数据,不保证数据一定送达或按序,但传输开销小、时延低。适用于对实时性要求高、能容忍少量丢包的场景,如视频直播、在线游戏、语音通话等。
2. Socket 与 TCP/UDP 的关系(编程接口与协议的结合)
Socket(套接字):不是一种协议,而是操作系统为应用程序提供的网络通信接口(API)。它屏蔽了底层网络协议的复杂细节,为开发者提供了统一的网络编程能力。
结合方式:Socket 通过“IP 地址 + 端口号 + 协议类型”来标识一个网络通信端点。当使用 Socket 进行编程时,开发者可以指定底层使用的协议(TCP 或 UDP)。例如,创建 Socket 时指定为 SOCK_STREAM 即代表使用 TCP,指定为 SOCK_DGRAM 即代表使用 UDP。
Socket的英文原义是“孔”或“插座”。在编程中,Socket被称做 套接字,是网络通信中的一种约定。TCP 和 UDP 是 Socket 背后实际承载数据传输的“交通工具”。开发者通过 Socket 接口,灵活选择 TCP 或 UDP 来实现不同的网络通信需求。
所以,根据开发中使用的是TCP或者UDP,我们可以把socket分为TCP socket 和 UDP socket。
说完TCP、UDP和socket的关系,我们再来具体说一下TCP和UDP。
UDP socket编程的思路很像一个无线电对讲机,每个UDP socket都是一个独立的收发单元,彼此之间通信无需提前建立连接。它的这种通信方式看起来很简洁,但真的玩起来花样比TCP多的多。我们先看一下它的通信编程步骤,然后再说为什么它的花样很多。
UDP编程步骤:

1,socket()函数,创建一个新的套接字。

2,bind()函数,将套接字绑定到一个指定的地址(包括IP地址和端口号)。
3,sendto()函数发送数据,recvfrom()函数接收数据。
步骤及其简单是吧?其实,在绑定和发送的过程中,我们可以设置不同的参数实现:广播、组播、单播多种发送模式,而TCP只有一种发送方式。所以黑客也是利用UDP的多种发送方式来进行网络渗透的。
说完UDP ,我们来看TCP,先贴一张别人画的图
很多大学课程或者培训班都是按照上面的这张图讲的TCP吧?我的课程是实践教程,不想讲太多理论的,但是,对于目前行业中存在的错误理论和学习方法我必须要多少说一下,就像前面讲的Linux系统使用一样,大多数大学和培训班都是教学生去背什么“Linux常用命令nnn条”,不好背,而且还多,劝退了多少学生?那玩意用背吗?都只是Linux里的一些默认程序而已。不多说了,有兴趣的去我前面的课程看看。这里我再指出TCP编程教学一个古老问题。
我们先根据上面的图片,总结一下建立连接的过程:
1,服务器执行socket()函数,创建一个新的套接字。
服务器执行bind()函数,将套接字绑定到一个指定的地址(包括IP地址和端口号)。
2,服务器执行listen()函数,使套接字进入监听模式,等待客户端的连接请求。
3,服务器执行accept()函数,阻塞并等待客户端的连接请求。当一个客户端连接请求到来时,accept()函数返回,并创建一个新的套接字与客户端进行通信。
4,客户端执行socket()和connect()函数,向服务器发起连接请求。connect()函数会发送一个SYN(同步)数据包到服务器。
5,服务器收到SYN数据包,在accept()函数返回后,回复一个SYN+ACK(确认应答)数据包给客户端。
6,客户端收到SYN+ACK数据包,回复一个ACK数据包给服务器,完成TCP连接的建立。
7,TCP连接建立后,客户端和服务器可以通过read()和write()函数进行数据传输。
建立连接的过程是没有问题的。
但是!建立连接以后,流程图数据的收发部分需要另起炉灶!
