## C++ 编译过程

首先我们要明确在 C++ 中编译过程分为四个阶段：预处理、编译、汇编、链接：

- 预处理阶段主要负责宏定义的替换、条件编译、将 include 的头文件展开到正文等；

- 编译阶段负责将源代码转为汇编代码；
- 汇编阶段负责将汇编代码转为可重定位的目标二进制文件；
- 链接阶段负责将所有的目标文件（二进制目标文件、库文件等）连接起来，进行符号解析和重定位，最后生成可执行文件。

## 服务器和客户端进行简单的 TCP 通信

### 传输层的基本概念    

![图片描述](https://typoraflykhan.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/202303301348031.jpeg)

#### 传输层的作用

传输层的根本目的是在网络层提供的数据通信服务基础上，实现主机的进程间通信的可靠服务。

有以下两个要点：为位于两个主机内部的两个应用进程之间提供通信服务、提供可靠的通信服务。

#### 套接字

“套接字”表示一个 IP 地址与对应的一个端口号。例如，一个 IP 地址为 172.31.75.8 的客户端使用 8050 端口号，那么标识客户端的套接字为“172.31.75.8:8050”。

#### 端口号

端口号为 0-65535 之间的整数，有 3 种类型：熟知端口号、注册端口号、临时端口号。

熟知端口号：给每种服务器分配确定的全局端口号。每个用户进程都知道相应的服务器进程的熟知端口号，范围为 0-1023，它是统一分配和控制的。

注册端口号：在 IANA 注册的端口号，数值范围为 1024-49151。

临时端口号：客户端程序使用临时端口号，它是运行在客户端上的 TCP/IP 软件随机选取的，范围为 49152-65535。

我们平时进行网络编程时服务器最好使用注册端口号，而客户端的端口号则是系统随机分配的，即临时端口号。

#### UDP 用户数据报协议

UDP 协议主要有以下一些特点：

- 无连接的：发送数据之前不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的时延。
- 尽最大努力交付：即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。
- 面向报文的：UDP 对应用层传递下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。UDP 对于应用程序提交的报文，添加头部后就向下提交给网络层。
- 没有拥塞控制：网络出现的拥塞时，UDP 不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的，很适合多媒体通信的要求。
- 支持多对多的交互通信

UDP 的适用场景：

- 适用于少量（几百个字节）的数据。
- 对性能的要求高于对数据完整性的要求，如视频播放、P2P、DNS 等。
- 需要“简短快捷”的数据交换 简单的请求与应答报文交互，如在线游戏。
- 需要多播和广播的应用，源主机以恒定速率发送报文，拥塞发生时允许丢弃部分报文，如本地广播、隧道 VPN。

#### TCP 传输控制协议

TCP 协议有以下特点：

- 面向连接的传输服务。打电话式、会话式通信。
- 面向字节流传输服务（而 UDP 是面向报文）。字节管道、字节按序传输和到达。
- 全双工通信。一个应用进程可以同时接收和发送数据、捎带确认；通信双方都设置有发送和接收缓冲区，应用程序将要发送的数据字节提交给发送缓冲区，实际发送由 TCP 协议控制，接收方收到数据字节后将它存放在接收缓冲区，等待高层应用程序读取。
- 可建立多个并发的 TCP 连接。如 Web 服务器可同时与多个客户端建立的连接会话。
- 可靠传输服务。不丢失数据、保持数据有序、向上层不重复提交数据（通过确认机制、拥塞控制等方式实现）， 想象一下 ATM 机转帐应用就需要上述可靠性。

TCP 的报头如下图所示。

![图片描述](https://typoraflykhan.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/202303311423424.jpeg)

重点关注几个标志位的意义，如下：

![图片描述](https://typoraflykhan.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/202303311423436.jpeg)

TCP 连接包括连接建立、报文传输、连接释放三个阶段，其中连接建立的三次握手过程较为重要。

建立连接的三次握手过程：

（1）当客户端准备发起一次 TCP 连接，首先向服务器发送第一个“SYN”报文（控制位 SYN=1）。

（2）服务器收到 SYN 报文后，如果同意建立连接，则向客户端发送第二个“SYN+ACK”报文（控制位 SYN=1，ACK=1），该报文表示对第一个 SYN 报文请求的确认。

（3）接收到 SYN+ACK 报文后，客户端发送第三个 ACK 报文，表示对 SYN+ACK 报文的确认。

![图片描述](https://typoraflykhan.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/202303311423331.jpeg)

### 用 C++ 进行 TCP 套接字网络编程    

网络编程中我们一般会使用 C/S 架构，即包含服务器端和客户端。

#### TCP 网络编程的服务器端

服务器端一般先用 socket 创建一个套接字，然后用 bind 给这个套接字绑定地址（即 ip+端口号），然后调用 listen  把这个套接字置为监听状态，随后调用 accept 函数从已完成连接队列中取出成功建立连接的套接字，以后就在这个新的套接字上调用  send、recv 来发送数据、接收数据，最后调用 close 来断开连接释放资源即可。

