网络编程『socket套接字 ‖ 简易UDP网络程序』

🔭个人主页： 北 海
🛜所属专栏： Linux学习之旅、神奇的网络世界
💻操作环境： CentOS 7.6 阿里云远程服务器

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🌤️前言

在当今数字化时代，网络通信作为连接世界的桥梁，成为计算机科学领域中至关重要的一部分。理解网络编程是每一位程序员必备的技能之一，而掌握套接字编程则是深入了解网络通信的关键。本博客将深入讨论套接字编程中的基本概念、常见API以及实际应用，通过一步步的学习，帮助读者逐渐掌握网络编程的精髓。

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🌦️正文

1.预备知识

1.1.IP地址

在 《网络基础『发展 ‖ 协议 ‖ 传输 ‖ 地址』》一文中我们提到过: IP 是全球网络的基础，使用 IP 地址来标识公网环境下主机的唯一性，我们可以根据 目的IP地址 进行跨路由器的远端通信（将信息从主机 A 发送至主机 Z ）

仅仅使用 IP 只能定位到目标主机，并且目标主机不是最终目的地，要想定位目的地，需要依靠 端口号

目标主机中存在很多进程，网络通信实际是不同主机中的进程在进行通信，并非主机与主机直接通信

1.2.端口号

端口号 是一个用于标识网络进程唯一性的标识符，是一个 2 字节的整数，取值范围为 [0, 65535]，可以通过 端口号 定位主机中的目标进程

抛开网络其他知识，将信息从主机 A 中的进程 A 发送至主机 B 中的 进程 B，这不就是 进程间通信 吗？之前学习的 进程间通信 是通过 匿名管道、命名管道、共享内存 等方式实现，而如今的 进程间通信 则是通过 网络传输 的方式实现

需要进行网络通信的进程有很多，为了方便进行管理，就诞生了 端口号 这个概念，同进程的 PID 一样，端口号 也可以用于标识进程

服务器中的防火墙其实就是端口号限制，只有开放的端口号，才允许进程用于 网络通信

1.3.端口号与进程PID

端口号 用于标识进程，进程 PID 也是用于标识进程，为什么在网络中，不直接使用进程 PID 呢？

• 进程 PID 隶属于操作系统中的进程管理，如果在网络中使用 PID，会导致网络标准中被迫中引入进程管理相关概念（进程管理与网络强耦合）

• 进程管理 属于 OS 内部中的功能，OS 可以有很多标准，但网络标准只能有一套，在网络中直接使用 PID 无法确保网络标准的统一性

• 并不是所有的进程都需要进行网络通信，如果端口号、PID 都使用同一个解决方案，无疑会影响网络管理的效率

所以综上所述，网络中的 端口号 需要通过一种全新的方式实现，也就是一个 2 字节的整数 port，进程 A 运行后，可以给它绑定 端口号 N，在进行网络通信时，根据 端口号 N 来确定信息是交给进程 A 的

所以将之前的结论再具体一点：IP + Port 可以标识公网环境下，唯一的网络进程

网络传输中的必备信息组 [目的IP 源 IP || 目的 Port 源 Port]

• 目的 IP：需要把信息发送到哪一台主机
• 源 IP：信息从哪台主机中发出
• 目的 Port：将信息交给哪一个进程
• 源 Port：信息从哪一个进程中发出

注意： 端口号与进程 PID 并不是同一个概念

进程 PID 就好比你的身份证号，端口号 相当于学号，这两个信息都可以标识唯一的你，但对于学校来说，使用学号更方便进行管理

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一个进程可以绑定多个 端口号 吗？一个 端口号 可以被多个进程绑定吗？

端口号 的作用是配合 IP 地址标识网络世界中进程的唯一性，如果一个进程绑定多个 端口号，依然可以保证唯一性（因为无论使用哪个 端口号，信息始终只会交给一个进程）；但如果一个 端口号 被多个进程绑定了，在信息递达时，是无法分辨该信息的最终目的进程的，存在二义性

所以一个进程可以绑定多个端口号，一个 端口号 不允许被多个进程绑定，如果被绑定了，可以通过 端口号 顺藤摸瓜，找到占用该 端口号 的进程

如果某个端口号被使用了，其他进程再继续绑定是会报错的，提示 该端口已被占用

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主机（操作系统）是如何根据 端口号 定位具体进程的？

这个实现起来比较简单，创建一张哈希表，维护 <端口号, 进程 PID> 之间的映射关系，当信息通过网络传输到目标主机时，操作系统可以根据其中的 [目的 Port]，直接定位到具体的进程 PID，然后进行通信

1.4.传输层协议

主流的传输层协议有两个：TCP 和 UDP

两个协议各有优缺点，可以采用不同的协议，实现截然不同的网络程序，关于 TCP 和 UDP 的详细信息将会放到后面的博客中详谈，先来看看简单这两种协议的特点

TCP 协议：传输控制协议

• 传输层协议
• 有连接
• 可靠传输
• 面向字节流

字节流就像水龙头，用户可以根据自己的需求获取水流量

UDP 协议：用户数据协议

• 传输层协议
• 无连接
• 不可靠传输
• 面向数据报

数据报则是相当于包裹，用户每次获取的都是一个或多个完整的包裹

关于 可靠性
TCP 的可靠传输并不意味着它可以将数据百分百递达，而是说它在数据传输过程中，如果发生了传输失败的情况，它会通过自己独特的机制，重新发送数据，确保对端百分百能收到数据；至于 UDP 就不一样，数据发出后，如果失败了，也不会进行重传，好在 UDP 面向数据报，并且没有很多复杂的机制，所以传输速度很快

总结起来就是：TCP 用于对数据传输要求较高的领域，比如金融交易、网页请求、文件传输等，至于 UDP 可以用于短视频、直播、即时通讯等对传输速度要求较高的领域

如果不知道该使用哪种协议，优先考虑 TCP，如果对传输速度又要求，可以选择 UDP

1.5.网络字节序

在学习网络字节序相关知识前，先回顾一下大小端字节序

预备知识

• 数据拥有高权值位和低权值位，比如在 32 位操作系统中，十六进制数 0x11223344，其中的 11 称为 最高权值位，44 称为 最低权值位
• 内存有高地址和低地址之分

如果将数据的高权值存放在内存的低地址处，低权值存放在高地址处，此时就称为 大端字节序，反之则称为 小端字节序，这两种字节序没有好坏之分，只是系统设计者的使用习惯问题，比如我当前的电脑在存储数据时，采用的就是 小端字节序 方案

通过内存单元可以看到，使用 小端字节序 时数据是倒着放的，大端字节序 就是正着存放了

大小端字节序就有点像吃香蕉时的方式，有的人是从头部开始剥皮，有的人是从尾部开始剥皮，两种方式都能吃到香蕉，纯属习惯问题

在网络出现之前，使用大端或小端存储都没有问题，网络出现之后，就需要考虑使用同一种存储方案了，因为网络通信时，两台主机存储方案可能不同，会出现无法解读对方数据的问题

如果你是网络标准的设计者，你会如何解决？
解决方案1：数据发送前，给报文中添加大小端的标记字段，待数据递达后，对端在根据标志位进行解读，再进行转换。 这个方案实现起来不太方便，并且给每一个报文都添加标记字段这个行为比较浪费
解决方案2：书同文，车同轨，直接统一标准。 这种解决方案就很彻底了，直接从根源上解决问题，也更方便

