进程通信与socket编程实践之猜数字小游戏

socket是实现进程通信的一种重要方式，本文将通过socket编程实现服务器进程与客户端进程之间的通信，并在通信之外实现猜数字的小游戏。

1. 设计思路

本文设计的C/S结构的猜数字游戏功能如下：服务器端自动生成一个1-100之间的随机数字，用户在客户端根据提示输入所猜的数字，若用户猜的数字和服务器所生成的数字相同，则游戏通关，用户可选择是否进入下一轮。当用户输入负数时，退出游戏。

设计要点如下：

1. 服务端通信部分： 为实现客户端与服务器进程的相互通信，在服务端，首先创建一个socket，设置socket属性，并调用函数bind()绑定IP地址、端口等信息；然后调用函数listen()开启监听，调用函数accept()阻塞，等待客户端的连接请求；接下来，调用函数recv()和send()收发数据；最后关闭网络连接和监听。

2. 客户端通信部分： 在客户端，也是先调用函数socket()创建一个socket，设置socket属性；然后调用函数connect()连接服务器；调用函数recv()和send()收发数据，最后关闭网络连接。服务端与客户端的通信过程如下图所示。
   

3. 服务端处理方式： 服务端采用多线程的方式处理客户端的请求。主线程每收到一个来自客户端的TCP连接请求，就调用pthread_create()函数创建一个子线程与之对应连接。一个线程处理一个客户端，从而实现了一个服务器与多个客户端之间的通信。

4. 猜数字功能设计： server生成一个1到100之间的随机数，client去猜。client把每次猜的数字发给server。server收到后，会把猜的数字偏大、偏小、或是猜对的提示发给client。如果client不想继续猜了，发给server一个负数，则退出游戏。否则，一直到client猜对数字，用户选择不再进行下一轮，游戏结束。

2. 程序代码

2.1 服务器端server.c

服务器端代码server.c的具体实现如下：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <sys/wait.h>  
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
#include <time.h>
  
#define PORT 1500//端口号   
#define BACKLOG 5/*最大监听数*/   
#define MAX_DATA 1024//接收到的数据最大长度  

/*
 *判断client猜的数字answer和server想的数字num是否相等
 *若相等，返回1;不相等，则返回0
 */
int isEqual(int c, int answer, int num) {
    if (answer < num) {
        send(c, "Too small! Please guess again:", MAX_DATA, 0);
        printf("Thinking: %d is too small!\n", answer);
        return 0;
    } 
    else if (answer > num) {
        send(c, "Too big! Please guess again:", MAX_DATA, 0);
        printf("Thinking: %d is too big!\n", answer);
        return 0;
    }
    else if (answer == num) {
        send(c, "Bingo!", MAX_DATA, 0);
        printf("Thinking: Bingo, %d is the right answer!\n", answer);
        return 1;
    } 
}

void guess_num(int *arg) {
    int c = *arg;
    char myrecv[MAX_DATA];  //储存收到的信息
    char mysend[MAX_DATA];  //储存发出的信息
    srand((int)time(NULL));
    int num = rand() % 100 + 1;  //server想的数字为[1,100)的随机数
    send(c, "I'm thinking a number between 1 and 100! Guess what I think?", MAX_DATA, 0);
    int bingo = 0;  //bingo标志是否猜对，若猜对，bingo=0;否则，bingo=1
    while (bingo == 0) {
        memset(myrecv, '\0', sizeof(myrecv));
        memset(mysend, '\0', sizeof(mysend));
        recv(c, myrecv, MAX_DATA, 0);
        printf("The client guesses %s\n", myrecv);
        int answer = atoi(myrecv);
        if (answer < 0) {  //若client输入了一个负数，则退出游戏
            send(c, "Exit game...", MAX_DATA, 0);
            printf("Sent: Exit game...\n");
            break;
        }
        bingo = isEqual(c, answer, num);
    }
    pthread_exit(NULL);
}
     
int main() {  
    int sockfd, new_fd;/*socket句柄和建立连接后的句柄*/  
    struct sockaddr_in my_addr;/*本方地址信息结构体，下面有具体的属性赋值*/  
    struct sockaddr_in their_addr;/*对方地址信息*/  
    int sin_size;  
  
    sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);//建立socket   
    if (sockfd == -1) {  
        printf("socket failed:%d", errno);  
        return -1;  
    }  
    my_addr.sin_family = AF_INET;/*该属性表示接收本机或其他机器传输*/  
    my_addr.sin_port = htons(PORT);/*端口号*/  
    my_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);/*IP，括号内容表示本机IP*/  
    bzero(&(my_addr.sin_zero), 8);/*将其他属性置0*/  
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&my_addr, sizeof(struct sockaddr)) < 0) {
    //绑定地址结构体和socket  
        printf("bind error");  
        return -1;  
    }  
    printf("bind OK\n");
    listen(sockfd, BACKLOG);//开启监听 ，第二个参数是最大监听数  
    printf("listening\n"); 
    while (1) {  
    	sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);  
        new_fd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&their_addr, &sin_size);//在这里阻塞知道接收到消息，参数分别是socket句柄，接收到的地址信息以及大小   
        if (new_fd == -1) {  
            continue;  
        } 
        else {
            printf("accept: c = %d, ip = %s, port = %d\n", new_fd, inet_ntoa(my_addr.sin_addr), ntohs(my_addr.sin_port));
            send(new_fd, "Connect sucess\n", MAX_DATA, 0);//发送内容，参数分别是连接句柄，内容，大小，其他信息（设为0即可）
            pthread_t id;  //新建线程，可连接多个客户端
            pthread_create(&id, NULL, (void *)guess_num, &new_fd);   
        }
    }  
    close(sockfd);
    return 0;  
}  

2.2 客户端client.c

客户端代码client.c的具体实现如下：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <sys/types.h>  
#include <netinet/in.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <sys/wait.h>  
#include <pthread.h>
  
   
#define DEST_PORT 1500//目标地址端口号   
#define DEST_IP "127.0.0.1"/*目标地址IP，这里设为本机*/   
#define MAX_DATA 1024//接收到的数据最大长度   
  
int main() {  
    int sockfd, new_fd;/*cocket句柄和接受到连接后的句柄 */  
    struct sockaddr_in dest_addr;/*目标地址信息*/  
    char myrecv[MAX_DATA];//储存接收数据
    char mysend[MAX_DATA];//储存发送数据   
  
    sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);/*建立socket*/  
    if (sockfd==-1) {  
        printf("socket failed:%d",errno);  
    }  
  
  
    //参数意义见上面服务器端   
    dest_addr.sin_family = AF_INET;  
    dest_addr.sin_port = htons(DEST_PORT);  
    dest_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(DEST_IP);  
    bzero(&(dest_addr.sin_zero), 8);  
      
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1) {
    //连接方法，传入句柄，目标地址和大小   
        printf("connect failed:%d",errno);//失败时可以打印errno   
    } 
    else {   
        memset(myrecv, '\0', sizeof(myrecv));
        recv(sockfd,myrecv,MAX_DATA,0);  //接收"Connect sucess"
        printf("Received: %s\n", myrecv); 
        recv(sockfd,myrecv,MAX_DATA,0);  //接收"I'm thinking a number ..."
        printf("Received: %s\n", myrecv); 
        while (1) {
            memset(mysend, '\0', sizeof(mysend));
            scanf("%s", mysend);
            send(sockfd, mysend, MAX_DATA, 0);

            memset(myrecv, '\0', sizeof(myrecv));
            recv(sockfd, myrecv, MAX_DATA, 0); 
            if(strcmp(myrecv, "Bingo!") == 0 ||strcmp(myrecv, "Exit game...") == 0) {
                printf("%s\n", myrecv);
                break;
            }
            printf("Received: %s\n", myrecv);
        } 
    }  
    close(sockfd);//关闭socket   
    return 0;  
}   

3. 运行结果

1. 若可执行文件未生成，首先使用gcc server.c -lpthread -o server与gcc client.c -lpthread -o client命令生成可执行文件server与client；若可执行文件已存在，转步骤2。（注意： 由于pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用库libpthread.a,所以在使用pthread_create创建线程时，在编译中要加-lpthread参数。）

2. 使用./server命令运行服务端程序，如下图所示。
   

3. 使用./client命令运行客户端程序。启动3个客户端，均显示已和服务器连接成功，如下图所示。
   

4. 用户根据提示（“Too small”/“Too big”）在客户端重复输入所猜数字，直至猜对，屏幕输出“Bingo”。若用户一直未猜对，输入任意负数即可退出游戏，客户端程序结束。如下图所示。