一、系统概述
本系统是一个基于 TCP 协议的多人聊天系统，由一个服务器和多个客户端组成。客户端可以连接到服务器，向服务器发送消息，服务器接收到消息后将其转发给其他客户端，实现多人之间的实时聊天。系统使用 C 语言编写，利用了 Unix 系统的网络编程接口和多线程、I/O 多路复用等技术。
二、文件结构
server.c：服务器端程序，负责监听客户端连接、接收客户端消息并将消息转发给其他客户端。client1.c：客户端程序，使用poll函数实现 I/O 多路复用，同时处理用户输入和服务器消息。client2.c：客户端程序，使用多线程技术，一个线程负责接收服务器消息，另一个线程负责处理用户输入。
三、代码详细分析
1. 数据包结构体
在三个文件中都定义了相同的数据包结构体 Packet，用于在客户端和服务器之间传输数据。
typedef struct {
int type; // 0 for message, 1 for disconnect
char data[BUFFER_SIZE];
} Packet;type：数据包类型，0 表示消息，1 表示断开连接。data：数据包携带的数据，最大长度为BUFFER_SIZE。
2. 服务器端程序（server.c）
2.1 主要变量
server_fd：服务器套接字文件描述符。client_fd：客户端套接字文件描述符。max_fd：记录最大的文件描述符，用于select函数。activity：记录select函数返回的活动文件描述符数量。valread：记录从客户端读取的数据长度。server_addr：存储服务器的地址信息。client_addr：存储客户端的地址信息。client_sockets：数组用于存储所有客户端的套接字文件描述符。readfds：文件描述符集合，用于select函数监听可读事件。
2.2 主要步骤
- 创建套接字：使用
socket函数创建一个 TCP 套接字。 - 绑定地址：使用
bind函数将套接字绑定到指定的地址和端口。 - 监听连接：使用
listen函数开始监听客户端连接。 - 循环处理：使用
select函数监听服务器套接字和客户端套接字的可读事件。- 若服务器套接字有可读事件，说明有新的客户端连接请求，使用
accept函数接受连接。 - 若客户端套接字有可读事件，从客户端读取数据包，根据数据包类型进行相应处理。
- 若数据包类型为消息，将消息转发给其他客户端。
- 若数据包类型为断开连接或读取到的数据长度为 0，说明客户端断开连接，关闭客户端套接字。
- 若服务器套接字有可读事件，说明有新的客户端连接请求，使用
3. 客户端程序（client1.c）
3.1 主要变量
client_fd：客户端套接字文件描述符。server_addr：存储服务器的地址信息。packet：用于存储要发送或接收的数据包。fds：数组用于存储要监听的文件描述符及其事件。
3.2 主要步骤
- 创建套接字：使用
socket函数创建一个 TCP 套接字。 - 连接服务器：使用
connect函数连接到服务器。 - 初始化
poll结构体：监听标准输入和客户端套接字的可读事件。 - 循环处理：使用
poll函数监听文件描述符集合中的可读事件。- 若标准输入有可读事件，从标准输入读取数据，设置数据包类型为消息，发送给服务器。
- 若客户端套接字有可读事件，从服务器读取数据包，根据数据包类型进行相应处理。
- 若数据包类型为消息，输出接收到的消息。
- 若数据包类型为断开连接或读取数据失败，说明服务器断开连接，关闭客户端套接字，跳出循环。
4. 客户端程序（client2.c）
4.1 主要变量
client_fd：客户端套接字文件描述符。server_addr：存储服务器的地址信息。packet：用于存储要发送或接收的数据包。thread_id：存储线程的标识符。
4.2 主要步骤
- 创建套接字：使用
socket函数创建一个 TCP 套接字。 - 连接服务器：使用
connect函数连接到服务器。 - 创建线程：创建一个线程来接收服务器发送的消息。
- 循环处理：在主线程中，从标准输入读取数据，设置数据包类型为消息，发送给服务器。
- 线程函数：在子线程中，持续接收服务器消息，根据数据包类型进行相应处理。
- 若数据包类型为消息，输出接收到的消息。
- 若数据包类型为断开连接或读取数据失败，说明服务器断开连接，关闭客户端套接字，退出程序。
四、编译和运行
4.1 编译
gcc server.c -o server
gcc client1.c -o client1
gcc client2.c -o client2 -lpthread
4.2 运行
- 启动服务器：
./server
- 启动客户端：
./client1
./client24.3运行结果展示
五、源码
5.1服务器端程序（server.c）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
// 定义服务器监听的端口号
#define PORT 8080
// 定义数据缓冲区的大小
#define BUFFER_SIZE 1024
// 定义服务器允许的最大客户端连接数
#define MAX_CLIENTS 10
/**
* 定义数据包结构体，用于在服务器和客户端之间传输数据
* type 数据包类型，0 表示消息，1 表示断开连接
* data 数据包携带的数据
*/
typedef struct {
int type; // 0 for message, 1 for disconnect
char data[BUFFER_SIZE];
} Packet;
/**
* 主函数，服务器程序的入口点
* @return 程序的退出状态码，0 表示正常退出
*/
int main() {
// server_fd 为服务器套接字文件描述符，client_fd 为客户端套接字文件描述符
// max_fd 记录最大的文件描述符，用于 select 函数
// activity 记录 select 函数返回的活动文件描述符数量
// valread 记录从客户端读取的数据长度
int server_fd, client_fd, max_fd, activity, valread;
// server_addr 存储服务器的地址信息，client_addr 存储客户端的地址信息
struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
// client_len 存储客户端地址结构体的长度
socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
// packet 用于存储从客户端接收的数据包
Packet packet;
// client_sockets 数组用于存储所有客户端的套接字文件描述符
int client_sockets[MAX_CLIENTS] = {0};
// readfds 是一个文件描述符集合，用于 select 函数监听可读事件
fd_set readfds;
// 创建服务器套接字，使用 IPv4 地址族和 TCP 协议
if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
// 若套接字创建失败，输出错误信息并退出程序
perror("socket failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 设置服务器地址信息
server_addr.sin_family = AF_INET;
// 监听所有可用的网络接口
server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
// 将端口号从主机字节序转换为网络字节序
server_addr.sin_port = htons(PORT);
// 将服务器套接字绑定到指定的地址和端口
if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
// 若绑定失败，输出错误信息，关闭套接字并退出程序
perror("bind failed");
close(server_fd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 开始监听客户端连接，允许的最大连接请求队列长度为 3
if (listen(server_fd, 3) < 0) {
// 若监听失败，输出错误信息，关闭套接字并退出程序
perror("listen");
close(server_fd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 输出服务器启动信息，显示监听的端口号
printf("Server started on port %d\n", PORT);
// 进入无限循环，持续处理客户端连接和数据
while (1) {
// 清空文件描述符集合
FD_ZERO(&readfds);
// 将服务器套接字添加到文件描述符集合中，监听其可读事件
FD_SET(server_fd, &readfds);
// 初始化最大文件描述符为服务器套接字文件描述符
max_fd = server_fd;
// 遍历客户端套接字数组
for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
// 获取当前客户端的套接字文件描述符
int sd = client_sockets[i];
if (sd > 0) {
// 若该客户端套接字有效，将其添加到文件描述符集合中
FD_SET(sd, &readfds);
}
if (sd > max_fd) {
// 更新最大文件描述符
max_fd = sd;
}
}
// 调用 select 函数监听文件描述符集合中的可读事件，无超时时间
activity = select(max_fd + 1, &readfds, NULL, NULL, NULL);
if ((activity < 0) && (errno != EINTR)) {
// 若 select 函数调用失败且不是被信号中断，输出错误信息
perror("select error");
}
if (FD_ISSET(server_fd, &readfds)) {
// 若服务器套接字有可读事件，说明有新的客户端连接请求
if ((client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len)) < 0) {
// 若接受连接失败，输出错误信息并继续循环
perror("accept");
continue;
}
// 输出新客户端连接的信息，包括套接字文件描述符、IP 地址和端口号
printf("New connection, socket fd is %d, ip is : %s, port : %d\n",
client_fd, inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
// 遍历客户端套接字数组，找到一个空闲位置存储新客户端的套接字文件描述符
for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
if (client_sockets[i] == 0) {
client_sockets[i] = client_fd;
break;
}
}
}
// 遍历客户端套接字数组，检查每个客户端是否有可读事件
for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; i++) {
int sd = client_sockets[i];
if (FD_ISSET(sd, &readfds)) {
// 从客户端读取数据包
valread = read(sd, &packet, sizeof(Packet));
if (valread == 0) {
// 若读取到的数据长度为 0，说明客户端断开连接
getpeername(sd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
// 输出客户端断开连接的信息，包括 IP 地址和端口号
printf("Host disconnected, ip %s, port %d\n",
inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
// 关闭客户端套接字
close(sd);
// 将该位置的客户端套接字文件描述符置为 0，表示空闲
client_sockets[i] = 0;