顶层设计者采用了解决方案2，TCP/IP 协议规定：网络中传输的数据，统一采用大端存储方案，也就是网络字节序， 现在大端/小端称为 主机字节序

发送数据时，将 主机字节序 转化为 网络字节序，接收到数据后，再转回 主机字节序 就好了，完美解决不同机器中的大小端差异，可以用下面这批库函数进行转换，在发送/接收时，调用库函数进行转换即可

#include <arpa/inet.h>// 主机字节序转网络字节序
uint32_t htonl(uint32_t hostlong); // l 表示32位长整数
uint32_t htons(uint32_t hostshort); // s 表示16位短整数// 网络字节序转主机字节序
uint32_t ntohl(uint32_t netlong); // l 表示32位长整数
uint32_t ntohs(uint32_t netshort); // s 表示16位短整数

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2.socket 套接字

2.1.socket 常见API

socket 套接字提供了下面这一批常用接口，用于实现网络通信

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>// 创建socket文件描述符（TCP/UDP	服务器/客户端）
int socket(int domain, int type, int protocol);// 绑定端口号（TCP/UDP	服务器）
int bind(int socket, const struct sockaddr* address, socklen_t address_len);// 开始监听socket (TCP	服务器)
int listen(int socket, int backlog);// 接收连接请求 (TCP	服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address, socklen_t* address_len);// 建立连接 (TCP	客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);

可以看到在这一批 API 中，频繁出现了一个结构体类型 sockaddr，该结构体支持网络通信，也支持本地通信

socket 套接字就是用于描述 sockaddr 结构体的字段，复用了文件描述符的解决方案

2.2.sockaddr 结构体

socket 这套网络通信标准隶属于 POSIX 通信标准，该标准的设计初衷就是为了实现 可移植性，程序可以直接在使用该标准的不同机器中运行，但有的机器使用的是网络通信，有的则是使用本地通信，socket 套接字为了能同时兼顾这两种通信方式，提供了 sockaddr 结构体

由 sockaddr 结构体衍生出了两个不同的结构体：sockaddr_in 网络套接字、sockaddr_un 域间套接字，前者用于网络通信，后者用于本地通信

• 可以根据 16 位地址类型，判断是网络通信，还是本地通信
• 在进行网络通信时，需要提供 IP 地址、端口号 等网络通信必备项，本地通信只需要提供一个路径名，通过文件读写的方式进行通信（类似于命名管道）

socket 提供的接口参数为 sockaddr*，我们既可以传入 &sockaddr_in 进行网络通信，也可以传入 &sockaddr_un 进行本地通信，传参时将参数进行强制类型转换即可，这是使用 C语言 实现 多态 的典型做法，确保该标准的通用性

为什么不将参数设置为 void* ？
因为在该标准设计时，C语言还不支持 void* 这种类型，为了确保向前兼容性，即便后续支持后也不能进行修改了

关于 socketaddr_in 结构的更多详细信息放到后面写代码时再细谈

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UDP 网络程序

接下来实现一批基于 UDP 协议的网络程序

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3.字符串回响

3.1.核心功能

分别实现客户端与服务器，客户端向服务器发送消息，服务器收到消息后，回响给客户端，有点类似于 echo 指令

该程序的核心在于 使用 socket 套接字接口，以 UDP 协议的方式实现简单网络通信

3.2.程序结构

程序由 server.hpp、server.cc、client.hpp、client.cc 组成，大体框架如下

创建 server.hpp 服务器头文件

#pragma once#include <iostream>namespace nt_server
{class UdpServer{public:// 构造UdpServer(){} // 析构~UdpServer(){} // 初始化服务器void InitServer(){}// 启动服务器void StartServer(){}private:// 字段};
}

创建 server.cc 服务器源文件

#include <memory> // 智能指针相关头文件
#include "server.hpp"using namespace std;
using namespace nt_server;int main()
{unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer());// 初始化服务器usvr->InitServer();// 启动服务器usvr->StartServer();return 0;
}

创建 client.hpp 客户端头文件

#pragma once#include <iostream>namespace nt_client
{class UdpClient{public:// 构造UdpClient() {} // 析构~UdpClient() {} // 初始化客户端void InitClient() {}// 启动客户端void StartClient() {}private:// 字段};
}

创建 client.cc 客户端源文件

#include <memory>
#include "client.hpp"using namespace std;
using namespace nt_client;int main()
{unique_ptr<UdpClient> usvr(new UdpClient());// 初始化客户端usvr->InitClient();// 启动客户端usvr->StartClient();return 0;
}

为了方便后续测试，再添加一个 Makefile 文件

创建 Makefile 文件

.PHONY:all
all:server clientserver:server.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11client:client.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -rf server client

准备工作完成后，接下来着手填充代码内容

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服务器设计

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3.3.创建套接字

创建套接字使用 socket 函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>// 创建套接字（TCP/UDP	服务器/客户端）
int socket(int domain, int type, int protocol);

参数解读

• domain 创建套接字用于哪种通信（网络/本地）
• type 选择数据传输类型（流式/数据报）
• protocol 选择协议类型（支持根据参数2自动推导）

返回值：创建成功后，返回套接字（文件描述符），失败返回 -1

因为这里是使用 UDP 协议实现的 网络通信，参数2 domain 选择 AF_INET（基于 IPv4 标准），参数2 type 选择 SOCK_DGRAM（数据报传输），参数3设置为 0，可以根据 SOCK_DGRAM 自动推导出使用 UDP 协议

AF_INET6 基于 IPv6 标准

接下来在 server.hpp 的 InitServer() 函数中创建套接字，并对创建成功/失败后的结果做打印

server.hpp 服务器头文件

#pragma once#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>namespace nt_server
{// 错误码enum{SOCKET_ERR = 1};class UdpServer{public:// 构造UdpServer(){} // 析构~UdpServer(){} // 初始化服务器void InitServer(){// 1.创建套接字sock_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sock_ == -1){std::cout << "Create Socket Fail: " << strerror(errno) << std::endl;exit(SOCKET_ERR);}// 创建成功std::cout << "Create Success Socket: " << sock_ << std::endl;}// 启动服务器void StartServer(){}private:int sock_; // 套接字};
}

文件描述符默认 0、1、2 都已经被占用了，如果再创建文件描述符，会从 3 开始，可以看到，程序运行后，创建的套接字正是 3，证明套接字本质上就是文件描述符，不过它用于描述网络资源

3.4.绑定IP地址和端口号

注意： 我这里的服务器是云服务器，绑定 IP 地址这个操作后面需要修改

使用 bind 函数进行绑定操作

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>// 绑定IP地址和端口号（TCP/UDP	服务器）
int bind(int sockfd, const struct sockaddr* addr, socklen_t addrlen);

