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EXAM06: TCPチャットサーバーmini_serv縮小版

2025/09/16に公開
 全体の流れこのコードは、複数クライアント対応の簡易チャットサーバー（TCP）です。

主な流れと意図は以下の通りです。
初期化
コマンドライン引数でポート番号を受け取る（引数が足りなければエラー終了）。
ソケットを作成し、127.0.0.1（ローカルホスト）＋指定ポートでバインド。

listen で接続待ち状態にする。
クライアント管理配列 clients やFD集合 master を初期化。
イベントループ（for(;;)）

select を使い、すべてのクライアントFDとリッスンFDを同時監視。
新規接続受付用FD（lfd）は書き込み監視から除外。
新規接続処理

if (FD_ISSET(lfd, &rset)) で新しい接続要求を検知。

accept で新しいクライアントFDを取得。
FD集合に追加し、クライアントIDを割り当てる。
他のクライアントに「新しいクライアントが来た」旨を通知。
クライアントごとの受信処理
各クライアントFDについて、データ受信可能か判定。

recv でデータ受信。切断やエラーなら後始末＆通知。
受信データをクライアントごとのバッファに追記。
改行が来たら、その行を「client <id>: <message>」形式で全員に送信。
バッファサイズを超えないように安全に管理。

 意図複数クライアントの同時管理

select とFD集合を使い、1スレッドで複数クライアントを効率よく扱う。
チャット機能の実現

クライアントが送った1行ごとに、他の全クライアントへメッセージを転送。
安全なバッファ管理

バッファサイズを超えないように %.*s や room 変数で制御。
接続・切断通知

クライアントの接続・切断時に、他のクライアントへ通知メッセージを送る。

 1. 初期化
👉 「ローカルホストの指定ポートで接続待ちするサーバの土台を作って、select で監視する準備を完了する」
if (ac != 2) die_arg();
引数が1つ（=プログラム名を除いて「ポート番号」だけ）でなければエラー終了。

die_arg() は "Wrong number of arguments\n" を出して exit(1)。
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
サーバのリスニングソケットを作成。

AF_INET = IPv4, SOCK_STREAM = TCP, 0 = デフォルトプロトコル（TCPが選ばれる）。
失敗したら < 0 になる。
struct sockaddr_in a; memset(&a, 0, sizeof(a));
a.sin_family        = AF_INET;
a.sin_addr.s_addr   = htonl(2130706433);
a.sin_port          = htons((unsigned short)atoi(av[1]));
ソケットのアドレス構造体 sockaddr_in をゼロクリアして初期化。
sin_family = AF_INET → IPv4。
a.sin_addr.s_addr = htonl(2130706433)

2130706433 は 127.0.0.1 を10進数にした値。

htonl でネットワークバイトオーダに変換。つまり「ローカルホスト専用サーバ」になる。
a.sin_port = htons((unsigned short)atoi(av[1]))
引数のポート番号文字列を整数化し、ネットワークバイト順に直して設定。

htons は host-to-network short。
if(bind(lfd, (struct sockaddr*)&a, sizeof(a)) < 0) die();
if(listen(lfd, 128) < 0) die();
bind で lfd を上のアドレス構造体 a に結びつける。

→ 「127.0.0.1:指定ポート」で待ち受けますよ、の意味。
listen で接続待ち状態にする。
第二引数 128 は接続待ちキューの最大長。
FD_ZERO(&master);
FD_SET(lfd, &master);
maxfd = lfd;
memset(clients, 0, sizeof(clients));
master という fd_set を空集合に初期化。
FD_SET(lfd, &master); で リスニングソケットを監視対象に追加。

→ 今後 select で「新規接続あり」を検出できる。
maxfd = lfd;

select に渡す引数用。現在はリスニングソケットが最大FD。
clients 配列をゼロ初期化。
各クライアントの情報（id や msg バッファ）を空にする。

 sockaddr_in構造体接続先のIPアドレスやポート番号の情報を保持するために，sockaddr_in構造体が 用意されており，各ソケットは，bindシステムコールによって sockaddr_in構造体のデータと関連づけられる．sockaddr_in構造体は次のように 定義されている．
/usr/include/netinet/in.h:
   struct in_addr {
      u_int32_t s_addr;
   };

   struct sockaddr_in {
      u_char  sin_len;    （古いOSでは存在しない）
      u_char  sin_family; （アドレスファミリ．今回はAF_INETで固定）
      u_short sin_port;   （ポート番号）
      struct  in_addr sin_addr;    （IPアドレス）
   };
ポート番号やIPアドレスはネットワークバイトオーダー (big endian) になって いないといけない．このため，整数をネットワークバイトオーダーに変換する htons関数を用いる．