} else {
if (packet.type == 0) {
// 若数据包类型为消息，输出接收到的消息
printf("Received from client %d: %s", sd, packet.data);
// 将消息转发给其他客户端
for (int j = 0; j < MAX_CLIENTS; j++) {
if (client_sockets[j] != sd && client_sockets[j] != 0) {
// 发送数据包给其他客户端
send(client_sockets[j], &packet, sizeof(Packet), 0);
}
}
} else if (packet.type == 1) {
// 若数据包类型为断开连接，输出客户端断开连接的信息
printf("Client %d disconnected\n", sd);
// 关闭客户端套接字
close(sd);
// 将该位置的客户端套接字文件描述符置为 0，表示空闲
client_sockets[i] = 0;
}
}
}
}
}
return 0;
}5.2客户端程序（client1.c）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <poll.h>
#include <errno.h>
// 定义服务器监听的端口号
#define PORT 8080
// 定义数据缓冲区的大小
#define BUFFER_SIZE 1024
/**
* 定义数据包结构体，用于在客户端和服务器之间传输数据
* type 数据包类型，0 表示消息，1 表示断开连接
* data 数据包携带的数据
*/
typedef struct {
int type; // 0 for message, 1 for disconnect
char data[BUFFER_SIZE];
} Packet;
/**
* 主函数，客户端程序的入口点
* @return 程序的退出状态码，0 表示正常退出
*/
int main() {
// client_fd 为客户端套接字文件描述符
int client_fd;
// server_addr 存储服务器的地址信息
struct sockaddr_in server_addr;
// packet 用于存储要发送或接收的数据包
Packet packet;
// fds 数组用于存储要监听的文件描述符及其事件
struct pollfd fds[2];
// 创建客户端套接字，使用 IPv4 地址族和 TCP 协议
if ((client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
// 若套接字创建失败，输出错误信息并退出程序
perror("socket failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 设置服务器地址信息
server_addr.sin_family = AF_INET;
// 将端口号从主机字节序转换为网络字节序
server_addr.sin_port = htons(PORT);
// 将服务器的 IP 地址转换为网络字节序
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
// 连接到服务器
if (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
// 若连接失败，输出错误信息，关闭套接字并退出程序
perror("connect");
close(client_fd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 输出连接成功的信息
printf("Connected to server\n");
// 初始化 poll 结构体
// 监听标准输入的可读事件
fds[0].fd = STDIN_FILENO;
fds[0].events = POLLIN;
// 监听客户端套接字的可读事件
fds[1].fd = client_fd;
fds[1].events = POLLIN;
// 进入无限循环，持续处理输入和服务器消息
while (1) {
// 调用 poll 函数监听文件描述符集合中的可读事件，无超时时间
int activity = poll(fds, 2, -1);
if ((activity < 0) && (errno != EINTR)) {
// 若 poll 函数调用失败且不是被信号中断，输出错误信息
perror("poll error");
}
if (fds[0].revents & POLLIN) {
// 若标准输入有可读事件
// 清空数据包的数据部分
memset(packet.data, 0, BUFFER_SIZE);
if (fgets(packet.data, BUFFER_SIZE, stdin) != NULL) {
// 若成功从标准输入读取数据
// 设置数据包类型为消息
packet.type = 0;
// 发送数据包给服务器
send(client_fd, &packet, sizeof(Packet), 0);
}
}
if (fds[1].revents & POLLIN) {
// 若客户端套接字有可读事件
// 清空数据包
memset(&packet, 0, sizeof(Packet));
if (read(client_fd, &packet, sizeof(Packet)) > 0) {
// 若成功从服务器读取数据
if (packet.type == 0) {
// 若数据包类型为消息，输出接收到的消息
printf("Received from server: %s", packet.data);
} else if (packet.type == 1) {
// 若数据包类型为断开连接，输出服务器断开连接的信息
printf("Server disconnected\n");
// 关闭客户端套接字
close(client_fd);
// 跳出循环
break;
}
} else {
// 若读取数据失败，说明服务器断开连接
printf("Server disconnected\n");
// 关闭客户端套接字
