网络套接字(Udp与Tcp应用)

2024-01-14 08:17:40

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在网络通信中，凡是我们所写的代码，采用的接口都是系统调用接口，编写的程序都叫用户层程序，我们接下来的工作就是在用户层自定义协议。在网络模型中就是应用层，那么就是要使用传输层的接口（但是有原始套接字可以绕过传输层）

1. 认识套接字

1.1 IP

在IP数据包头部中, 有两个IP地址, 分别叫做源IP地址, 和目的IP地址。
有了IP地址能够把消息发送到对方的机器上,但是跨网络传输还需要有一个其他的标识来区分出, 这个数据要给对方的哪个程序进行解析。
即IP在公网当中全网标识一台主机，发送的时候，不仅需要目的IP，通信也要自己的源IP也发过去，因为对方主机还要对你做出“回应”。

在你打开网页，访问百度的时候，实际上硬件只是一个载体，实际上通信的是你笔记本上的软件(浏览器进程)，和对方服务器上的软件（服务器进程）。更准确的一点说，实际上是运行起来的进程进行通信，所以套接字的本质就是跨网络的进程间通信。

1.2 端口号

一个笔记本上，有很多进程，所有的进程并发的进行运行。所以通信的时候还需要一个东西来标识某个进程，标定进程的方式叫端口号。

  • 端口号是一个2字节16位的整数;
  • 端口号用来标识一个进程, 告诉操作系统, 当前的这个数据要交给哪一个进程来处理;
  • IP地址 + 端口号能够标识网络上的某一台主机的某一个进程;
  • 一个端口号只能被一个进程占用
    传输层协议(TCP和UDP)的数据段中有两个端口号, 分别叫做源端口号和目的端口号. 就是在描述 “数据是谁发的, 要发给谁”;就像你到了那台主机之还要根据目的端口号找到对应进程

1.3 套接字

IP标记某个全网唯一主机。
端口号标识主机内为一进程。那么IP+端口号就实现了标识全网内的唯一进程。而这个IP+端口号就是套接字。
网络套接字(Udp与Tcp应用)

服务器几乎永远不会关机，只会不断更新。虽然这里只简单的花了两个进程。但是这两台主机中充斥着大量的进程。公网IP保证了主机的唯一性，端口号保证了进程的唯一性。进程间通信，不同的进程看到了同一套资源，而跨网络进程通信，不同主机的进程就看到的是网络这个资源。

网络之中充斥着大量的套接字就要被管理起来
网络套接字(Udp与Tcp应用)
这里面有一个熟悉的file而file中存在一个
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又指向这个socket指针
网络套接字(Udp与Tcp应用)
ops指针中存在着各种函数指针
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1.4 端口号和进程id

pid表示唯一一个进程，并不是所有的进程都需要端口号，但是所有的进程在系统层面上都有一个pid。只有你这个进程是网络进程时才需要端口号。
一个进程可以绑定多个端口号
一个端口号只能用于一个进程

最开始收到数据的一定是计算机当中的网卡，然后自底向上交付。

1.5 认识TCP协议

  • 传输层协议
  • 有连接
  • 可靠传输(要保证处理数据，丢包，等等，比较复杂)
  • 面向字节流
    管道也是面向字节流的。

1.6 认识UDP协议

  • 传输层协议
  • 无连接
  • 不可靠传输
  • 面向数据报

1.7 网络字节序

低字节位在低地址处，叫做小端。
高字节位在低地址处，叫做大端。
假如你发数据，对方服务器可不知道你的数据你发的数据是大端还是小端，假如你的笔记本是小端，对方服务器是大端，那么服务器就会数据理解错误，这种情况肯定是存在，而且要被解决的。
网络规定，网络上跑的数据默认大端。假如你是小端机操作系统就会默认转为大端，收方默认接受的就是大端数据。

假设要发送0x1234abcd

网络套接字(Udp与Tcp应用)

  • TCP/IP协议规定,网络数据流应采用大端字节序,即低地址高字节.
  • 不管这台主机是大端机还是小端机, 都会按照这个TCP/IP规定的网络字节序来发送/接收数据;
  • 如果当前发送主机是小端, 就需要先将数据转成大端; 否则就忽略, 直接发送即可;
    大端发送很方便，由于首先收到的就是高权值数据，所以就可以边计算便接收

1.8 库函数

大端就不做任何转换,小端机调用这些函数，将数据转换成大端序列。
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这些函数名很好记,h表示host,n表示network,l表示32位长整数,s表示16位短整数。
例如htonl表示将32位的长整数从主机字节序转换为网络字节序,例如将IP地址(点分十进制，四个.，一个点隔开一个字节，每个范围为0-255)转换后准备发送

