基于 TCP 协议的双向通信程序实现与解析

一、整体工作流程

本代码实现的内网聊天系统采用经典的客户端 - 服务器（C/S）架构模型。系统运行过程中，服务器端与客户端分别遵循以下工作流程：

服务器端的初始化阶段，依次执行 socket 创建、端口绑定及监听状态设置等操作。随后进入循环监听模式，默认设置 5 秒超时机制等待客户端连接请求。当客户端成功连接后，服务器与客户端进入双向通信状态，双方可通过标准输入输出进行消息交互。客户端断开连接后，服务器将关闭当前连接通道，重新进入待连接状态，以处理后续客户端请求。

客户端在初始化时，通过创建 socket 实例并连接至服务器指定端口建立通信链路。连接成功后，客户端启动消息交互循环，实现用户输入消息的发送与服务器响应消息的接收功能。当满足预设退出条件时，客户端将主动断开与服务器的连接，并安全退出程序。

系统基于 TCP 协议通过 socket 接口建立连接，运用 select 函数实现 I/O 多路复用机制，同时监听标准输入及网络数据接收事件，确保通信过程的高效性与可靠性。各功能模块协同配合，共同完成消息收发、时间戳记录及会话管理等核心功能。

二、关键函数作用

2.1 printf_time()

该函数基于time.h库实现系统时间获取与格式化输出功能。其核心逻辑为：通过time()函数获取当前系统时间戳，利用localtime()函数将时间戳转换为本地时间结构体，按照 "[北京时间：% H：% M:% S]" 格式进行格式化输出。在消息接收场景下，该函数用于添加时间戳标识，为通信记录提供精确的时间维度信息，增强消息序列的可追溯性与可读性。

//输出时间戳
void printf_time(){                                                              
    time_t time_now=time(NULL);
    struct tm *now=localtime(&time_now);
    printf("[北京时间：%d:%d:%d]\t",now->tm_hour,now->tm_min,now->tm_sec);
}

2.2 handle()

此函数作为 SIGINT 信号的注册处理函数，主要用于捕获用户通过 Ctrl+C 发起的中断请求。当接收到 SIGINT 信号时，函数将创建 "exit.txt" 文件并写入 "exit\n" 标识，该标识作为客户端退出的状态标记，为后续退出逻辑提供判断依据。

//将^C信号转为下列函数
void handle(int sig){
    int fd=open("exit.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
    write(fd,"exit\n",5);
    printf("已退出\n");
    close(fd);
    return;
}

2.3 judge()

该函数承担客户端退出状态检测职责。通过尝试读取 "exit.txt" 文件内容，判断客户端是否触发退出操作。若文件读取成功且内容匹配 "exit\n"，则向服务器发送退出指令，依次关闭文件描述符、socket 连接并终止程序运行。此函数在客户端消息输入与接收流程中均被调用，确保退出逻辑的实时性与有效性。

//判断是否退出
void judge(const int fd){
    char buf[1024]={0};
    int fp=open("exit.txt",O_RDWR);
    if(fp==-1){
        return;
    }else{
        read(fp,buf,5);
        if(strcmp(buf,"exit\n")==0){
            send(fd,"exit\n",5,0);
            close(fp);
            close(fd);
            exit(1);
        }
        close(fp);
    }
}

2.4 客户端的 stdin_set()

该函数负责处理客户端标准输入消息。执行流程包括：首先调用judge()函数检测退出状态；清空输入缓冲区后读取用户输入，将消息发送至服务器；若检测到 "exit\n" 输入，则执行程序退出操作；最后进行错误检查并清空已处理的输入缓冲区，确保输入处理流程的完整性与安全性。

//输入信息
void stdin_set(int fd,char *buf){
    judge(fd);
    bzero(buf,1024);
    int ret=read(STDIN_FILENO,buf,sizeof(buf));
    send(fd,buf,ret,0);
    if(strcmp(buf,"exit\n")==0){
        printf("退出\n");
        exit(1);
    }
    ERROR_CHECK(ret,0,"你不中啊");
    bzero(buf,ret);
}

2.5 客户端的 recv_set()

该函数实现客户端接收服务器消息的功能。执行过程包括：调用judge()函数检测退出状态；接收服务器数据并进行错误处理；数据接收成功后，调用printf_time()添加时间戳并输出消息内容；最后清空接收缓冲区，为后续消息接收做好准备。

void recv_set(int fd,char *buf){
    judge(fd);
    ssize_t ret_r=recv(fd,buf,1024,0);
    ERROR_CHECK(ret_r,-1,"recv fail");
    printf_time();
    printf("接到服务端信息：%s",buf);
    bzero(buf,ret_r);
}

2.6 服务器端的 recv_set()

该函数用于处理服务器接收客户端消息的逻辑。消息接收后首先进行错误检查，若接收失败则返回错误标识；成功接收后添加时间戳，若检测到 "exit\n" 消息或接收长度为 0（客户端断开连接），则返回特定标识触发会话退出流程；否则输出接收到的消息内容并清空缓冲区，维持当前会话状态。

