网络编程套接字(2): 简单的UDP网络程序

网络编程套接字(2): 简单的UDP网络程序

3. 简单的UDP网络程序

3.1 服务端创建

(1) 创建套接字

create an endpoint for communication: 创建用于通信的端点

头文件:
        #include <sys/types.h>         
        #include <sys/socket.h>

函数原型:
        int socket(int domain, int type, int protocol);

参数说明:
		第一个参数domain:   指定套接字的通信域
        第二个参数type:     指定套接字的服务类型(套接字的种类) 
        第三个参数protocol: 代表创建套接字的协议(默认为0), 给0,系统会自动判断是tcp还是udp

返回值: 
	    套接字创建成功: 返回一个文件描述符
        套接字创建失败: 返回-1, 并且设置错误码

关于socket参数详细介绍:

(1) domain: 指定套接字的通信域，相当于 struct sockaddr结构体的前16比特位(2字节)

domain的选项是以宏的形式给出的，我们直接选用即可。常用就是上面框住的两个：

• AF_UNIX，本地通信
• AF_INET（IPv4）或者 AF_INET6（IPv6），网络通信

(2) type: 指定套接字的服务类型

该参数的选项也是像domain一样以宏的形式给出，直接选用。常用的是上面两个:

• SOCK_STREAM: 基于TCP的网络通信，流式套接字，提供的是流式服务(对应TCP的特点：面向字节流)

• SOCK_DGRAM: 基于UDP的网络通信，套接字数据报，提供的用户数据报服务(对应UDP的特点：面向数据报)

(2) 绑定端口号

bind a name to socket：将名称绑定到套接字

头文件:
       #include <sys/types.h>          
       #include <sys/socket.h>

函数原型:
       int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr,  socklen_t addrlen);

参数说明:
	   第一个参数sockfd:  文件描述符, 即要绑定的套接字
	   第二个参数addr:    网络相关的结构体, 包含IP地址、端口号等
	   第三个参数addrlen: 传入结构体addr(第二个参数)的实际长度大小
           
返回值:
	   绑定成功: 返回0
	   绑定失败: 返回-1,并且设置错误码

参数addr的类型是：struct sockaddr *，也就是如图的结构体

我们需要做的就是：定义一个 sockaddr_in 的结构体，即上图的第二个结构体，然后对该结构体进行内容填充，填完就把给结构体传给第二个参数addr，需要强制类型转换

(3) sockaddr_in结构体

• __SOCKADDR_COMMON是一个宏

#define	__SOCKADDR_COMMON(sa_prefix) sa_family_t sa_prefix##family

sa_prefix：代表外面传入的参数sin_

sa_prefix##family：##代表合并拼接，意思是sa_prefix与family合并拼接

sa_prefix就是sin_，则sa_prefix##family表示sin_family

sa_family_t：代表16位整数

就是这16位地址类型

• sin_port： 是当前服务器需要绑定的端口号，它的类型是 in_port_t，代表16位的整数

• sin_addr: 代表IP地址，它的类型是一个in_addr的结构体，它里面的内容是32位的整数

1. 关于这个IP地址：我们要传入字符串风格的，但是这里需要4字节整数风格，所以需要转化，比如"1.1.1.1"-> uint32_t，问：能不能强转呢？
   不能强转, 强转只能改变类型, 不改变二进制构成

2. 我们转化完了还是本主机的4字节序列，需要网络序列，所以要将主机序列转化成为网络序列

上面的2步用 inet_addr函数就可以完成

3. 但是我们的云服务器,或者一款服务器,一般不要指明某一个确定的IP

所以这里的ip地址我们填 INADDR_ANY，这是一个宏，代表 0.0.0.0，叫做任意地址绑定

• sin_zero: 表示该结构体的填充字段(即上面讲的sin_family，sin_port，sin_addr.s_add)

总结: 未来使用这个函数时，需要所以填充：sin_family，sin_port，sin_addr.s_addr这3个字段，因为不关注其他字段，所以在填充之前需要对该结构体清空，我们可以采用 memset或 bzero函数来完成。

bind的作用：

上面如果我们只设置了sockaddr_in这个结构体，它只是在用户空间的特定函数栈帧上，不在内核中，所以bind的作用就是把文件字段进行绑定关联，这样这个文件就是网络文件