 まとめ
引数チェック: ポート番号必須

socket(): TCPソケット作成

sockaddr_in: 127.0.0.1:ポートを設定 (htonl, htons)

bind() + listen(): ソケットをアドレスに結びつけ、待ち受け開始

FD_ZERO + FD_SET: select 用監視集合に lfd を登録
maxfd と clients[] 初期化

 2. メインループ初期化
👉  「接続待ちソケットを監視し、実際に新しいクライアントを登録して全員に知らせる」

 1. select の準備rset = wset = master;
FD_CLR(lfd, &wset);

master（監視対象のFD集合）をコピーして、今回の select 用の rset（読み込み監視用）と wset（書き込み監視用）にする。

FD_CLR(lfd, &wset);

→ リスニングソケット lfd は「書き込み可能かどうか」は関係ないので wset から外している。

（接続待ちソケットに対して send することはないため）

 2. select の呼び出しif (select(maxfd + 1, &rset, &wset, NULL, NULL) <= 0) continue;
select を実行。

maxfd+1 → 0から maxfd までのFDを調べる。

rset に「読み込み可能」なFDが、wset に「書き込み可能」なFDがマークされる。
戻り値が 0 以下なら（エラーやイベントなし）→ continue で次ループへ。

 3. 新規接続があるかチェックif (FD_ISSET(lfd, &rset)) {

lfd（リスニングソケット）が読み込み可能になっていたら、新しい接続要求が来ている。

 4. accept で接続を受け入れるstruct sockaddr_in c; socklen_t len = sizeof(c);
int s = accept(lfd, (struct sockaddr*)&c, &len);
新しいクライアントソケット s を作成。

c には相手のIPアドレスなどが入る（ここでは使っていない）。

 5. エラーや上限チェックif(s < 0) continue;
else if(s >= FD_SETSIZE) {close(s); continue;}

accept が失敗したら無視。

select が扱えるのは FD_SETSIZE（通常1024）未満。

もしそれ以上なら close(s) して破棄。

 6. 新しいクライアントの登録FD_SET(s, &master);
if(s > maxfd) maxfd = s;
clients[s].id = next_id++;

s を master に追加 → 次回から select で監視対象になる。

maxfd を更新。

clients[s].id に新しいクライアントIDを割り当てる。

 7. 到着メッセージを作成して全員に送るint k = sprintf(sbuf, "server: client %d just arrived\n", clients[s].id);
(void)k;
send_all(s);
sbuf[0] = '\0';

sbuf に「server: client N just arrived\n」を作る。

send_all(s) で「新しいクライアントが来た」というメッセージを全員に送信（ただし本人 s には送らない）。

sbuf[0] = '\0'; でバッファをクリア。

 まとめ
rset = wset = master → 今回の select 用に集合を準備

select 実行 → どのFDが準備できたか確認

lfd が立っていたら新規接続 → accept
エラーやFD数上限をチェック
新しいクライアントを master に登録しIDを割り当てる
「client N just arrived」を全員にブロードキャスト

 3. メインループ後半
👉 「既存クライアントからの通信を処理し、切断 or メッセージ行単位で全員に配布」**

 1. 監視対象を総当たりfor (int fd = 0; fd <= maxfd; fd++) {
    if (fd == lfd) continue;
    if (!(FD_ISSET(fd, &rset) && FD_ISSET(fd, &master))) continue;

0..maxfd のFDを全部走査。

lfd（接続待ちソケット）は除外。

select で「読み込み可能」かつ、まだ監視対象 (master) に入っているFDだけ処理。

 2. 受信処理int n = recv(fd, rbuf, sizeof(rbuf), 0);
クライアントからのデータを受信して rbuf に入れる。

n は受信したバイト数。0 なら切断、<0 ならエラー。

 3. 切断処理if(n <= 0) {
    int k = sprintf(sbuf, "server: client %d just left\n", clients[fd].id);
    (void)k;
    send_all(fd);
    sbuf[0] = '\0';
    FD_CLR(fd, &master);
    clients[fd].msg[0] = '\0';
    close(fd);
    continue;
}
切断時は「server: client X just left\n」を sbuf に作って全員に送信（本人除外）。
監視集合から外し、msg を空にし、ソケットを閉じる。

 4. バッファへの追記int j = (int)strlen(clients[fd].msg);
int room = (int)sizeof(clients[fd].msg) - 1 - j;
if (room < 0) room = 0;
if (room < n) n = room;

j … 既に溜まっている文字数。

room … このクライアントの受信バッファ msg の残り容量（-1 は \0 終端のため）。
受け取った n バイトが room より多ければ切り詰める（あふれ防止）。