1.9 地址转换函数

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1.10 socket 常见API

  1. 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);

domain代表域，即使用TCP或者UDP
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套接字类别，流式套接字，数据报套接字，原始套接字
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协议，操作系统使用默认行为

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最重要的是返回值
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可以这么理解，网卡也是一种文件，通信之前需要将文件打开，这里的socket函数等价于open，返回值等价一个文件描述符。

  1. 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,socklen_t address_len);

关联IP,端口号。服务器一般不发消息，永远是被动的，即绑定的，IP，端口号是客户端自己的。在系统方面表明，将IP信息与网络信息关联起来。

  • 描述符
  • 将IP地址，端口号，填进去强转之后的结构体，然后绑定。
  • 结构体长度
  1. 开始监听socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);
  • 文件描述符
  • 由于是面向连接的，所以需要一个等待队列，backlog代表底层连接的长度，一般不要设置太大
  1. 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,socklen_t* address_len);
  • 参数socket用于接收到链接请求（唯一一个），返回值socket用于通信（多个）
  1. 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);

1.11 sockaddr结构

socket API是一层抽象的网络编程接口,适用于各种底层网络协议,如IPv4、 IPv6,以及UNIX DomainSocket. 然而, 各种网络协议的地址格式并不相同，操作系统实现了一种套接字接口，来解决不同套接字的编写，调用。
他就是sockaddr结构，就是用于将我们的IP,端口号等填入结构体，发给别人
网络套接字(Udp与Tcp应用)
网络套接字(Udp与Tcp应用)网络套接字(Udp与Tcp应用)
in_addr用来表示一个IPv4的IP地址. 其实就是一个32位的整数
网络套接字(Udp与Tcp应用)

虽然socket api的接口是sockaddr, 但是我们真正在基于IPv4编程时, 使用的数据结构是sockaddr_in; 这个结构里主要有三部分信息: 地址类型, 端口号, IP地址

  • IPv4和IPv6的地址格式定义在netinet/in.h中,IPv4地址用sockaddr_in结构体表示,包括16位地址类型, 16位端口号和32位IP地址.
  • IPv4、 IPv6地址类型分别定义为常数AF_INET、 AF_INET6. 这样,只要取得某种sockaddr结构体的首地址,
  • 不需要知道具体是哪种类型的sockaddr结构体,就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容.
  • socket API中的函数形参，可以都用struct sockaddr *类型表示, 在使用的时候需要强制转化成sockaddr_in; 这样的好处是多态，即程序的通用性, 可以接收IPv4, IPv6, 以及UNIX Domain Socket各种类型的sockaddr结构体指针做为参数。那么强转后，在函数内怎么区分呢？由于每个字段都是16位，把他们提取出来，用if判断类型。就好了

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2. Udp服务器

2.1 收发接口

服务器被动的收发数据，所需要接口。

收数据

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  • 文件描述符
  • buf缓冲区
  • 期望读的长度
  • flags，读取条件是否成立
  • 输出型参数，传入方信息
  • 既做输入又做输出，输入代表结构体大小，输出代表读取结构体大小

发数据
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  • 文件描述符
  • 发送缓冲区
  • 期望发的长度
  • 读取条件是否成立
  • 刚才收数据收到了对方的信息
  • 输入代表结构体大小，输出代表读取大小

2.2 udp服务器实现

实际上这里的ip，可以不用输入，直接在填充的时候选择INADDR_ANY，这样在客户端输入任意IP，输入端口号，都可以访问服务器。

#pragma once 

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<string>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
using namespace std;

class udpServer
{
  private:
    string ip;
    int port;

    int sock;
  public:
    udpServer(string _ip="127.0.0.1",int _port=8080)
       :ip(_ip)
       ,port(_port)
    {}
    void initServer()
    {
      //创建socket描述符,默认为3
      sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
      cout<<"sock:"<<sock<<endl;
      //填充信息到sockaddr _in中
      struct sockaddr_in local;
      local.sin_family=AF_INET;
      //转成大端
      local.sin_port=htons(port);
      //sockaddr中有一个sin_addr结构体，结构体中的saddr为ip
      //将ip转为char*
      local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip.c_str());


      //绑定端口号
      //可以让不同类型套接字，使用同一套接口，所以要强转
      //为什么不用void*呢，套接字出现较早，void*还没定义。需要向前兼容，不能修改。
      if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
      {
        cerr<<"bind error!\n"<<endl;
        exit(1);
      }
    }  
      void strat()
      {
        char msg[64]={0};
        for(;;)
        {
          //远端的信息
          
          struct sockaddr_in end_point;
          socklen_t len=sizeof(end_point);
          