(4) 数据的接收与发送

接收

receive a message from a socket：从套接字接收消息

头文件: 
        #include <sys/types.h>
        #include <sys/socket.h>

函数原型:
		 ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr 							*src_addr, socklen_t *addrlen);

参数说明:
	     第一个参数sockfd: 文件描述符,就是上面我们绑定好的套接字
    	 第二个参数buf: 接收数据的缓冲区(自己定义)
         第三参数len:   缓冲区的长度
         第四个参数flags: 读取方式,默认设为0表示阻塞式读取
         第五个参数src_addr: (输入)对应套接字的接收缓冲区
         第六个参数addrlen：(输出)src_addr结构体的长度

返回值:
         成功: 返回实际读到的字节数
         失败: 失败返回-1，并设置错误码

socklen_t 是一个32位的无符号整数

• 参数src_addr与addrlen：输入输出型参数

• src_addr: 输入时传入对应套接字的接收缓冲区，输出时包含客户端的ip和port

• addrlen: 输入时传入对应套接字的接收缓冲区，输出时表示实际输出的结构体大小

我们做的是定义一个 sockaddr_in 的结构体，把结构体传给参数src_addr，需要强制类型转换

发送

send a message on a socket: 在套接字上发送消息

头文件:
		   #include <sys/types.h>
           #include <sys/socket.h>

函数原型:
		   ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,
                           const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
参数说明:
			
           第一个参数sockfd: 文件描述符，从哪个套接字去发送消息
           第二个参数buf: 发送数据的缓冲区
           第三参数len: 要发送的数据长度
           第四个参数flags：发送方式,默认设为0表示阻塞式发送
           第五个参数dest_addr：下面解释
           第六个参数addrlen：dest_addr结构体的长度

返回值:
		   成功: 实际发送的字节数
		   失败: 失败返回-1，并设置错误码

• dest_addr和addrlen 是一个输入型参数

• dest_addr：指向目的地址的结构体指针，表示要发给谁

• addrlen：表示目的地址结构体的长度

我们做的是定义一个 sockaddr_in 的结构体，然后对该结构体进行内容填充，填完就把给结构体传给dest_addr**，需要强制类型转换**

3.2 客户端创建

还是3步：创建套接字，bind(不需要自己绑定，由OS自动分配)，处理数据接收与发送

3.3 代码编写

这里一共提供5个版本的udp代码

err.hpp：这个代码是公用的后续不在给出

#pragma once
enum
{
    USAGE_ERR=1,
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR,
};

(1) v1_简单发送消息

客户端向服务端发送消息，服务端收到后再把消息发回给客户端

udp_server.hpp

#include<iostream>
#include<memory>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<cstdlib>
#include"err.hpp"
using namespace std;


namespace ns_server
{

    const static uint16_t default_port=8080;

    class Udpserver
    {
    public:
        Udpserver(uint16_t port=default_port)
            :port_(port)
        {
            cout<<"server addr: "<<port_<<endl;
        }

        void InitServer()
        {
            // 1. 创建socket接口, 打开网络文件(本质)
            sock_=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
            if(sock_<0)
            {
                cerr<<"create socket error: "<<strerror(errno)<<endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            cout<<"create socket success: "<<sock_<<endl;   // sock_ = 3

            // 2. 给服务器指明IP地址和Port端口号

            // 填充一下服务器的IP和Port
            struct sockaddr_in local;     // 里面有很多字段  local是在用户空间的特定函数栈帧上,不在内核中!
            
            // 清空local
            bzero(&local,sizeof(local));  // 用memset也可以

            // 填充sockaddr_in结构
            local.sin_family=AF_INET;
            local.sin_port=htons(port_);         // 端口号要出现在网络中, 主机序列转网络序列

            // 使用 inet_addr就可以做下面两件事情:
            // (1) 字符串风格的IP地址,转换成为4字节int  --- 不能强转, 强转只能改变类型, 不改变二进制构成
            // (2) 需要将主机序列转化成为网络序列

            // (3)云服务器,或者一款服务器,一般不要指明某一个确定的IP
            local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;   // 让我们的udp_server在启动的时候, bind本主机上的任意IP    