参数解读

• sockfd 创建成功的套接字
• addr 包含通信信息的 sockaddr 结构体地址
• addrlen 结构体的大小

返回值：成功返回 0，失败返回 -1

参数1没啥好说的，重点在于参数2，因为我们这里是 网络通信，所以使用的是 sockaddr_in 结构体，要想使用该结构体，还得包含下面这两个头文件

#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

sockaddr_in 结构体的构成如下

/* Structure describing an Internet socket address.  */
struct sockaddr_in
{__SOCKADDR_COMMON (sin_);in_port_t sin_port;			/* Port number.  */struct in_addr sin_addr;		/* Internet address.  *//* Pad to size of `struct sockaddr'.  */unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -__SOCKADDR_COMMON_SIZE -sizeof (in_port_t) -sizeof (struct in_addr)];
};

首先来看看 16 位地址类型，转到定义可以发现它是一个宏函数，并且使用了 C语言 中一个非常少用的语法 ##（将两个字符串拼接）

/* POSIX.1g specifies this type name for the `sa_family' member.  */
typedef unsigned short int sa_family_t;/* This macro is used to declare the initial common membersof the data types used for socket addresses, `struct sockaddr',`struct sockaddr_in', `struct sockaddr_un', etc.  */#define	__SOCKADDR_COMMON(sa_prefix) \sa_family_t sa_prefix##family

当给 __SOCKADDR_COMMON 传入 sin_ 参数后，经过 ## 字符串拼接、宏替换等操作后，会得到这样一个类型

sa_family_t sin_family;

sa_family_t 是一个无符号短整数，占 16 位，sin_family 字段就是 16 位地址类型 了

接下来看看 端口号，转到定义，发现 in_port_t 类型是一个 16 位无符号整数，同样占 2 字节，正好符合 端口号 的取值范围 [0, 65535]

/* Type to represent a port.  */
typedef uint16_t in_port_t;

最后再来看看 IP 地址，同样转到定义，发现 in_addr 中包含了一个 32 位无符号整数，占 4 字节，也就是 IP 地址 的大小

/* Internet address.  */
typedef uint32_t in_addr_t;
struct in_addr
{in_addr_t s_addr;
};

了解完 sockaddr_in 结构体中的内容后，就可以创建该结构体了，再定义该结构体后，需要清空，确保其中的字段干净可用

将变量置为 0 可用使用 bzero 函数

#include <cstrins> // bzero 函数的头文件struct sockaddr_in local;
bzero(&local, sizeof(local));

获得一个干净可用的 sockaddr_in 结构体后，可以正式绑定 IP 地址 和 端口号 了

注：作为服务器，需要确定自己的端口号，我这里设置的是 8888

server.hpp 服务器头文件

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cstdlib>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>namespace nt_server
{// 退出码enum{SOCKET_ERR = 1,BIND_ERR};// 端口号默认值const uint16_t default_port = 8888;class UdpServer{public:// 构造UdpServer(const std::string ip, const uint16_t port = default_port):port_(port), ip_(ip){} // 析构~UdpServer(){} // 初始化服务器void InitServer(){// 1.创建套接字sock_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sock_ == -1){std::cout << "Create Socket Fail: " << strerror(errno) << std::endl;exit(SOCKET_ERR);}// 创建成功std::cout << "Create Success Socket: " << sock_ << std::endl;// 2.绑定IP地址和端口号struct sockaddr_in local;bzero(&local, sizeof(local)); // 置0// 填充字段local.sin_family = AF_INET; // 设置为网络通信（PF_INET 也行）local.sin_port = htons(port_); // 主机序列转为网络序列local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str()); // 点分十进制转为短整数，再将主机序列转为网络序列// 绑定IP地址和端口号if(bind(sock_, (const sockaddr*)&local, sizeof(local))){std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl;exit(BIND_ERR);}// 绑定成功std::cout << "Bind IP&&Port Success" << std::endl;}// 启动服务器void StartServer(){}private:int sock_; // 套接字uint16_t port_; // 端口号std::string ip_; // IP地址（后面需要删除）};
}

注意：

• 需要把主机序列转换为网络序列，可以使用 htons 函数
• 需要把点分十进制的字符串，转换为无符号短整数，可以使用 inet_addr 函数，这个函数在进行转换的同时，会将主机序列转换为网络序列
• 绑定IP地址和端口号这个行为并非直接绑定到当前主机中，而是在当前程序中，将创建的 socket 套接字，与目标IP地址与端口号进行绑定，当程序终止后，这个绑定关系也会随之消失

server.cc 服务器源文件

#include <memory> // 智能指针相关头文件
#include "server.hpp"using namespace std;
using namespace nt_server;int main()
{unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer("8.134.110.68"));// 初始化服务器usvr->InitServer();// 启动服务器usvr->StartServer();return 0;
}

接下来编译并运行程序，可以发现绑定失败了，这是因为当前我使用的是云服务器，云服务器是不允许直接绑定公网 IP 的，解决方案是在绑定 IP 地址时，让其选择绑定任意可用 IP 地址

修改代码

• 云服务器中不需要明确 IP 地址
• 构造时也无需传入 IP 地址
• 绑定 IP 地址时选择 INADDR_ANY，表示绑定任何可用的 IP 地址

server.hpp 服务器头文件

class UdpServer
{
public:// 构造UdpServer(const uint16_t port = default_port):port_(port){} // 初始化服务器
void InitServer()
{// ...// 填充字段local.sin_family = AF_INET; // 设置为网络通信（PF_INET 也行）local.sin_port = htons(port_); // 主机序列转为网络序列// local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str()); // 点分十进制转为短整数，再将主机序列转为网络序列local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任何可用IP地址// ...
}private:int sock_; // 套接字uint16_t port_; // 端口号// std::string ip_; // 删除
};

server.cc 服务器源文件

#include <memory> // 智能指针相关头文件
#include "server.hpp"using namespace std;
using namespace nt_server;int main()
{unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer());// 初始化服务器usvr->InitServer();// 启动服务器usvr->StartServer();return 0;
}

再次编译并运行程序，可以看到正常运行

服务器设置的端口，需要设置为开放状态，如果是本地服务器，可以使用 systemctl start firewalld.service 指令开启防火墙，再使用 firewall-cmd --zone=public --add-port=Port/tcp --permanent 开启指定的端口号
如果是云服务器，就需要通过 控制台，开放对应的端口

3.5.启动服务器

当前编写的 回响服务器 需要服务器拥有读取信息，然后回响给客户端的能力

读取信息使用 recvfrom 函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>// 读取信息（TCP/UDP	服务器/客户端）
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

这个函数参数比较多，首先来看看前半部分

• sockfd 使用哪个套接字进行读取
• buf 读取数据存放缓冲区
• len 缓冲区的大小
• flags 读取方式（阻塞/非阻塞）

前半部分主要用于读取数据，并进行存放，接下来看看后半部分

• src_addr 输入输出型参数，对端主机的 sockaddr 结构体，包含了对端的 IP地址 和 端口号
• addrlen 输入输出型参数，对端主机的 sockaddr 结构体大小

这个输入输出型参数就类似于送礼时留下自己的信息，待对方还礼时可以知道还给谁，接收信息也是如此，当服务器获取客户端的 sockaddr 结构体信息后，同样可以给客户端发送信息，双方就可以愉快的进行通信了