          //从网络接收数据，然后打印，拼凑一下返回给服务端
          ssize_t s=recvfrom(sock,msg,sizeof(msg)-1,0,(struct sockaddr*)&end_point,&len);
          if(s>0)
          {
            msg[s]='\0';
            cout<<"client##"<<msg<<endl;
            string echo_string=msg;
            echo_string+="[注：服务器回显]";
            sendto(sock,echo_string.c_str(),echo_string.size(),0,(struct sockaddr*)&end_point,len);

          }

        }
      }
      

    
    ~udpServer()
    {
      close(sock);
    }
};

main函数只需要简单的启动即可

#include"udpServer.hpp"

int main()
{
  udpServer *up=new udpServer;
  up->initServer();
  up->strat();
  delete up;
  return 0;
}

由于此时还没有客户端，那么怎么看到他运行起来了呢
用netstat -nlup命令，其中u代表udp，假如是 -bltp就是tcp。
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服务端已启动。

3. udp客户端实现

#pragma once 

#include<iostream>
#include<string>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
using namespace std;

class udpClient
{
  private:
    string ip;
    int port;

    int sock;
  public:
    //连接服务器，服务器ip，port。
    udpClient(string _ip="127.0.0.1",int _port=8080)
       :ip(_ip)
       ,port(_port)
    {}
    void initClient()
    {
      //创建socket描述符,默认为3
      sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
      cout<<"sock:"<<sock<<endl;
      
      //客户端不需要绑定
      //填充信息到sockaddr _in中
      //struct sockaddr_in local;
      //local.sin_family=AF_INET;
      //转成大端
      //local.sin_port=htons(port);
      //sockaddr中有一个sin_addr结构体，结构体中的saddr为ip
      //将ip转为char*
      //local.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip.c_str());


      //绑定端口号
      //可以让不同类型套接字，使用同一套接口，所以要强转
      //为什么不用void*呢，套接字出现较早，void*还没定义。需要向前兼容，不能修改。
     // if(bind(sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
    // {
       // cerr<<"bind error!\n"<<endl;
       // _exit(1);
      //}
    }  
      void strat()
      {

          string msg;
          struct sockaddr_in peer;
          peer.sin_family=AF_INET;
          peer.sin_port=htons(port);
          //点分十进制转成4字节，主机序列转成网络序列
          peer.sin_addr.s_addr=inet_addr(ip.c_str());
        for(;;)
        {

          cout<<"请输入"<<endl;
          cin>>msg;
          if(msg=="quit")
          {
            break;
          }
         //发去服务器
          sendto(sock,msg.c_str(),msg.size(),0,(struct sockaddr*)&peer,sizeof(peer));
          char echo[128];
          ssize_t s=recvfrom(sock,echo,sizeof(echo)-1,0,nullptr,nullptr);
          
          if(s>0)
          {
            echo[s]='\0';
            cout<<"server###"<<echo<<endl;
          }

        }
      }
      

    
    ~udpClient()
    {
      close(sock);
    }
};

main中初始化，然后启动

#include"udpClient.hpp"

int main()
{
  udpClient uc;
  uc.initClient();
  uc.strat();
  return 0;
}

这里提到客户端不需要自己绑定，但是为什么服务器就需要绑定呢？
首先因为一个服务器的ip，port，是众所周知的，就比如http所对应80,https对应443,ssh对应22,mysql对应3306。一个服务器，面向数不清的客户端，一经更改，客户端就找不到服务器了。客户端不需要bind，客户端并不是只有一种，比如一个手机有微信，有qq，各种客户端进程，对应着不同的服务端，假如一个客户端进程绑定着1，2，3，4端口号，同时进来另一个客户端进程需要绑定1，2，3，4.由于一个端口号只能被一个进程绑定，那么就会导致冲突，客户端无法启动。服务器会有冲突问题吗，显然是会的，但是这个服务对应的端口号比如说，80我们就会想到http，那我们在编写程序就不会把80绑给我们的进程。
客户端的端口虽然对应唯一性，但是不需要明确必须是那个端口号。因为他需要IP和Port,让UDP客户端收数据，发送数据。系统会自动进行IP和端口号绑定。

3.1 实验现象

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客户端发数据，服务端收到，并回显到客户端。

而我们也可以，在main函数中传入参数，在命令行中带入ip与port，输入失败的时候，提示帮助手册。

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客户端传入服务器的ip，port
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3.2 本地环回