            // 把套接字字段和文件字段进行关联  --- 网络文件
            int n=bind(sock_,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));    
            if(n<0)
            {
                cerr<<"bind socket error: "<<strerror(errno)<<endl;
                exit(BIND_ERR);
            }
            cout<<"bind socket success: "<<sock_<<endl;   

        }

        void Start()
        {
            char buffer[1024];       // 保存用户数据的缓冲区
            while(true)
            {
                // 收到来自客户端发送的消息

                struct sockaddr_in peer;          // 远端
                socklen_t len = sizeof(peer);     // 这里一定要写清楚, 未来你传入的缓冲区大小
                // 假设消息是字符串, -1是为缓冲区预留一个空间,方便添加'\0'
                int n = recvfrom(sock_,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,                                  &len);  
                
                if(n>0)    // 读取数据成功
                    buffer[n]='\0';
                else
                    continue;

                // 提取client信息   --- debug
                string clientip=inet_ntoa(peer.sin_addr); // 把4字节对应的IP转化成字符串风格的
                uint16_t clientport=ntohs(peer.sin_port);  // 网络序列转主机序列
                cout<< clientip << "-" <<clientport<< "# "<<buffer<<endl;

                // 把消息发给别人

                // 网络套接字本质是文件, 往文件中写入时\0并不需要写到文件中, \0是C语言的规定
                // 谁给我发的, 我就把消息转给谁
                // peer结构体字段是从网络中拿的, 本来就是网络序列, 直接发就行
                sendto(sock_,buffer,strlen(buffer),0,(struct sockaddr*)&peer, 		  	                        sizeof(peer));
            }
        }

        ~Udpserver()
        {}

    private:
        int sock_;         //套接字(文件描述符)
        uint16_t port_;    //端口号(本地主机序列构建的port)
    };
}

udp_server.cc

#include"udp_server.hpp"
using namespace ns_server;


// 运行格式: ./udp_server port

// 使用手册
static void usage(string proc)
{
    cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" port\n"<<endl;
}

int main(int argc,char*argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }

    uint16_t port=atoi(argv[1]);         //命令行参数转换成uint16_t类型

    unique_ptr<Udpserver> usvr(new Udpserver(port));

    usvr->InitServer();     // 服务器初始化

    usvr->Start();

    return 0;
}

udp_client.cc

#pragma once

#include<iostream>
#include"err.hpp"
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<cstring>
#include<string>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
using namespace std;

// 127.0.0.1 本地环回, 就表示当前的主机, 通常用来进行本地环回通信或者测试

static void usage(string proc)
{
    cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n" <<endl;
}

// udp_client serverip serverport
int main(int argc,char*argv[])
{
    if(argc !=3)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }

    // 拿到服务端的ip和端口号
    string serverip=argv[1];
    uint16_t serverport=atoi(argv[2]);

    // 1. 创建套接字
    int sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    if (sock < 0)
    {
        cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }

    // 2. 关于客户端的绑定
    // client这里要不要bind呢? 要的 socket通信的本质 [clienttip: clientport, serverip:        serverport]
    // 要不要自己bind呢? 不需要自己bind, 也不要自己bind, OS自动给我们进行bind --- 为什么?
    // client的port要随机让OS分配防止client出现启动冲突 
    // server的端口不能随意改变, 众所周知且不能随意改变的, 同一家公司的port号需要统一规范化

    // 明确服务器是谁
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server,0,sizeof(server));
    server.sin_family=AF_INET;
    server.sin_port=htons(serverport);     //主机序列转网络序列
    server.sin_addr.s_addr=inet_addr(serverip.c_str());

    // 3. 向服务器发送消息(这里暂时由用户充当)
    while(true)
    {
        // 用户输入
        string message;
        cout<< "please Enter# ";
        cin>>message;
    
        // 什么时候bind呢?
        // 在我们首次系统调用发送数据的时候,OS会在底层随机选择clientport+自己的IP, (1)bind (2)构建发送的数据报文

        // 发送
        sendto(sock,message.c_str(),message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server,                        sizeof(server));

        // 把消息再收回来(回显回来)

        char buffer[1024];
        struct sockaddr_in temp;
        socklen_t len =sizeof(temp);
        int n=recvfrom(sock,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&temp,&len);
        if(n>0)
        {
            buffer[n]='\0';
            cout<<"server echo# "<<buffer<<endl;
        }
    }
}