 5. 1文字ずつ追加して改行検出for (int i = 0; i < n; i++, j++){
    clients[fd].msg[j] = rbuf[i];
    if (clients[fd].msg[j] == '\n'){
        clients[fd].msg[j] = '\0';

rbuf の内容を msg に追記。

\n を見つけたら、その直前までを1行として確定。

\n を \0 に置き換えて文字列化。

 6. 送信用メッセージの組み立て        int hdr = sprintf(sbuf, "client%d: ", clients[fd].id);
        int room2 = (int)sizeof(sbuf) - hdr - 2;
        if (room2 < 0) room2 = 0;
        sprintf(sbuf + hdr, "%.*s\n", room2, clients[fd].msg);

sbuf に "clientX: " というヘッダを書き込む。

hdr = 書いた文字数。

room2 = sbuf の本文部分に残っている容量（\n と \0 の2バイトを確保するため -2）。

%.*s で安全に本文をコピーし、末尾に改行を付ける。
👉 ここでの room と room2 の違い：

room … 受信側の空き容量（クライアントの入力バッファ msg に、あと何文字入れられるか）。

room2 … 送信側の空き容量（全員に配るバッファ sbuf の本文部分に、あと何文字入れられるか）。

 7. ブロードキャストとリセット        send_all(fd);
        sbuf[0] = '\0';
        clients[fd].msg[0] = '\0';
        j = -1;

send_all(fd) でこの行を全員に送信（本人除外）。
送信後は sbuf と msg を空にして、次の行に備える。

j = -1; は for の末尾で j++ されて 0 に戻る → 次の行は msg[0] から書き込める。

 8. ループ後の処理clients[fd].msg[j] = '\0';
改行が来なかった場合でも、途中までの内容をきちんと \0 終端しておく。
これで次回受信時に追記できる。

 🔑 要約切断時 → 「just left」を全員に通知し、FDを閉じる
データ受信時 → クライアントの行バッファに追記
改行が来たら → "clientX: ..." に整形して全員に配布
来なければそのまま保持（次回以降で続きが来る）

 各部の意味（要点だけ丸暗記用）typedef struct s_client { int id; char msg[1000000]; }

クライアントごとの 受信中1行バッファ。\n が来るまで貯める。
static fd_set master, rset, wset;

master: 監視対象の集合（全FD）

rset, wset: select 用の作業コピー
sbuf / rbuf

rbuf は recv 一時受け

sbuf は 今から全員に配る1本の放送メッセージ を作る場所（共有バッファ）
send_all(int except_fd)

直前に sprintf で入れた sbuf を、今回 select で 書ける と判定されたFDに限り配る。except_fd（本人）には送らない。
accept 後

新FDを master に入れ、id を発行して「just arrived」を sbuf に作り、send_all(s)。
recv 後

n <= 0 → 切断: 「just left」を全員へ → FD_CLR → close

n > 0 → 文字を clients[fd].msg に詰め、\n が来たら1行メッセージとして sbuf に整形 → send_all(fd) → バッファクリア

 この課題の意図（出題者が見たいポイント）ソケットの基本：socket/bind/listen/accept の正しい使い方
多重入出力：select と fd_set の正しい運用（master を保持しつつ、毎回コピーした集合で select）
ノンブロッキング的思考：
ブロッキングソケットでも select を使えば「詰まない」処理手順が書ける
“遅いクライアントを切らない”＝送信でブロックしない設計 が必要
ライン指向の処理：\n 区切りでメッセージを完成させてから配る
安全な文字列処理：%.*s で上限をかける等のオーバーフロー対策
int lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(bind(lfd, (struct sockaddr*)&a, sizeof(a)) < 0) die();
if(listen(lfd, 128) < 0) die();
if(select(maxfd + 1, &rset, &wset, NULL, NULL) <= 0) continue;
int s = accept(lfd, (struct sockaddr*)&c, &len);
int n = recv(fd, rbuf, sizeof(rbuf), 0);

 仕組みの覚え方（スラスラ言えるように）
“masterは名簿、rset/wsetは当番表”

毎ターン、名簿を当番表にコピーして select → 読める/書ける人だけ手を挙げる。

“1行バッファ”

文字は貯める、\n が来たら発言成立→整形→配る。

“配るときは無理しない”

今書ける人にだけ渡す。書けない人にはあとで（＝送信キューに積む）。
EXAM06: TCPチャットサーバーmini_serv縮小版

全体の流れ

意図

1. 初期化

sockaddr_in構造体

まとめ

2. メインループ初期化

1. `select` の準備

2. `select` の呼び出し

3. 新規接続があるかチェック

4. `accept` で接続を受け入れる

5. エラーや上限チェック

6. 新しいクライアントの登録

7. 到着メッセージを作成して全員に送る

まとめ

3. メインループ後半

1. 監視対象を総当たり

2. 受信処理

3. 切断処理

4. バッファへの追記

5. 1文字ずつ追加して改行検出

6. 送信用メッセージの組み立て

7. ブロードキャストとリセット

8. ループ後の処理

🔑 要約

各部の意味（要点だけ丸暗記用）

この課題の意図（出題者が見たいポイント）

仕組みの覚え方（スラスラ言えるように）

Discussion