127.0.0.1，通常用来进行网络通信代码的本地测试，一般把网络层全部自顶向下，自底向上，跑一遍。进行测试。

4. 单进程Tcp

4.1 服务器

#ifndef __TCP__SERVER_H_
#define __TCP__SERVER_H_


#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdlib>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cstring>
#include<unistd.h>

using namespace std;

class tcpServer
{
  private:
    int port;
    int l_sock;
  public:
    tcpServer(int _port)
     :port(_port)
      ,l_sock(-1)
    {}
    void initServer()
    {
      l_sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
      if(l_sock<0)
      {
        cerr<<"socket error"<<endl;
        exit(2);
      }
      struct sockaddr_in local;
      local.sin_family=AF_INET;
      local.sin_port=htons(port);
      local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;

      if(bind(l_sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
      {
           cerr<<"bind error"<<endl;
           exit(3);
      }
      if(listen(l_sock,5)<0)
      {
          cerr<<"bind error"<<endl;
          exit(4);
      }
    }
    void service(int sock)
    {
      while(true)
      {
        //读取甚至可以用read
        //udp用recvfrom，tcp用recv
        //写可以用write
        //udp用sendto，tcp用send
        char buffer[24]={0};
        size_t s=recv(sock,buffer,sizeof(buffer)-1,0);
        if(s>0)
        {
          buffer[s]={0};
          cout<<"client#: "<<buffer<<endl;

          send(sock,buffer,strlen(buffer),0);
        }
        //不写这句他就会阻塞在send或recv,写上,当s==0时就退出
        else if(s==0)
        {
              cout<<"client quit"<<endl;
              close(sock);
              break;
        }
        else{
         cout<<"recv client data error"<<endl;
         break;
        }
      }
      close(sock);
      
    }
    void start()
    {
      sockaddr_in endpoint;
      while(true)
      {
        //重新获取一个socket，加上原来的此时共有两个
        socklen_t len=sizeof(endpoint);
        int sock=accept(l_sock,(struct sockaddr*)&endpoint,&len);
        if(sock<0)
        {
          cerr<<"accept error"<<endl;
          continue;
        }
        cout<<"get a new link"<<endl;
        //当客户端退出，service也应该退出
         service(sock);
      }
    }
    ~tcpServer()
    {
      close(sock);
    }

};



#endif

全0表示任意IP都可以。
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虽然没有客户端，但是远程登录工具可以登录服务器
网络套接字(Udp与Tcp应用)
网络套接字(Udp与Tcp应用)
也可以进行通信
网络套接字(Udp与Tcp应用)

4.2 客户端

#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>


using namespace std;


class tcpClient{
  private:
    int svr_port;
    string svr_ip;
    int sock;
  public:
    tcpClient(string _ip="127.0.0.1",int port=8080)
    :svr_port(port)
     ,svr_ip(_ip)
    {}
    void initClient()
    {
     sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
     if(sock<0)
     {
       cerr<<"sock error"<<endl;
       exit(2);
     }
     struct sockaddr_in svr;
     svr.sin_family=AF_INET;
     svr.sin_port=htons(svr_port);
     //点分十进制-》主机序列-》网络序列
     svr.sin_addr.s_addr=inet_addr(svr_ip.c_str());

     if(connect(sock,(struct sockaddr*)&svr,sizeof(svr))!=0)
     {
       cerr<<"connect error"<<endl;
     }
    }
    void start()
    {
      char msg[64];
      while(true)
      {
        size_t s=read(0,msg,sizeof(msg)-1);
        if(s>0)
        {
           msg[s-1]=0;
           send(sock,msg,strlen(msg),0);
           size_t ss=recv(sock,msg,sizeof(msg)-1,0);
           if(ss>0)
           {
              msg[ss]=0;
              cout<<"server echo##"<<msg<<endl;
           }
        }
      }
    }
    ~tcpClient()
    {
   close(sock);
    }
};
  




#endif

但是这个单进程版本，也就意味着当前进程不退出，别的进程就不能再次绑定。

Tcp套接字通信就像管道一样，管道也是流式服务

5. 多进程Tcp

5.1 服务器

#ifndef __TCP__SERVER_H_
#define __TCP__SERVER_H_


#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdlib>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
using namespace std;

class tcpServer
{
  private:
    int port;
    int l_sock;
  public:
    tcpServer(int _port)
     :port(_port)
      ,l_sock(-1)
    {}
    void initServer()
    {
      signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
      l_sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
      if(l_sock<0)
      {
        cerr<<"socket error"<<endl;
        exit(2);
      }
      struct sockaddr_in local;
      local.sin_family=AF_INET;
      local.sin_port=htons(port);
      local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;