运行结果：

先运行服务端，再启动客户端，客户端先用本地环回进行测试，测试成功

运行程序后看到套接字是创建成功的，对应得到到的文件描述符是3，这也很好理解，因为0、1、2默认被标准输入流、标准输出流和标准错误流占用了，此时最小的、未被使用用的文件描述符就是3

(2) v2_小写转大写

v2在v1版本的基础增加了业务处理，上层使用了回调函数实现大小写转换

udp_server.hpp

#pragma once

#include<iostream>
#include<memory>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<cstdlib>
#include<functional>
#include"err.hpp"
using namespace std;


namespace ns_server
{

    const static uint16_t default_port=8080;
    using func_t =function<string(string)>;    //这是一个函数

    class Udpserver
    {
    public:
        Udpserver(func_t cb, uint16_t port=default_port)
            :service_(cb)
            ,port_(port)
        {
            cout<<"server addr: "<<port_<<endl;
        }

        void InitServer()
        {
            // 1. 创建socket接口, 打开网络文件(本质)
            sock_=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
            if(sock_<0)
            {
                cerr<<"create socket error: "<<strerror(errno)<<endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            cout<<"create socket success: "<<sock_<<endl;   // sock_ = 3

            // 2. 给服务器指明IP地址和Port端口号

            // 填充一下服务器的IP和Port
            struct sockaddr_in local;     // 里面有很多字段  local是在用户空间的特定函数栈帧上,不在内核中!
            
            // 清空local
            bzero(&local,sizeof(local));  // 用memset也可以

            // 填充sockaddr_in结构
            local.sin_family=AF_INET;
            local.sin_port=htons(port_);         // 端口号要出现在网络中, 主机序列转网络序列

            // 使用 inet_addr就可以做下面两件事情:
            // (1) 字符串风格的IP地址,转换成为4字节int  --- 不能强转, 强转只能改变类型, 不改变二进制构成
            // (2) 需要将主机序列转化成为网络序列

            // (3)云服务器,或者一款服务器,一般不要指明某一个确定的IP
            local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;   // 让我们的udp_server在启动的时候, bind本主机上的任意IP    

            // 把套接字字段和文件字段进行关联  --- 网络文件
            int n=bind(sock_,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));    
            if(n<0)
            {
                cerr<<"bind socket error: "<<strerror(errno)<<endl;
                exit(BIND_ERR);
            }
            cout<<"bind socket success: "<<sock_<<endl;   

        }

        void Start()
        {
            char buffer[1024];       // 保存用户数据的缓冲区
            while(true)
            {
                // 收到来自客户端发送的消息

                struct sockaddr_in peer;                 // 远端
                socklen_t len = sizeof(peer);             // 这里一定要写清楚, 未来你传入的缓冲区大小
                // 假设消息是字符串, -1是为缓冲区预留一个空间,方便添加'\0'
                int n = recvfrom(sock_,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,                                  &len);  
                
                if(n>0)    // 读取数据成功
                    buffer[n]='\0';
                else
                    continue;

                // 提取client信息   --- debug
                string clientip=inet_ntoa(peer.sin_addr); // 把4字节对应的IP转化成字符串风格的
                uint16_t clientport=ntohs(peer.sin_port);  // 网络序列转主机序列
                cout<< clientip << "-" <<clientport<< "# "<<buffer<<endl;


                // 做业务处理
                string response=service_(buffer);

                // 把消息发给别人

                // 网络套接字本质是文件, 往文件中写入时\0并不需要写到文件中, \0是C语言的规定
                // 谁给我发的, 我就把消息转给谁
                // peer结构体字段是从网络中拿的, 本来就是网络序列, 直接发就行
                sendto(sock_,response.c_str(),response.size(),0,(struct sockaddr*)&peer, 						sizeof(peer));
            }
        }

        ~Udpserver()
        {}

    private:
        int sock_;         //套接字(文件描述符)
        uint16_t port_;    //端口号(本地主机序列构建的port)
        func_t service_;    //我们的网络服务器刚刚解决的是网络IO的问题, 要进行业务处理(一个类内的回调方法)
    };
}

udp_server.cc

#include"udp_server.hpp"
using namespace ns_server;