返回值：成功返回实际读取的字节数，失败返回 -1

接收消息步骤：

1. 创建缓冲区、对端 sockaddr_in 结构体
2. 接收信息，判断是否接收成功
3. 处理信息

所以接下来编写接收消息的逻辑

注意： 因为 recvfrom 函数的参数 src_addr 类型为 sockaddr，需要将 sockaddr_in 类型强转后，再进行传递

StartServer() 函数 — 位于 server.hpp 服务器源文件中的 UdpServer 类

// 启动服务器
void StartServer()
{// 服务器是不断运行的，所以需要使用一个 while(true) 死循环char buff[1024]; // 缓冲区while(true){// 1. 接收消息struct sockaddr_in peer; // 客户端结构体socklen_t len = sizeof(peer); // 客户端结构体大小// 传入 sizeof(buff) - 1 表示当前传输的是字符串，预留一个位置存储 '\0'// 传入 0 表示当前是阻塞式读取ssize_t n = recvfrom(sock_, buff, sizeof(buff) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);if(n > 0)buff[n] = '\0';elsecontinue; // 继续读取// 2.处理数据std::string clientIp = inet_ntoa(peer.sin_addr); // 获取IP地址uint16_t clientPort = ntohs(peer.sin_port); // 获取端口号printf("Server get message from [%c:%d]$ %s\n",clientIp.c_str(), clientPort, buff);// 3.回响给客户端// ...}
}

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发送信息使用 sendto 函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>// 读取信息（TCP/UDP	服务器/客户端）
ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

这个函数的参数也是很多，几乎与 recvfrom 的一模一样

• sockfd 使用哪个套接字进行发送
• buf 发送数据存放缓冲区
• len 缓冲区的大小
• flags 发送方式（阻塞/非阻塞）
• src_addr 对端主机的 sockaddr 结构体，包含了对端的 IP地址 和 端口号
• addrlen 对端主机的 sockaddr 结构体大小

返回值：成功返回实际发送的字节数，失败返回 -1

发送消息时，直接调用 sendto 函数把读取到的信息，回响给客户端即可，如果发送失败了，就简单报个错，为了方便错误码调整，这里顺便把错误码封装成一个单独的 err.hpp 源文件（注意包含头文件）

StartServer() 函数 — 位于 server.hpp 服务器源文件中的 UdpServer 类

// ...
#include "err.hpp"// ...// 启动服务器
void StartServer()
{// 服务器是不断运行的，所以需要使用一个 while(true) 死循环char buff[1024]; // 缓冲区while(true){// ...// 3.回响给客户端n = sendto(sock_, buff, strlen(buff), 0, (const struct sockaddr*)&peer, sizeof(peer));if(n == -1)std::cout << "Send Message Fail: " << strerror(errno) << std::endl;}
}

err.hpp 头文件

#pragma once// 错误码
enum
{SOCKET_ERR = 1,BIND_ERR
};

万事具备后，就可以启动服务器了，可以看到服务器启动后，处于阻塞等待状态，这是因为还没有客户端给我的服务器发信息，所以它就会暂时阻塞

如何证明服务器正在运行？

可以通过 Linux 中查看网络状态的指令，因为我们这里使用的是 UDP 协议，所以只需要输入下面这条指令，就可以查看有哪些程序正在运行

netstat -nlup

现在服务已经跑起来了，并且如期占用了 8888 端口，接下来就是编写客户端相关代码

0.0.0.0 表示任意IP地址

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客户端设计

3.6.指定IP地址和端口号

客户端在运行时，必须知道服务器的 IP 地址 和 端口号，否则不知道自己该与谁进行通信，所以对于 UdpClient 类来说，ip 和 port 者两个字段是肯定少不了的

client.hpp 客户端头文件

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include "err.hpp"namespace nt_client
{class UdpClient{public:// 构造UdpClient(const std::string& ip, uint16_t port):server_ip_(ip), server_port_(port){} // 析构~UdpClient() {} // 初始化客户端void InitClient() {}// 启动客户端void StartClient() {}private:std::string server_ip_; // 服务器IP地址uint16_t server_port_; // 服务器端口号};
}

这两个参数由用户主动传输，这里就需要 命令行 参数相关知识了，在启动客户端时，需要以 ./client serverIp serverPort 的方式运行，否则就报错，并提示相关错误信息（更新 err.hpp 的错误码）

client.cc 客户端源文件

#include <iostream>
#include <memory>
#include "client.hpp"using namespace std;
using namespace nt_client;void Usage(const char* program)
{cout << "Usage:" << endl;cout << "\t" << program << " ServerIP ServerPort" << endl;
}int main(int argc, char* argv[])
{if (argc != 3){// 错误的启动方式，提示错误信息Usage(argv[0]);return USAGE_ERR;}std::string ip = argv[1];uint16_t port = stoi(argv[2]);unique_ptr<UdpClient> usvr(new UdpClient(ip, port));// 初始化客户端usvr->InitClient();// 启动客户端usvr->StartClient();return 0;
}

err.hpp 错误码头文件

#pragma onceenum
{USAGE_ERR = 1,SOCKET_ERR,BIND_ERR
};

如此一来，只有正确的输入 [./client ServerIP ServerPort] 才能启动程序，否则不让程序运行，倒逼客户端启动时，提供服务器的 IP 地址 和 端口号

其实在浏览网页时输入的 url 网址，在经过转换后，其中也一定会包含服务器的 IP 地址 与 端口号，配合请求的资源路径，就能获取服务器资源了

3.7.初始化客户端

初始化客户端时，同样需要创建 socket 套接字，不同于服务器的是 客户端不需要自己手动绑定 IP 地址与端口号

这是因为客户端手动指明 端口号 存在隐患：如果恰好有两个程序使用了同一个端口，会导致其中一方的客户端直接绑定失败，无法运行，将绑定 端口号 这个行为交给 OS 自动执行（首次传输数据时自动 bind），可以避免这种冲突的出现

为什么服务器要自己手动指定端口号，并进行绑定？
这是因为服务器的端口不能随意改变，并且这是要公布给广大客户端看的，同一家公司在部署服务时，会对端口号的使用情况进行管理，可以直接避免端口号冲突

客户端在启动前，需要先知晓服务器的 sockaddr_in 结构体信息，可以利用已知的 IP 地址 和 端口号 构建

综上所述，在初始化客户端时，需要创建好套接字和初始化服务器的 sockaddr_in 结构体信息

client.hpp 客户端头文件

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cstdlib>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"namespace nt_client
{class UdpClient{public:// 构造UdpClient(const std::string& ip, uint16_t port):server_ip_(ip), server_port_(port){} // 析构~UdpClient() {} // 初始化客户端void InitClient() {// 1.创建套接字sock_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sock_ == -1){std::cout << "Create Socket Fail: " << strerror(errno) << std::endl;exit(SOCKET_ERR);}std::cout << "Create Success Socket: " << sock_ << std::endl;// 2.构建服务器的 sockaddr_in 结构体信息bzero(&svr_, sizeof(svr_));svr_.sin_family = AF_INET; // 设置为网络通信（PF_INET 也行）svr_.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip_.c_str()); // 绑定服务器IP地址svr_.sin_port = htons(server_port_); // 绑定服务器端口号}// 启动客户端void StartClient() {}private:std::string server_ip_; // 服务器IP地址uint16_t server_port_; // 服务器端口号int sock_;struct sockaddr_in svr_; // 服务器的sockadder_in结构体信息};
}