//接收信息
int recv_set(int fd,char *buf){
    ssize_t ret_r=recv(fd,buf,1024,0);
    ERROR_CHECK(ret_r,-1,"recv fail");
    printf_time();
    if(strcmp(buf,"exit\n")==0||ret_r==0){
        printf("客户已经退出，等待新客户(5s内没有新接入则退出)\n");
        return 1;
    }
    printf("收到客户信息：%s",buf);
    bzero(buf,ret_r);
    return 0;
}

2.7 服务器端的 stdin_set()

该函数负责处理服务器端标准输入消息。通过读取用户输入并发送至客户端，完成消息转发功能。执行过程包含错误检查与缓冲区清理操作，确保消息发送的可靠性与输入处理的独立性。

//发送信息
void stdin_set(int fd,char *buf){
    int ret=read(STDIN_FILENO,buf,sizeof(buf));
    ERROR_CHECK(ret,-1,"recv fail");
    send(fd,buf,ret,0);
    bzero(buf,ret);
}

三、socket 相关函数解析

socket()：创建网络套接字，原型int socket(int domain, int type, int protocol)。AF_INET指定 IPv4，SOCK_STREAM基于 TCP，0采用默认协议。客户端用其获取的描述符建立连接，服务器用于监听。
connect()：客户端专用，原型int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)，用于建立 TCP 连接，成功返 0，失败返 - 1。
bind()：服务器将套接字与 IP、端口绑定，原型同connect()，绑定后可监听客户端请求。
listen()：使服务器套接字监听，原型int listen(int sockfd, int backlog)，backlog设连接队列最大长度。
accept()：服务器接受连接，原型int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)，成功返回新描述符通信。
send()：在连接套接字上发数据，原型ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags)，flags为 0 用默认方式，返回发送字节数。
recv()：接收数据，原型类似send()，数据存buf，返回接收字节数，0 表示对方关闭，-1 表示失败。
close()：关闭套接字并释放资源，用于客户端退出或连接终止。

四、select 函数的应用

select 函数在本系统中实现 I/O 多路复用功能，通过同时监听多个文件描述符的可读状态，实现高效的事件驱动处理机制。

在客户端主循环中，首先使用FD_ZERO()函数清空文件描述符集合，随后通过FD_SET()函数将客户端套接字描述符及标准输入描述符添加至待监听集合。调用select(10, &set, NULL, NULL, NULL)进行事件监听，其中第一个参数为待检查的最大文件描述符值加 1，第二参数指定监听的可读事件集合，后三个参数设置为 NULL 表示仅监听可读事件且不设置超时。

select 函数将阻塞当前线程，直至检测到可读事件发生。事件触发后，通过FD_ISSET()函数分别检查标准输入与套接字描述符的状态：若标准输入可读，则调用stdin_set()处理用户输入；若套接字可读，则调用recv_set()处理服务器响应消息。

服务器端的 select 应用逻辑与客户端类似，在与客户端的会话循环中，同时监听与客户端通信的套接字描述符及标准输入描述符。当对应描述符可读时，分别执行消息接收与发送操作。这种设计模式有效避免了单一操作的阻塞问题，显著提升了系统的并发处理能力与运行效率。

五、信号处理与退出机制

5.1 信号处理

客户端通过signal(SIGINT, handle)函数注册 SIGINT 信号处理函数，实现对用户中断请求的响应。当用户按下 Ctrl+C 触发 SIGINT 信号时，handle()函数将被调用，创建 "exit.txt" 文件并写入退出标识，为后续退出流程提供状态标记。

5.2 退出机制

输入 "exit" 退出：客户端stdin_set()函数检测到用户输入 "exit\n" 时，立即执行程序退出操作。服务器端recv_set()函数接收到 "exit\n" 消息后，将终止当前会话循环，关闭连接并重新进入监听状态。
信号处理退出：客户端在消息输入与接收流程中调用judge()函数，通过检查 "exit.txt" 文件内容判断是否触发退出请求。若检测到退出标识，则向服务器发送退出消息，依次关闭文件与套接字资源后退出程序。服务器端接收到退出消息后，按既定流程处理连接关闭操作。
服务器超时退出：服务器在等待客户端连接阶段，通过alarm(5)设置 5 秒超时机制。若超时时间内未收到连接请求，将触发 SIGALRM 信号，由于未注册该信号处理函数，系统将按默认行为终止进程，实现无连接情况下的自动退出。若在超时前接收到连接请求，则调用alarm(0)取消超时设置，继续进行会话处理。

六、完整代码

客户端代码

#include <my_header.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <signal.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
/* Usage:从内网进行聊天沟通
 * 客户端使用函数SOCKET CONNECT SEND RECV CLOSE
 */ 

//输出时间戳
void printf_time(){                                                              
    time_t time_now=time(NULL);
    struct tm *now=localtime(&time_now);
    printf("[北京时间：%d:%d:%d]\t",now->tm_hour,now->tm_min,now->tm_sec);
}