TC服务在创建与客户端连接的socket后,便进入等待下一个连接的客户端或者处理客户端断开连接的逻辑。客端与服务器之间的数据收发是通过TCP server 创建的socket连接实例来完成的。比如问一个问题,按照上面的流程图运行的话,第二个、第三个、第1000个客户端请求连接和收发数据怎么办?按照上面的流程是无法走通的。直接点说就是比如腾讯的微信服务器上,不能为每个用户单独创建一个TCP server。真正的实现逻辑是TCP服务器为每个客户端创建一个套接字socket,然后客户端与服务器进行数据交互都是通过这个socket的。这样服务器就可以循环创建10000个连接实例套接字socket用于数据交互。一般来说,一个服务器跑10万到100万个socket没问题。但是有个问题就是必须要用多线程和epoll。
所以上图中红框的部分不是TCP server来做的事。在下面的代码中我具体来说明。
(还不点个关注?😊)
原理在上面已经讲的差不多了,下面我们来编程。
此次编程的目标是:
在开发板上创建TCP server,接收客户端的连接,而且接收多个客户端连接,维护客户端列表。而且,我们要把每一个连接实例压入epoll的监控列表,使用epoll实现接收多个客户端的消息而不阻塞主进程。然后把从温湿度传感器读取的温湿度数据格式化成字符串,通过socket连接依次推送到每一个客户端。
先使用AI帮我们生成框架代码,然后我们再修改一下,提示词:
Linux C++ 编程实现TCP SERVER,绑定IP 192.168.90.29,端口 5270,使用list存储每一个建立的连接实例,list中是一个结构体,结构体包括这个连接实例和这个socket实例的IP和端口。服务器端每秒钟遍历list,向每个客户端发送一句“hello”。代码通俗易懂,不要用过度发挥。
新建一个c++工程 cpp_tcpserver
然后添加一个类,用于操作串口
再添加一个TCP server 类,项目组成文件如下
项目中别忘了连接modbus动态库
串口部分的代码使用上节课 cpp_serialmodbus 项目中的稍微修改即可。
下面给出两个类的详细代码,可直接编译到开发板运行的。
class_uart.h
#ifndef CLASS_UART_H#define CLASS_UART_H#include<modbus/modbus.h>class Class_uart{public:    static Class_uart* getInstance()    {        if(handler ==nullptr)            handler = new Class_uart();        return handler;    }    intinitUART();    intreadTH(uint16_t& uint16T,uint16_t& uint16H);private:    static Class_uart* handler;    Class_uart();};#endif// CLASS_UART_H
class_uart.cpp
#include"class_uart.h"#include<iostream>using namespace std;modbus_t* ctx = nullptr;Class_uart* Class_uart::handler = nullptr;Class_uart::Class_uart() {}intClass_uart::initUART(){    // 1. 创建 Modbus RTU 上下文    // 参数:串口设备路径,波特率,校验位,数据位,停止位    // 校验位:'N'=无校验,'E'=偶校验,'O'=奇校验    ctx = modbus_new_rtu("/dev/ttyAS3", 9600, 'N', 8, 1);    if (ctx == nullptr) {        std::cerr << "无法创建 Modbus RTU 上下文" << std::endl;        return -1;    }    // 2. 设置从站地址(Slave Address = 01)    int slave_id = 1;    if (modbus_set_slave(ctx, slave_id) == -1) {        std::cerr << "设置从站地址失败" << std::endl;        modbus_free(ctx);        return -1;    }    // 3. 连接 Modbus 设备    if (modbus_connect(ctx) == -1) {        std::cerr << "连接 Modbus 设备失败: " << modbus_strerror(errno) << std::endl;        modbus_free(ctx);        return -1;    }    // 可选:开启调试输出,便于排查问题    // modbus_set_debug(ctx, TRUE);    std::cout << "成功连接到 Modbus 从站设备,地址: " << slave_id << std::endl;    return 1;}intClass_uart::readTH(uint16_t& uint16T,uint16_t& uint16H){    // 4. 读取输入寄存器(Input Register)    // 起始地址: 0x0000,读取2个寄存器    uint16_t regTH_value[2] = {0};  // 存储1个寄存器的值(16位)    // int rt = modbus_read_input_registers(ctx, 0x0000, 2, regTH_value);//0x04    int rt = modbus_read_registers(ctx, 0x0000, 2, regTH_value);//0x03    if (rt == -1) {        std::cerr << "读取输入寄存器失败: " << modbus_strerror(errno) << std::endl;        modbus_close(ctx);        modbus_free(ctx);        return -1;    }    uint16T = regTH_value[0];    uint16H = regTH_value[1];    // 5. 输出读取结果    std::cout << "读取成功!共读取 " << rt << " 个寄存器" << std::endl;    std::cout << "寄存器地址 0x0000 的值: "<<regTH_value[0]<<"(0x"<<std::hex<<regTH_value[0]<< std::dec<<")"<< std::endl;    std::cout << "寄存器地址 0x0000 的值: "<<regTH_value[1]<<"(0x"<<std::hex<<regTH_value[1]<< std::dec<<")"<< std::endl;    return 1;}
class_tcpserver.h 
#ifndef CLASS_TCPSERVER_H#define CLASS_TCPSERVER_H#include<string>#include<list>using namespace std;// 存储每个客户端连接的信息struct ClientInfo {    int fd;                 // socket 文件描述符    std::string ip;         // 客户端 IP 地址    uint16_t port;          // 客户端端口};class Class_tcpserver{public:    static Class_tcpserver* getInstance()    {        if(handler == nullptr)            handler = new Class_tcpserver();        return handler;    }    intinitTcpServer();    voidRunTcpServer();    voidstopTcpServer();private :    Class_tcpserver();    static Class_tcpserver* handler;    int tcpServerfd;    int epoll_fd;    int running_tcp_server;    std::list<ClientInfo> clients;   // 所有活跃连接};#endif// CLASS_TCPSERVER_H
class_tcpserver.cpp