如此一来，客户端就可以利用该 sockaddr_in 结构体，与目标主机进行通信了

3.8.启动客户端

接下来就是客户端向服务器发送消息，消息由用户主动输入，使用的是 sendto 函数

发送消息步骤

1. 用户输入消息
2. 传入缓冲区、服务器相关参数，使用 sendto 函数发送消息

消息发送后，客户端等待服务器回响消息

接收消息步骤：

1. 创建缓冲区
2. 接收信息，判断是否接收成功
3. 处理信息

注：同服务器一样，客户端也需要不断运行

StartClient() 函数 — 位于 client.hpp 中的 UdpClient 类

// 启动客户端
void StartClient() 
{char buff[1024];while(true){// 1.发送消息std::string msg;std::cout << "Input Message# ";std::getline(std::cin, msg);ssize_t n = sendto(sock_, msg.c_str(), msg.size(), 0, (const struct sockaddr*)&svr_, sizeof(svr_));if(n == -1){std::cout << "Send Message Fail: " << strerror(errno) << std::endl;continue; // 重新输入消息并发送}// 2.接收消息socklen_t len = sizeof(svr_); // 创建一个变量，因为接下来的参数需要传左值n = recvfrom(sock_, buff, sizeof(buff) - 1, 0, (struct sockaddr*)&svr_, &len);if(n > 0)buff[n] = '\0';elsecontinue;// 可以再次获取IP地址与端口号std::string ip = inet_ntoa(svr_.sin_addr);uint16_t port = ntohs(svr_.sin_port);printf("Client get message from [%s:%d]# %s\n",ip.c_str(), port, buff);}
}

现在左手 服务器，右手 客户端，直接编译运行，看看效果：

注：127.0.0.1 表示本地环回（通常用于测试网络程序），因为我当前的服务器和客户端都是在同一机器上运行的，所以就可以使用该 IP 地址，当然直接使用服务器的公网 IP 地址也是可以的

通过 netstat -nlup 指令查看端口使用情况

可以看到，服务器和客户端都成功运行了，OS 给客户端分配的 端口号 是 54450，这是随机分配的，每次重新运行后，大概率都不相同

至此基于 UDP 协议编写的第一个网络程序 字符串回响 就完成了，接下来对其进行改造，编写第二个网络程序

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4.大写转小写、远程bash

4.1.业务处理函数解耦

基于模块化处理的思想，将服务器中处理消息的函数与启动服务的函数解耦，由程序员传入指定的回调函数

此时业务处理函数已经变成一个模块了，可以自由变换

• 业务处理函数A：实现大写转小写
• 业务处理函数B：实现远程 bash
• 业务处理函数C：实现 xxx

服务器在启动时，只需要传入对应的业务处理函数（回调函数）即可

修改 server.hpp 的代码如下

使用 C++11 中的 function 包装器语法，包装出一个符合我们业务处理需求的函数类型

server.hpp 服务器头文件

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cstdlib>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"namespace nt_server
{// 端口号默认值const uint16_t default_port = 8888;using func_t = std::function<std::string(std::string)>; // 参数为string，返回值同样为stringclass UdpServer{public:// 构造UdpServer(const func_t& func, uint16_t port = default_port):port_(port),serverHandle_(func){}// 析构~UdpServer(){} // 初始化服务器void InitServer(){// 1.创建套接字sock_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sock_ == -1){std::cout << "Create Socket Fail: " << strerror(errno) << std::endl;exit(SOCKET_ERR);}// 创建成功std::cout << "Create Success Socket: " << sock_ << std::endl;// 2.绑定IP地址和端口号struct sockaddr_in local;bzero(&local, sizeof(local)); // 置0// 填充字段local.sin_family = AF_INET; // 设置为网络通信（PF_INET 也行）local.sin_port = htons(port_); // 主机序列转为网络序列// local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str()); // 点分十进制转为短整数，再将主机序列转为网络序列local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任何可用IP地址// 绑定IP地址和端口号if(bind(sock_, (const sockaddr*)&local, sizeof(local))){std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl;exit(BIND_ERR);}// 绑定成功std::cout << "Bind IP&&Port Success" << std::endl;}// 启动服务器void StartServer(){// 服务器是不断运行的，所以需要使用一个 while(true) 死循环char buff[1024]; // 缓冲区while(true){// 1. 接收消息struct sockaddr_in peer; // 客户端结构体socklen_t len = sizeof(peer); // 客户端结构体大小// 传入 sizeof(buff) - 1 表示当前传输的是字符串，预留一个位置存储 '\0'// 传入 0 表示当前是阻塞式读取ssize_t n = recvfrom(sock_, buff, sizeof(buff) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);if(n > 0)buff[n] = '\0';elsecontinue; // 继续读取// 2.处理数据std::string clientIp = inet_ntoa(peer.sin_addr); // 获取IP地址uint16_t clientPort = ntohs(peer.sin_port); // 获取端口号printf("Server get message from [%s:%d]$ %s\n",clientIp.c_str(), clientPort, buff);// 获取业务处理后的结果std::string respond = serverHandle_(buff);// 3.回响给客户端n = sendto(sock_, respond.c_str(), respond.size(), 0, (const struct sockaddr*)&peer, sizeof(peer));if(n == -1)std::cout << "Send Message Fail: " << strerror(errno) << std::endl;}}private:int sock_; // 套接字uint16_t port_; // 端口号func_t serverHandle_; // 业务处理函数（回调函数）};
}

现在只需要关注业务处理如何实现，无需考虑具体的网络传输如何实现

4.2.大写转小写

现阶段实现一个将大写字符转换为小写字符的函数易如反掌，只需注意一点就好了：对于非大写的字符，不需要进行改动

函数实现完成后，将其作为参数传递给 UdpServer 类型，构造出相应的对象

#include <memory> // 智能指针相关头文件
#include "server.hpp"using namespace std;
using namespace nt_server;// 大写转小写（英文字母）
std::string UpToLow(const std::string& resquest)
{std::string ret(resquest);for(auto &rc : ret){if(isupper(rc))rc += 32;}return ret;
}int main()
{unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer(UpToLow));// 初始化服务器usvr->InitServer();// 启动服务器usvr->StartServer();return 0;
}

至此只需要客户端传入一段消息，如果消息中包含了大写字符，我们的服务器就会将其转为小写字符，然后将消息发送给客户端，相当于之前单纯回响字符串的加强版

客户端仍然只需发送消息、接收消息，可以直接使用之前的客户端

重新编译并运行服务器，通过客户端发送信息，可以看到大写字符确实都被转为小写字符了

如果想实现小写转大写，或其他转换需求，只需要重新编写业务处理函数，将其作为参数传递给 UdpServer 类即可

注意： 传递的业务处理函数，在返回值、参数方面，必须与类中的回调函数类型一致

4.3.远程bash

bash 指令是如何执行的？

1. 接收指令（字符串）
2. 对指令进行分割，构成有效信息
3. 创建子进程，执行进程替换
4. 子进程运行结束后，父进程回收僵尸进程
5. 输入特殊指令时的处理

可以自己 模拟实现简易版 bash，不过这样做太麻烦了

也可以直接使用系统提供的 popen 函数

#include <stdio.h>FILE *popen(const char *command, const char *type);int pclose(FILE *stream);