      if(bind(l_sock,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local))<0)
      {
           cerr<<"bind error"<<endl;
           exit(3);
      }
      if(listen(l_sock,5)<0)
      {
          cerr<<"bind error"<<endl;
          exit(4);
      }
    }
    void service(int sock)
    {
      while(true)
      {
        //读取甚至可以用read
        //udp用recvfrom，tcp用recv
        //写可以用write
        //udp用sendto，tcp用send
        char buffer[24]={0};
        size_t s=recv(sock,buffer,sizeof(buffer)-1,0);
        if(s>0)
        {
          buffer[s]={0};
          cout<<"client#: "<<buffer<<endl;

          send(sock,buffer,strlen(buffer),0);
        }
        //不写这句他就会阻塞在send或recv,写上,当s==0时就退出
        else if(s==0)
        {
              cout<<"client quit"<<endl;
              close(sock);
              break;
        }
        else{
         cout<<"recv client data error"<<endl;
         break;
        }
      }
      close(sock);
      
    }
    void start()
    {
      sockaddr_in endpoint;
      while(true)
      {
        //重新获取一个socket，加上原来的此时共有两个
        socklen_t len=sizeof(endpoint);
        int sock=accept(l_sock,(struct sockaddr*)&endpoint,&len);
        if(sock<0)
        {
          cerr<<"accept error"<<endl;
          continue;
        }
        string cli_info=inet_ntoa(endpoint.sin_addr);
        cli_info+=":";
        cli_info+=to_string(ntohs(endpoint.sin_port));
        cout<<"get a new link"<<" "<<cli_info<<endl;


        //当客户端退出，service也应该退出
        
        pid_t id =fork();
        if(id==0)
        {
          //子进程关闭与否不影响
        close(l_sock);
         service(sock);
         exit(0);
        }
        //1. waitpid(id,NULL,0),父进程阻塞了，所以可以设置为非阻塞
        //2. 捕捉sigchild信号
        //3. 忽略sigchild信号，自动由系统回收
        //父进程必须关闭
        //父进程不断获取链接，被子进程继承下去文件描述符很多，父进程可能就会不够用
        close(sock);
    }
    }
    ~tcpServer()
    {
      close(l_sock);
    }


};



#endif 


#include"tcpServer.hpp"

static void Usages(const string& str)
{
  cout<<"Usage: port is "<<str<<endl;
}

int main(int argc,char* argv[])
{
  if(argc!=2)
  {
     Usages(argv[0]);
     exit(1);
  }
  tcpServer* tp=new tcpServer(atoi(argv[1]));
  tp->initServer();
  tp->start();
  delete tp;
  return 0;
}

5.2 客户端

#ifndef __TCP__CLIENT_H_
#define __TCP__CLIENT_H_


#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>


using namespace std;


class tcpClient{
  private:
    int svr_port;
    string svr_ip;
    int sock;
  public:
    tcpClient(string _ip="127.0.0.1",int port=8080)
    :svr_port(port)
     ,svr_ip(_ip)
    {}
    void initClient()
    {
     sock=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
     if(sock<0)
     {
       cerr<<"sock error"<<endl;
       exit(2);
     }
     struct sockaddr_in svr;
     svr.sin_family=AF_INET;
     svr.sin_port=htons(svr_port);
     //点分十进制-》主机序列-》网络序列
     svr.sin_addr.s_addr=inet_addr(svr_ip.c_str());

     if(connect(sock,(struct sockaddr*)&svr,sizeof(svr))!=0)
     {
       cerr<<"connect error"<<endl;
     }
    }
    void start()
    {
      char msg[64];
      while(true)
      {
        cout<<"pleease enter"<<endl;
        size_t s=read(0,msg,sizeof(msg)-1);
        if(s>0)
        {
           msg[s-1]=0;
           send(sock,msg,strlen(msg),0);
           size_t ss=recv(sock,msg,sizeof(msg)-1,0);
           if(ss>0)
           {
              msg[ss]=0;
              cout<<"server echo##"<<msg<<endl;
           }
        }
      }
    }
    ~tcpClient()
    {
   close(sock);
    }
};
  




#endif 

#include"tcpClient.hpp"

static void Usages(const string& str)
{
  cout<<"Usage: port is "<<str<<endl;
  exit(0);
}

int main(int argc,char* argv[])
{
  if(argc!=3)
  {
     Usages(argv[0]);
  }
  tcpClient* tp=new tcpClient(argv[1],atoi(argv[2]));
  tp->initClient();
  tp->start();
  delete tp;
  return 0;
}
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