// 运行格式: ./udp_server port

// 使用手册
static void usage(string proc)
{
    cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" port\n"<<endl;
}

// 上层的业务处理, 不关心网络发送, 只负责信息处理即可

// 这里是小写转大写
string transactionString(string request)   // request就是一个字符串
{
    string ret;
    char c;
    for(auto&r:request)
    {
        if(islower(r))
        {
            c=toupper(r);
            ret.push_back(c);
        }
        else
        {
            ret.push_back(r);
        }
    }
    return ret;
}
int main(int argc,char*argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }

    uint16_t port=atoi(argv[1]);         //命令行参数转换成uint16_t类型

    unique_ptr<Udpserver> usvr(new Udpserver(transactionString,port));

    usvr->InitServer();     // 服务器初始化

    usvr->Start();

    return 0;
}

udp_client.cc

#pragma once

#include<iostream>
#include"err.hpp"
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<cstring>
#include<string>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
using namespace std;

// 127.0.0.1 本地环回, 就表示当前的主机, 通常用来进行本地环回通信或者测试

static void usage(string proc)
{
    cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n" <<endl;
}

// udp_client serverip serverport
int main(int argc,char*argv[])
{
    if(argc !=3)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }

    // 拿到服务端的ip和端口号
    string serverip=argv[1];
    uint16_t serverport=atoi(argv[2]);

    // 1. 创建套接字
    int sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    if (sock < 0)
    {
        cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }

    // 2. 关于客户端的绑定
    // client这里要不要bind呢? 要的 socket通信的本质 [clienttip: clientport, serverip:        		serverport]
    // 要不要自己bind呢? 不需要自己bind, 也不要自己bind, OS自动给我们进行bind --- 为什么?
    // client的port要随机让OS分配防止client出现启动冲突 
    // server的端口不能随意改变, 众所周知且不能随意改变的, 同一家公司的port号需要统一规范化

    // 明确服务器是谁
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server,0,sizeof(server));
    server.sin_family=AF_INET;
    server.sin_port=htons(serverport);     //主机序列转网络序列
    server.sin_addr.s_addr=inet_addr(serverip.c_str());

    // 3. 向服务器发送消息(这里暂时由用户充当)
    while(true)
    {
        // 用户输入
        string message;
        cout<< "please Enter# ";
        cin>>message;
    
        // 什么时候bind呢?
        // 在我们首次系统调用发送数据的时候,OS会在底层随机选择clientport+自己的IP, (1)bind (2)构建发送的数据报文

        // 发送
        sendto(sock,message.c_str(),message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server,                        sizeof(server));

        // 把消息再收回来(回显回来)

        char buffer[1024];
        struct sockaddr_in temp;
        socklen_t len =sizeof(temp);
        int n=recvfrom(sock,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&temp,&len);
        if(n>0)
        {
            buffer[n]='\0';
            cout<<"server echo# "<<buffer<<endl;
        }
    }
}

运行结果：

(3) v3_模拟命令行解释器

v3是在v2原有的业务处理下修改了功能，只要我们在客户端输入命令服务端就会返回运行结果，popen函数可以实现简单的命令行解释

udp_server.hpp

#pragma once

#include<iostream>
#include<memory>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<cstdlib>
#include<functional>
#include"err.hpp"
using namespace std;

namespace ns_server
{
    const static uint16_t default_port=8080;
    using func_t =function<string(string)>;    //这是一个函数

    class Udpserver
    {
    public:
        Udpserver(func_t cb, uint16_t port=default_port)
            :service_(cb)
            ,port_(port)
        {
            cout<<"server addr: "<<port_<<endl;
        }

        void InitServer()
        {
            // 1. 创建socket接口, 打开网络文件(本质)
            sock_=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
            if(sock_<0)
            {
                cerr<<"create socket error: "<<strerror(errno)<<endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            cout<<"create socket success: "<<sock_<<endl;   // sock_ = 3

            // 2. 给服务器指明IP地址和Port端口号

            // 填充一下服务器的IP和Port
            struct sockaddr_in local;     // 里面有很多字段  local是在用户空间的特定函数栈帧上,不在内核中!
            