参数解读

• command 想要执行的指令
• type 打开文件的方式（r / w / a）

返回值：执行成功返回最终执行结果的文件流句柄，失败返回 NULL

这个函数做了这些事：创建管道、创建子进程、执行指令、将执行结果以 FILE* 的形式返回

函数执行过程中，可能遇到 fork 创建子进程失败，或者 pipe 创建管道失败，无论遇到哪种问题，最终函数都会执行失败，并返回 NULL

因为这里返回的是 FILE*，证明其涉及了文件流相关操作，在使用结束后，需要使用 pclose 手动关闭文件流

编写远程 bash 的业务处理函数如下

ExecCommand() 业务处理函数 — 位于 server.cc 服务器源文件

// 远程 bash
std::string ExecCommand(const std::string& request)
{// 1.安全检查// ...// 2.获取执行结果FILE* fp = popen(request.c_str(), "r");if(fp == NULL)return "Can't execute command!";// 3.将结果读取至字符串中std::string ret;char buffline[1024]; // 行缓冲区while (fgets(buffline, sizeof(buffline), fp) != NULL){// 将每一行结果，添加至 ret 中ret += buffline;}// 4.关闭文件流fclose(fp);// 5.返回最终执行结果return ret;
}

此时需要考虑一个问题：如果别人输入的是敏感指令（比如 rm -rf *）怎么办？

答案当然是直接拦截，不让别人执行敏感操作，毕竟 Linux 默认可没有回收站，所以我们还需要考虑安全检查

敏感操作包含这些：kill 发送信号终止进程、mv 移动文件、rm 删除文件、while :; do 死循环、shutdown 关机等等

在执行用户传入的指令前，先对指令中的子串进行扫描，如果发现敏感操作，就直接返回，不再执行后续操作

checkSafe() 安全检查函数 — 位于 server.cc 服务器源文件

// 安全检查
bool checkSafe(const std::string& comm)
{// 构建安全检查组std::vector<std::string> unsafeComms{"kill", "mv", "rm", "while :; do", "shutdown"};// 查找 comm 中是否包含安全检查组中的字段for(auto &str : unsafeComms){// 如果找到了，就说明存在不安全的操作if(comm.find(str) != std::string::npos)return false;}return true;
}

将 checkSafe 安全检查函数整合进 ExecCommand 业务处理函数中，同时在构建 UdpServer 对象时，传入该业务处理函数对象，编译并运行程序

#include <string>
#include <vector>
#include <memory> // 智能指针相关头文件
#include <cstdio>
#include "server.hpp"using namespace std;
using namespace nt_server;// 安全检查
bool checkSafe(const std::string& comm)
{// 构建安全检查组std::vector<std::string> unsafeComms{"kill", "mv", "rm", "while :; do", "shutdown"};// 查找 comm 中是否包含安全检查组中的字段for(auto &str : unsafeComms){// 如果找到了，就说明存在不安全的操作if(comm.find(str) != std::string::npos)return false;}return true;
}// 远程 bash
std::string ExecCommand(const std::string& request)
{// 1.安全检查if(!checkSafe(request))return "Non-safety instructions, refusal to execute!";// 2.获取执行结果FILE* fp = popen(request.c_str(), "r");if(fp == NULL)return "Can't execute command!";// 3.将结果读取至字符串中std::string ret;char buffline[1024]; // 行缓冲区while (fgets(buffline, sizeof(buffline), fp) != NULL){// 将每一行结果，添加至 ret 中ret += buffline;}// 4.关闭文件流fclose(fp);// 5.返回最终执行结果return ret;
}int main()
{unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer(ExecCommand));// 初始化服务器usvr->InitServer();// 启动服务器usvr->StartServer();return 0;
}

可以看到，输入安全指令时，可以正常获取结果，如果输入的是非安全指令，会直接拒绝执行

诸如 cd 这种指令称为 内建命令，是需要特殊处理的，所以这里才会执行失败，关于如何处理可以跳转至这篇博客查看 《Linux模拟实现【简易版bash】》

平时使用的 Xshell 本质上就是这样一款网络程序，我们将指令发给 Xshell 服务器，它再以类似于 fopen 的方式转发给服务器，获取执行结果后展示给用户

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5.多人聊天室

5.1.核心功能

这是基于 UDP 协议实现的最后一个网络程序，主要功能是 构建一个多人聊天室，当某个用户发送消息时，其他用户可以立即收到，形成一个群聊

在这个程序中，服务器扮演了一个接收消息和分发消息的角色，将消息发送给已知的用户主机

5.2.程序结构

将服务器接收消息看作生产商品、分发消息看作消费商品，这不就是一个生动形象的 「生产者消费者模型」 吗？

「生产者消费者模型」 必备 321

• 3：三组关系
• 2：两个角色
• 1：一个交易场所

其中两个角色可以分别创建两个线程，一个负责接收消息，放入 「生产者消费者模型」，另一个则是负责从 「生产者消费者模型」 中拿去消息，分发给用户主机

这里的交易场所可以选则 阻塞队列，也可以选择 环形队列

关于 「生产者消费者模型」 的更多知识详见 《Linux多线程【生产者消费者模型】》

注意： 并非只有客户端 A 可以向环形队列中放消息，所有客户端主机的地位都是平等的，允许存放消息，也允许接收别人发的消息

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服务器

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5.3.引入环形队列

在引入 「生产者消费者模型」 后，服务器头文件结构将会变成下面这个样子

• 启动服务器，原初始化服务器、启动线程
• 接收消息，将收到的消息存入环形队列
• 发送消息，从环形队列中获取消息，并派发给线程

接下来包含环形队列 RingQueue.hpp 相关头文件（具体实现详见 《Linux多线程【生产者消费者模型】》中的环形队列）

这里实现的是多人聊天室，也就不再需要传入回调函数了

server.hpp 服务器头文件

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cstdlib>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"
#include "RingQueue.hpp"namespace nt_server
{// 端口号默认值const uint16_t default_port = 8888;class UdpServer{public:// 构造UdpServer(uint16_t port = default_port):port_(port){}// 析构~UdpServer(){} // 初始化服务器void StartServer(){// 1.创建套接字sock_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sock_ == -1){std::cout << "Create Socket Fail: " << strerror(errno) << std::endl;exit(SOCKET_ERR);}// 创建成功std::cout << "Create Success Socket: " << sock_ << std::endl;// 2.绑定IP地址和端口号struct sockaddr_in local;bzero(&local, sizeof(local)); // 置0// 填充字段local.sin_family = AF_INET; // 设置为网络通信（PF_INET 也行）local.sin_port = htons(port_); // 主机序列转为网络序列// local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str()); // 点分十进制转为短整数，再将主机序列转为网络序列local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任何可用IP地址// 绑定IP地址和端口号if(bind(sock_, (const sockaddr*)&local, sizeof(local))){std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl;exit(BIND_ERR);}// 绑定成功std::cout << "Bind IP&&Port Success" << std::endl;}// 接收消息void RecvMessage(){// 服务器是不断运行的，所以需要使用一个 while(true) 死循环char buff[1024]; // 缓冲区while(true){// 1. 接收消息struct sockaddr_in peer; // 客户端结构体socklen_t len = sizeof(peer); // 客户端结构体大小// 传入 sizeof(buff) - 1 表示当前传输的是字符串，预留一个位置存储 '\0'// 传入 0 表示当前是阻塞式读取ssize_t n = recvfrom(sock_, buff, sizeof(buff) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);if(n > 0)buff[n] = '\0';elsecontinue; // 继续读取// 2.处理数据std::string clientIp = inet_ntoa(peer.sin_addr); // 获取IP地址uint16_t clientPort = ntohs(peer.sin_port); // 获取端口号printf("Server get message from [%s:%d]$ %s\n",clientIp.c_str(), clientPort, buff);// 3.判断是否该添加用户// TODO// 4.将消息添加至环形队列std::string msg = "[" + clientIp + ":" + std::to_string(clientPort) + "] say# " + buff;rq_.Push(msg);}}// 广播消息void BroadcastMessage(){while(true){// 1.从环形队列中获取消息std::string msg;rq_.Pop(&msg);// 2.将消息发给用户// TODO}}private:int sock_; // 套接字uint16_t port_; // 端口号Yohifo::RingQueue<std::string> rq_; // 环形队列};
}