//将^C信号转为下列函数
void handle(int sig){
    int fd=open("exit.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
    write(fd,"exit\n",5);
    printf("已退出\n");
    close(fd);
    return;
}

//判断是否退出
void judge(const int fd){
    char buf[1024]={0};
    int fp=open("exit.txt",O_RDWR);
    if(fp==-1){
        return;
    }else{
        read(fp,buf,5);
        if(strcmp(buf,"exit\n")==0){
            send(fd,"exit\n",5,0);
            close(fp);
            close(fd);
            exit(1);
        }
        close(fp);
    }
}

//输入信息
void stdin_set(int fd,char *buf){
    judge(fd);
    bzero(buf,1024);
    int ret=read(STDIN_FILENO,buf,sizeof(buf));
    send(fd,buf,ret,0);
    if(strcmp(buf,"exit\n")==0){
        printf("退出\n");
        exit(1);
    }
    ERROR_CHECK(ret,0,"你不中啊");
    bzero(buf,ret);
}

//读取服务端信息
void recv_set(int fd,char *buf){
    judge(fd);
    ssize_t ret_r=recv(fd,buf,1024,0);
    ERROR_CHECK(ret_r,-1,"recv fail");
    printf_time();
    printf("接到服务端信息：%s",buf);
    bzero(buf,ret_r);
}
int main(int argc, char *argv[]){    
    //检查端口号
    ARGS_CHECK(argc,2);
    //设置客户端socket
    int fd= socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    ERROR_CHECK(fd,-1,"error socket");
    
    //获取网络地址
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family=AF_INET;
    addr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));
    addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");
    
    //connect 链接对面
    int ret=connect(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
    ERROR_CHECK(ret,-1,"error connect");
    printf("输入消息并按回车发送，输入'exit'退出\n");
    char buf[1024]={0};
    
    //设置监听
    fd_set set;
    FD_ZERO(&set);

    //移除exit.txt判定文件
    remove("exit.txt");

    signal(SIGINT,handle);
    while(1){
        FD_SET(fd,&set);
        FD_SET(STDIN_FILENO,&set);
        select(10,&set,NULL,NULL,NULL);
        if(FD_ISSET(STDIN_FILENO,&set)){
            stdin_set(fd,buf);
        }
        if(FD_ISSET(fd,&set)){
            recv_set(fd,buf);
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}

服务端代码


#include <my_header.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
/* Usage:服务端 输入socket bind listen accept recv send close */
//打印时间戳
void printf_time(){
    time_t time_now=time(NULL);
    struct tm *now=localtime(&time_now);
    printf("[北京时间：%d:%d:%d]\t",now->tm_hour,now->tm_min,now->tm_sec);
}
//接收信息
int recv_set(int fd,char *buf){
    ssize_t ret_r=recv(fd,buf,1024,0);
    ERROR_CHECK(ret_r,-1,"recv fail");
    printf_time();
    if(strcmp(buf,"exit\n")==0||ret_r==0){
        printf("客户已经退出，等待新客户(5s内没有新接入则退出)\n");
        return 1;
    }
    printf("收到客户信息：%s",buf);
    bzero(buf,ret_r);
    return 0;
}
//发送信息
void stdin_set(int fd,char *buf){
    int ret=read(STDIN_FILENO,buf,sizeof(buf));
    ERROR_CHECK(ret,-1,"recv fail");
    send(fd,buf,ret,0);
    bzero(buf,ret);
}
int main(int argc, char *argv[]){     
    ARGS_CHECK(argc,2);
    //看端口是否正确

    int fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
    //生成文件描述符
    
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family=AF_INET;
    addr.sin_port=htons(atoi(argv[1]));
    addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");
    //描述网络主机地址
    
    bind(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
    //固定服务端端口号
    
    listen(fd,10);
    //监听 数值5~10
    
    while(1){
        //设置信号
        struct sigaction sa;
        sigaction(SIGALRM,&sa,NULL);
        alarm(5);
        
        //设置新的socket接收对面的socket
        struct sockaddr_in client_a;
        socklen_t clientlen=sizeof(client_a);
        int new_fd=accept(fd,(struct sockaddr*)&client_a,&clientlen);
        ERROR_CHECK(new_fd,-1,"error accept");
        printf("接收到客户信号，正在等待输入\n");
        //看全连接队列，没有则等待，有则拿出一条连接
        
        alarm(0);
        //如果连接到新的客户端，就不自动退出
        char buf[1024]={0};
        
        //设置select结构体，对具体情况进行监听
        fd_set set;
        FD_ZERO(&set);
        while(1){
            FD_SET(new_fd,&set);
            FD_SET(STDIN_FILENO,&set);
            select(10,&set,NULL,NULL,NULL);
            if(FD_ISSET(new_fd,&set)){
                if(recv_set(new_fd,buf)){
                    break;
                }
            }
            if(FD_ISSET(STDIN_FILENO,&set)){
                stdin_set(new_fd,buf);
            }
        }
        close(new_fd);
    }
    close(fd);
    return 0;
}