过程如下：

![图片描述](https://typoraflykhan.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/202303311435369.jpeg)

#### TCP 网络编程的客户端

与服务器不同，客户端并不需要 bind 绑定地址，因为端口号是系统自动分配的，而且客户端也不需要设置监听的套接字，因此也不需要  listen。客户端在用 socket 创建套接字后直接调用 connect 向服务器发起连接即可，connect 函数通知 Linux  内核完成 TCP 三次握手连接，最后把连接的结果作为返回值。成功建立连接后我们就可以调用 send 和 recv 来发送数据、接收数据，最后调用 close 来断开连接释放资源。

过程如下：

![图片描述](https://typoraflykhan.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/202303311435425.jpeg)

#### 完整流程

TCP 网络编程的整体流程如下图所示：

![图片描述](https://typoraflykhan.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/202303311435452.jpeg)

#### TCP 网络编程的相关数据结构

套接字地址结构：

```cpp
struct sockaddr_in {
    short int sin_family; /* 地址族 */
    unsigned short int sin_port; /* 端口号 */
    struct in_addr sin_addr; /* ip地址 */
    unsigned char sin_zero[8];
};
```

上述结构体涉及到的另一个结构体 in_addr 如下：

```cpp
struct in_addr {
    unsigned long s_addr;
};
```

#### TCP 网络编程各函数的定义

socket 函数：

```cpp
int socket( int domain, int type,int protocol)
/*
功能：创建一个新的套接字，返回套接字描述符
参数说明：
domain：域类型，指明使用的协议栈，如TCP/IP使用的是PF_INET，其他还有AF_INET6、AF_UNIX
type:指明需要的服务类型, 如
SOCK_DGRAM:数据报服务，UDP协议
SOCK_STREAM:流服务，TCP协议
protocol:一般都取0(由系统根据服务类型选择默认的协议)
*/
```

bind 函数：

```cpp
int bind(int sockfd,struct sockaddr* my_addr,int addrlen)
/*
功能：为套接字绑定地址
TCP/IP协议使用sockaddr_in结构，包含IP地址和端口号，服务器使用它来指明熟知的端口号，然后等待连接
参数说明：
sockfd:套接字描述符，指明创建连接的套接字
my_addr:本地地址，IP地址和端口号
addrlen:地址长度
*/
```

listen 函数：

```cpp
int listen(int sockfd,int backlog)
/*
功能：
将一个套接字置为监听模式，准备接收传入连接。用于服务器，指明某个套接字连接是被动的监听状态。
参数说明：
Sockfd:套接字描述符，指明创建连接的套接字
backlog: linux内核2.2之前，backlog参数=半连接队列长度+已连接队列长度；linux内核2.2之后，backlog参数=已连接队列（Accept队列）长度
*/
```

accept 函数：

```cpp
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, int *addrlen)
/*
功能：从已完成连接队列中取出成功建立连接的套接字，返回成功连接的套接字描述符。
参数说明：
Sockfd:套接字描述符，指明正在监听的套接字
addr:提出连接请求的主机地址
addrlen:地址长度
*/
```

send 函数：

```cpp
int send(int sockfd, const void * data, int data_len, unsigned int flags)
/*
功能：在TCP连接上发送数据,返回成功传送数据的长度，出错时返回－1。send会将数据移到发送缓冲区中。
参数说明：
sockfd:套接字描述符
data:指向要发送数据的指针
data_len:数据长度
flags:通常为0
*/
```

recv 函数：

```cpp
int recv(int sockfd, void *buf, intbuf_len,unsigned int flags)
/*
功能：接收数据,返回实际接收的数据长度，出错时返回－1。
参数说明：
Sockfd:套接字描述符
Buf:指向内存块的指针
Buf_len:内存块大小，以字节为单位
flags:一般为0
*/
```

close 函数：

```cpp
close(int sockfd)
/*
功能：撤销套接字。如果只有一个进程使用，立即终止连接并撤销该套接字，如果多个进程共享该套接字，将引用数减一，如果引用数降到零，则关闭连接并撤销套接字。
参数说明：
sockfd:套接字描述符
*/
```

connect 函数：

```cpp
int connect(int sockfd,structsockaddr *server_addr,int sockaddr_len)
/*
功能： 同远程服务器建立主动连接，成功时返回0，若连接失败返回－1。
参数说明：
Sockfd:套接字描述符，指明创建连接的套接字
Server_addr:指明远程端点：IP地址和端口号
sockaddr_len :地址长度
*/
```