5.4.引入用户信息

在首次接收到某个用户的信息时，需要将其进行标识，以便后续在进行消息广播时分发给他

有点类似于用户首次发送消息，就被拉入了 “群聊”

目前可以使用 IP + Port 的方式标识用户，确保用户的唯一性，这里选取 unordered_map 这种哈希表结构，方便快速判断用户是否已存在

• key：用户标识符
• value：用户客户端的 sockaddr_in 结构体

注意： 这里的哈希表后面会涉及多线程的访问，需要加锁保护

为了方便起见，直接使用了之前编写的 LockGuard.hpp 小组件（具体实现详见《Linux多线程【线程互斥与同步】》）

server.hpp 服务器头文件

#pragma once// ...
#include <unordered_map>
// ...
#include "LockGuard.hpp"namespace nt_server
{// 端口号默认值const uint16_t default_port = 8888;class UdpServer{public:// 构造UdpServer(uint16_t port = default_port):port_(port){// 初始化互斥锁pthread_mutex_init(&mtx_, nullptr);}// 析构~UdpServer(){// 销毁互斥锁pthread_mutex_destroy(&mtx_);} // 初始化服务器void StartServer(){// ...}// 接收消息void RecvMessage(){// 服务器是不断运行的，所以需要使用一个 while(true) 死循环char buff[1024]; // 缓冲区while(true){// 1. 接收消息// ...// 2.处理数据// ...// 3.判断是否该添加用户std::string user = clientIp + "-" + std::to_string(clientPort);{// 需要加锁保护LockGuard lockguard(&mtx_);if(userTable_.count(user) == 0)userTable_[user] = peer; // 首次出现，需要添加}// 4.将消息添加至环形队列// ...}}// 广播消息void BroadcastMessage(){while(true){// 1.从环形队列中获取消息// ...// 2.将消息发给用户std::vector<sockaddr_in> arr;{// 从哈希表中读取信息时，需要保护LockGuard lockguard(&mtx_);for(auto &user : userTable_)arr.push_back(user.second);}for(auto &addr : arr){// 发送消息sendto(sock_, msg.c_str(), msg.size(), 0, (const sockaddr*)&addr, sizeof(addr));}}}private:// ...std::unordered_map<std::string, struct sockaddr_in> userTable_; // <用户标识符, sockaddr_in 结构体>pthread_mutex_t mtx_; // 互斥锁，保护哈希表};
}

这里的实现有一个小细节：在进行广播消息时，先在加锁的情况下，将用户的 sockaddr_in 结构体存储，在遍历发送消息

这样做的好处在于可以在一定程度上提高通信效率，因为 sendto 函数涉及 IO 操作，IO 本来就很慢，加锁后就会更慢了，先在加锁情况下将用户 sockaddr_in 结构体保存后，再遍历发送消息就无需加锁了（因为此时没有涉及临界资源的操作）

5.5.引入多线程

最后引入 「生产者消费者」 模型中的两种角色：生产者、消费者，也就是两个线程，原生线程库的操作有点麻烦了，我们同样可以搬出之前实现的小组件 Thread.hpp，更加轻松的实现线程操作（具体实现详见《Linux多线程【线程互斥与同步】》）

如何引入多线程？
创建两个线程 A、B，将接收消息作为线程 A 的回调函数，广播消息作为线程 B 的回调函数，当两个线程都运行后，整个模型也就动起来了

为了使我们当前服务器的函数对象能成功绑定至 Thread 对象，需要修改 Thread 类（使用 function 包装器）

Thread.hpp 线程库类

// ...// 参数、返回值为 void 的函数类型
// typedef void (*func_t)(void*);
using func_t = std::function<void(void*)>;  // 使用包装器设定函数类型// ...

因为当前涉及了多线程相关操作，在编译代码时，需要指明使用 pthread 库，将 Makefile 内容更新如下

Makefile

.PHONY:all
all:server clientserver:server.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthreadclient:client.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread.PHONY:clean
clean:rm -rf server client

server.hpp 服务器头文件

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_map>
#include <functional>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cstdlib>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"
#include "RingQueue.hpp"
#include "LockGuard.hpp"
#include "Thread.hpp"namespace nt_server
{// 端口号默认值const uint16_t default_port = 8888;class UdpServer{public:// 构造UdpServer(uint16_t port = default_port):port_(port){// 初始化互斥锁pthread_mutex_init(&mtx_, nullptr);// 创建线程// 注意：因为类内成员有隐含的 this 指针，需要借助 bind 固定该参数producer_ = new Thread(1, std::bind(&UdpServer::RecvMessage, this));consumer_ = new Thread(2, std::bind(&UdpServer::BroadcastMessage, this));}// 析构~UdpServer(){// 等待线程运行结束producer_->join();consumer_->join();// 销毁互斥锁pthread_mutex_destroy(&mtx_);// 释放对象delete producer_;delete consumer_;} // 初始化服务器void StartServer(){// 1.创建套接字sock_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sock_ == -1){std::cout << "Create Socket Fail: " << strerror(errno) << std::endl;exit(SOCKET_ERR);}// 创建成功std::cout << "Create Success Socket: " << sock_ << std::endl;// 2.绑定IP地址和端口号struct sockaddr_in local;bzero(&local, sizeof(local)); // 置0// 填充字段local.sin_family = AF_INET; // 设置为网络通信（PF_INET 也行）local.sin_port = htons(port_); // 主机序列转为网络序列// local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str()); // 点分十进制转为短整数，再将主机序列转为网络序列local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 绑定任何可用IP地址// 绑定IP地址和端口号if(bind(sock_, (const sockaddr*)&local, sizeof(local))){std::cout << "Bind IP&&Port Fail: " << strerror(errno) << std::endl;exit(BIND_ERR);}// 绑定成功std::cout << "Bind IP&&Port Success" << std::endl;// 启动线程producer_->run();consumer_->run();}// 接收消息void RecvMessage(){// 服务器是不断运行的，所以需要使用一个 while(true) 死循环char buff[1024]; // 缓冲区while(true){// 1. 接收消息struct sockaddr_in peer; // 客户端结构体socklen_t len = sizeof(peer); // 客户端结构体大小// 传入 sizeof(buff) - 1 表示当前传输的是字符串，预留一个位置存储 '\0'// 传入 0 表示当前是阻塞式读取ssize_t n = recvfrom(sock_, buff, sizeof(buff) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);if(n > 0)buff[n] = '\0';elsecontinue; // 继续读取// 2.处理数据std::string clientIp = inet_ntoa(peer.sin_addr); // 获取IP地址uint16_t clientPort = ntohs(peer.sin_port); // 获取端口号printf("Server get message from [%s:%d]$ %s\n",clientIp.c_str(), clientPort, buff);// 3.判断是否该添加用户std::string user = clientIp + "-" + std::to_string(clientPort);{// 需要加锁保护LockGuard lockguard(&mtx_);if(userTable_.count(user) == 0)userTable_[user] = peer; // 首次出现，需要添加}// 4.将消息添加至环形队列std::string msg = "[" + clientIp + ":" + std::to_string(clientPort) + "] say# " + buff;rq_.Push(msg);}}// 广播消息void BroadcastMessage(){while(true){// 1.从环形队列中获取消息std::string msg;rq_.Pop(&msg);// 2.将消息发给用户std::vector<sockaddr_in> arr;{// 从哈希表中读取信息时，需要保护LockGuard lockguard(&mtx_);for(auto &user : userTable_)arr.push_back(user.second);}for(auto &addr : arr){// 发送消息sendto(sock_, msg.c_str(), msg.size(), 0, (const sockaddr*)&addr, sizeof(addr));}}}private:int sock_; // 套接字uint16_t port_; // 端口号Yohifo::RingQueue<std::string> rq_; // 环形队列std::unordered_map<std::string, struct sockaddr_in> userTable_; // <用户标识符, sockaddr_in 结构体>pthread_mutex_t mtx_; // 互斥锁，保护哈希表Thread* producer_; // 生产者Thread* consumer_; // 消费者};
}