#include"class_tcpserver.h"#include<iostream>#include<unistd.h>#include<sys/socket.h>#include<netinet/in.h>#include<arpa/inet.h>#include<fcntl.h>#include<string.h>#include<sys/epoll.h>#include<errno.h>#include"class_uart.h"using namespace std;Class_tcpserver* Class_tcpserver::handler = nullptr;Class_uart* uartInstance = Class_uart::getInstance ();Class_tcpserver::Class_tcpserver() {    running_tcp_server = 1;    tcpServerfd = -1;    epoll_fd = -1;}intClass_tcpserver::initTcpServer(){    // 1. 创建监听 socket    tcpServerfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);    if (tcpServerfd < 0) {        perror("socket");        return -1;    }    // 允许端口重用,避免 "Address already in use"    int opt = 1;    setsockopt(tcpServerfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));    // 2. 绑定到 192.168.90.29:5270    struct sockaddr_in serverAddr;    memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));    serverAddr.sin_family = AF_INET;    serverAddr.sin_port = htons(5270);    if (inet_pton(AF_INET, "192.168.90.29", &serverAddr.sin_addr) <= 0) {        perror(" inet_pton ");        close(tcpServerfd);        return -1;    }    if (bind(tcpServerfd, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) {        perror(" bind ");        close(tcpServerfd);        return -1;    }    // 3. 开始监听    if (listen(tcpServerfd, 10) < 0) {        perror(" listen ");        close(tcpServerfd);        return -1;    }    // 监听 socket 设为非阻塞(epoll必须)    int flags = fcntl(tcpServerfd, F_GETFL, 0);    fcntl(tcpServerfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);    // 4. 创建 epoll 实例    epoll_fd = epoll_create1(0);    if (epoll_fd < 0) {        perror("epoll_create1");        close(tcpServerfd);        return 1;    }    // 将监听 fd 加入 epoll,关注读事件    struct epoll_event ev;    ev.events = EPOLLIN;    ev.data.fd = tcpServerfd;    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, tcpServerfd, &ev) < 0) {        perror("epoll_ctl add");    }    return 1;}voidClass_tcpserver::RunTcpServer(){    std::cout << "Server listening on 192.168.90.29:5270" << std::endl;    const int MAX_EVENTS = 64;    struct epoll_event events[MAX_EVENTS];    static int timercount = 0;    uint16_t uint16T;    uint16_t uint16H;    while (running_tcp_server > 0) {        // epoll_wait 超时 1 毫秒        int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, 1);        if (nfds < 0) {            perror("epoll_wait");            break;        }        else if(nfds == 0)        {            timercount++;            if(timercount > 990)            {                timercount = 0;                uartInstance->readTH (uint16T,uint16H);                // std::cout << "uint16T"<<uint16T<<endl;                // std::cout << "uint16H"<<uint16H<<endl;                int t1 = uint16T%100;                int t2 = (uint16T/100);                string str_t = "温度:";                str_t.append(std::to_string (t2));                str_t.append (".");                str_t.append (std::to_string (t1));                int h1 = uint16H%100;                int h2 = (uint16H/100);                string str_h = " , 湿度:";                str_h.append(std::to_string (h2));                str_h.append (".");                str_h.append (std::to_string (h1));                string message = "";                message.append (str_t);                message.append (str_h);                std::cout << message <<endl;                for (auto it = clients.begin(); it != clients.end(); ) {                    const char* msg = message.data ();                    int n = send(it->fd, msg, strlen(msg), 0);                    if (n < 0) {                        // 发送出错(非 EAGAIN 则表示连接已异常)                        if (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK)                        {                            std::cout << "Send error, disconnecting: " << it->ip << ":" << it->port << std::endl;                            // 连接关闭或出错,从 epoll 和 list 中移除                            epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, it->fd, nullptr);                            close(it->fd);                            it = clients.erase(it);   // 删除并获取下一个迭代器                        }                        else                        {                            ++it;   // 缓冲区满,下次再试                        }                    }                    else {                        ++it;                    }                }            }        }        else        {            // 处理所有就绪事件            for (int i = 0; i < nfds; ++i) {                int fd = events[i].data.fd;                // 如果是监听 socket,接受新连接                if (fd == tcpServerfd) {                    struct sockaddr_in clientAddr;                    socklen_t addrLen = sizeof(clientAddr);                    int clientfd = accept(tcpServerfd, (struct sockaddr*)&clientAddr, &addrLen);                    if (clientfd < 0) {                        perror("accept");                        continue;                    }                    char ipStr[INET_ADDRSTRLEN];                    inet_ntop(AF_INET, &clientAddr.sin_addr, ipStr, sizeof(ipStr));                    uint16_t port = ntohs(clientAddr.sin_port);                    int flags = fcntl(clientfd, F_GETFL, 0);                    fcntl(clientfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);                    // 将监听 fd 加入 epoll,关注读事件                    struct epoll_event ev;                    ev.events = EPOLLIN;                    ev.data.fd = clientfd;                    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev) < 0) {                        perror("epoll_ctl add");                    }                    clients.push_back({clientfd, std::string(ipStr), port});                    std::cout << "New client connected: " << ipStr << ":" << port                              << " (total: " << clients.size() << ")" << std::endl;                }                else {                    // 客户端 socket 可读                    char buffer[1024];                    int n = recv(fd, buffer, sizeof(buffer), 0);                    if (n <= 0) {                        // 连接关闭或出错,从 epoll 和 list 中移除                        epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, fd, nullptr);                        close(fd);                        // 在 list 中查找并删除该 fd                        for (auto it = clients.begin(); it != clients.end(); ++it) {                            if (it->fd == fd) {                                std::cout << "Client disconnected: " << it->ip << ":" << it->port << std::endl;                                clients.erase(it);                                break;                            }                        }                    }                    else {                        // 收到数据,本例不处理,仅打印(可选)                        buffer[n] = '\n';                        std::cout << "Received " << n << " bytes from " << fd <<" : "<< buffer <<std::endl;                    }                }            }        }    }}voidClass_tcpserver::stopTcpServer(){    running_tcp_server = -100;    std::cout << "Server closing 192.168.90.29:5270" << std::endl;    for (auto it = clients.begin(); it != clients.end(); ) {        epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_DEL, it->fd, nullptr);        close(it->fd);        it = clients.erase(it);    }    close(tcpServerfd);    close(epoll_fd);    // 清理    std::cout << "清理完成" << std::endl;}
main.cpp
#include<iostream>#include<thread>#include<csignal>#include<unistd.h>#include"class_tcpserver.h"#include"class_uart.h"using namespace std;static int running_maincondition = 1;static Class_uart* uartHandler = Class_uart::getInstance ();static Class_tcpserver* tcpHandler = Class_tcpserver::getInstance ();voidsignal_handler(int signum){    if (signum == SIGINT) {        std::cout << "\n收到 Ctrl+C,准备退出..." << std::endl;        tcpHandler->stopTcpServer ();        running_maincondition = 0;    }}staticvoidthread_func_TCP(){    if(tcpHandler->initTcpServer () > 0)    {        tcpHandler->RunTcpServer ();    }    else{        return;    }    cout << "thread_func_TCP exit OK !" << endl;}intmain(){    cout << "Hello TCP SERVER !" << endl;    struct sigaction sa;    sa.sa_handler = signal_handler;    sigemptyset(&sa.sa_mask);    sa.sa_flags = 0;    // 注册 SIGINT 处理函数    if (sigaction(SIGINT, &sa, nullptr) == -1) {        perror("sigaction");        return 1;    }    thread *thread_tcp = nullptr;    if(uartHandler->initUART () > 0)    {        thread_tcp = new thread(thread_func_TCP);    }    else{        return -1;    }    while (running_maincondition) {        sleep(1);    }    thread_tcp->join ();    cout << "正常退出完毕 !" << endl;    return 0;}
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