close(client_fd);
// 跳出循环
break;
}
}
}
// 关闭客户端套接字
close(client_fd);
return 0;
}5.3客户端程序（client2.c）
// 包含标准输入输出库，用于使用 printf、perror 等函数进行输入输出操作
#include <stdio.h>
// 包含标准库，提供 exit 等函数用于程序退出等操作
#include <stdlib.h>
// 包含字符串处理库，提供 memset、strlen 等字符串操作函数
#include <string.h>
// 包含 Unix 标准库，提供 close、read、write 等系统调用函数
#include <unistd.h>
// 包含网络地址转换库，提供 inet_ntoa、htons 等网络地址转换函数
#include <arpa/inet.h>
// 包含线程相关的头文件，用于创建和管理线程
#include <pthread.h>
// 定义服务器监听的端口号
#define PORT 8080
// 定义数据缓冲区的大小
#define BUFFER_SIZE 1024
/**
* 定义数据包结构体，用于在客户端和服务器之间传输数据
* type 数据包类型，0 表示消息，1 表示断开连接
* data 数据包携带的数据
*/
typedef struct {
int type; // 0 for message, 1 for disconnect
char data[BUFFER_SIZE];
} Packet;
// 全局变量，存储客户端套接字文件描述符
int client_fd;
/**
* 线程函数，用于接收服务器发送的消息
* arg 线程函数的参数，此处未使用
* @return 线程返回值，此处为 NULL
*/
void *receive_messages(void *arg) {
// 定义数据包变量，用于存储从服务器接收的数据包
Packet packet;
// 进入无限循环，持续接收服务器消息
while (1) {
// 清空数据包
memset(&packet, 0, sizeof(Packet));
if (read(client_fd, &packet, sizeof(Packet)) > 0) {
// 若成功从服务器读取数据
if (packet.type == 0) {
// 若数据包类型为消息，输出接收到的消息
printf("Received from server: %s", packet.data);
} else if (packet.type == 1) {
// 若数据包类型为断开连接，输出服务器断开连接的信息
printf("Server disconnected\n");
// 关闭客户端套接字
close(client_fd);
// 退出程序，返回失败状态
exit(EXIT_FAILURE);
}
} else {
// 若读取数据失败，说明服务器断开连接
printf("Server disconnected\n");
// 关闭客户端套接字
close(client_fd);
// 退出程序，返回失败状态
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
return NULL;
}
/**
* 主函数，客户端程序的入口点
* @return 程序的退出状态码，0 表示正常退出
*/
int main() {
// server_addr 存储服务器的地址信息
struct sockaddr_in server_addr;
// packet 用于存储要发送的数据包
Packet packet;
// thread_id 存储线程的标识符
pthread_t thread_id;
// 创建客户端套接字，使用 IPv4 地址族和 TCP 协议
if ((client_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
// 若套接字创建失败，输出错误信息并退出程序
perror("socket failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 设置服务器地址信息
server_addr.sin_family = AF_INET;
// 将端口号从主机字节序转换为网络字节序
server_addr.sin_port = htons(PORT);
// 将服务器的 IP 地址转换为网络字节序
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
// 连接到服务器
if (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
// 若连接失败，输出错误信息，关闭套接字并退出程序
perror("connect");
close(client_fd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 输出连接成功的信息
printf("Connected to server\n");
// 创建线程来接收消息
if (pthread_create(&thread_id, NULL, receive_messages, NULL) != 0) {
// 若线程创建失败，输出错误信息，关闭套接字并退出程序
perror("pthread_create");
close(client_fd);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 进入无限循环，持续从标准输入读取数据并发送给服务器
while (1) {
// 清空数据包的数据部分
memset(packet.data, 0, BUFFER_SIZE);
if (fgets(packet.data, BUFFER_SIZE, stdin) != NULL) {
// 若成功从标准输入读取数据
// 设置数据包类型为消息
packet.type = 0;
// 发送数据包给服务器
send(client_fd, &packet, sizeof(Packet), 0);
}
}
// 关闭客户端套接字
close(client_fd);
return 0;
}