以上就是 多人聊天室 中 server.hpp 服务器头文件的全部设计了，至于 server.cc 服务器源文件，几乎不用修改

server.cc 服务器源文件

#include <string>
#include <vector>
#include <memory> // 智能指针相关头文件
#include <cstdio>
#include "server.hpp"using namespace std;
using namespace nt_server;int main()
{unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer());// 启动服务器usvr->StartServer();return 0;
}

接下来编译并运行程序，可以看到此时有三个线程在运行（一个 server 主线程，一个生产者线程，一个消费者线程）

分别使用两台主机运行客户端，可以看到主机 A 确实可以看到主机 B 发送的信息，不过问题在于 无法实时更新消息，需要自己发送消息后，才能看到别人发的消息

出现这种情况的原因是 客户端只有一个线程，发送消息的后，才能接收消息， 这就很尴尬了，假设这个群聊里有十个用户，那用户 A 岂不是自己至少得发送 9 条消息，才能看到其他九位用户之前发送的消息

所以客户端也需要多线程化，接下来就是对客户端的改造

---

客户端

---

5.6.多线程化

有了之前 server.hpp 服务器头文件多线程化的经验后，改造 client.hpp 客户端头文件就很简单了，同样是创建两个线程，一个负责发送消息，一个负责接收消息

这里同样使用 Thread.hpp 线程类

client.hpp 客户端头文件

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cstdlib>
#include <strings.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"
#include "Thread.hpp"
#include "LockGuard.hpp"namespace nt_client
{class UdpClient{public:// 构造UdpClient(const std::string& ip, uint16_t port):server_ip_(ip), server_port_(port){// 创建线程recv_ = new Thread(1, std::bind(&UdpClient::RecvMessage, this));send_ = new Thread(2, std::bind(&UdpClient::SendMessage, this));}// 析构~UdpClient() {// 等待线程退出recv_->join();send_->join();delete (recv_);delete (send_);} // 启动客户端void StartClient() {// 1.创建套接字sock_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if(sock_ == -1){std::cout << "Create Socket Fail: " << strerror(errno) << std::endl;exit(SOCKET_ERR);}std::cout << "Create Success Socket: " << sock_ << std::endl;// 2.构建服务器的 sockaddr_in 结构体信息bzero(&svr_, sizeof(svr_));svr_.sin_family = AF_INET; // 设置为网络通信（PF_INET 也行）svr_.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip_.c_str()); // 绑定服务器IP地址svr_.sin_port = htons(server_port_); // 绑定服务器端口号// 启动线程recv_->run();send_->run();}// 发送消息void RecvMessage() {while(true){// 发送消息std::string msg;std::cout << "Input Message# ";std::getline(std::cin, msg);ssize_t n = sendto(sock_, msg.c_str(), msg.size(), 0, (const struct sockaddr*)&svr_, sizeof(svr_));if(n == -1){std::cout << "Send Message Fail: " << strerror(errno) << std::endl;continue; // 重新输入消息并发送}}}// 接收消息void SendMessage(){char buff[1024];while(true){// 2.接收消息socklen_t len = sizeof(svr_); // 创建一个变量，因为接下来的参数需要传左值ssize_t n = recvfrom(sock_, buff, sizeof(buff) - 1, 0, (struct sockaddr*)&svr_, &len);if(n > 0)buff[n] = '\0';elsecontinue;std::cout << "Client get message " << buff << std::endl;}}private:std::string server_ip_; // 服务器IP地址uint16_t server_port_; // 服务器端口号int sock_;struct sockaddr_in svr_; // 服务器的sockadder_in结构体信息Thread* recv_; // 发送消息Thread* send_; // 接收消息};
}

client.cc 客户端源文件

#include <iostream>
#include <memory>
#include <memory>
#include "client.hpp"using namespace std;
using namespace nt_client;void Usage(const char* program)
{cout << "Usage:" << endl;cout << "\t" << program << " ServerIP ServerPort" << endl;
}int main(int argc, char* argv[])
{if (argc != 3){// 错误的启动方式，提示错误信息Usage(argv[0]);return USAGE_ERR;}std::string ip = argv[1];uint16_t port = stoi(argv[2]);unique_ptr<UdpClient> usvr(new UdpClient(ip, port));// 启动客户端usvr->StartClient();return 0;
}

客户端改造完成后，再次服务器与客户端，可以看到现在已经正常了，多人聊天室 构建完毕

注：因为客户端发送消息、接收消息使用的是同一个文件描述符，属于临界资源，所以显示时出现问题很正常

关于输入、输出消息剥离的问题，可以利用标准输出、标准错误 + 管道的方式进行区分，限于篇幅原因，这里不再阐述

至此基于 UDP 协议实现的多个网络程序都已经编写完成了，尤其是 多人聊天室，如果加上简单的图形化界面（比如 EasyX、EGE），就是一个简易版的 QQ 群聊

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🌨️总结

以上就是本次关于 网络编程『socket套接字 ‖ 简易UDP网络程序』的全部内容了，在本文中首先学习了一批预备知识，包括 IP 地址、端口号、网络字节序等，然后学习 socket 套接字编程相关接口，学以致用，基于 UDP 协议实现了各种网络程序，小到字符串回响，大到多人聊天室，用到了之前系统学习的大部分知识，后面还会基于 TCP 编写网络程序，加深对 socket 套接字编程的理解

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网络基础『发展 ‖ 协议 ‖ 传输 ‖ 地址』