            // 清空local
            bzero(&local,sizeof(local));  // 用memset也可以

            // 填充sockaddr_in结构
            local.sin_family=AF_INET;
            local.sin_port=htons(port_);         // 端口号要出现在网络中, 主机序列转网络序列

            // 使用 inet_addr就可以做下面两件事情:
            // (1) 字符串风格的IP地址,转换成为4字节int  --- 不能强转, 强转只能改变类型, 不改变二进制构成
            // (2) 需要将主机序列转化成为网络序列

            // (3)云服务器,或者一款服务器,一般不要指明某一个确定的IP
            local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;   // 让我们的udp_server在启动的时候, bind本主机上的任意IP    

            // 把套接字字段和文件字段进行关联  --- 网络文件
            int n=bind(sock_,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));    
            if(n<0)
            {
                cerr<<"bind socket error: "<<strerror(errno)<<endl;
                exit(BIND_ERR);
            }
            cout<<"bind socket success: "<<sock_<<endl;   

        }


        void Start()
        {
            char buffer[1024];       // 保存用户数据的缓冲区
            while(true)
            {
                // 收到来自客户端发送的消息

                struct sockaddr_in peer;                 // 远端
                socklen_t len = sizeof(peer);             // 这里一定要写清楚, 未来你传入的缓冲区大小
                // 假设消息是字符串, -1是为缓冲区预留一个空间,方便添加'\0'
                int n = recvfrom(sock_,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,                                  &len);  
                
                if(n>0)    // 读取数据成功
                    buffer[n]='\0';
                else
                    continue;

                // 提取client信息   --- debug
                string clientip=inet_ntoa(peer.sin_addr); // 把4字节对应的IP转化成字符串风格的
                uint16_t clientport=ntohs(peer.sin_port);  // 网络序列转主机序列
                cout<< clientip << "-" <<clientport<< "# "<<buffer<<endl;

                // 做业务处理
                string response=service_(buffer);

                // 把消息发给别人

                // 网络套接字本质是文件, 往文件中写入时\0并不需要写到文件中, \0是C语言的规定
                // 谁给我发的, 我就把消息转给谁
                // peer结构体字段是从网络中拿的, 本来就是网络序列, 直接发就行
                sendto(sock_,response.c_str(),response.size(),0,(struct sockaddr*)&peer, 						sizeof(peer));
            }
        }

        ~Udpserver()
        {}

    private:
        int sock_;         //套接字(文件描述符)
        uint16_t port_;    //端口号(本地主机序列构建的port)
        func_t service_;    //我们的网络服务器刚刚解决的是网络IO的问题, 要进行业务处理(一个类内的回调方法)
    };
}

udp_server.cc

#include"udp_server.hpp"
using namespace ns_server;


// 运行格式: ./udp_server port

// 使用手册
static void usage(string proc)
{
    cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" port\n"<<endl;
}

// 上层的业务处理, 不关心网络发送, 只负责信息处理即可
static bool isPass(string &command)
{
    auto pos=command.find("rm");
    if(pos!=string::npos) return false;
    pos=command.find("mv");
    if(pos!=string::npos) return false;
    pos=command.find("while");
    if(pos!=string::npos) return false;
    pos=command.find("kill");
    if(pos!=string::npos) return false;

    return true;
}

// 让同学们, 在你的本地把命令给我, server再把结果给你!
string excuteCommand(string command)   // command就是一个命令
{
    // 1. 安全检查
    if(!isPass(command))
        return "you are a bad man";

    // 2. 业务逻辑处理
    FILE*fp=popen(command.c_str(),"r");
    if(fp==nullptr)
        return "None";

    // 3. 获取结果
    char line[1024];
    string ret;
    while(fgets(line,sizeof(line),fp)!=NULL)
    {
        ret+=line;
    }
    pclose(fp);

    return ret;
}

int main(int argc,char*argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }

    uint16_t port=atoi(argv[1]);         //命令行参数转换成uint16_t类型

    unique_ptr<Udpserver> usvr(new Udpserver(excuteCommand,port));

    usvr->InitServer();     // 服务器初始化

    usvr->Start();

    return 0;
}

udp_server.cc

#pragma once

#include<iostream>
#include"err.hpp"
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<cstring>
#include<string>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
using namespace std;


// 127.0.0.1 本地环回, 就表示当前的主机, 通常用来进行本地环回通信或者测试

static void usage(string proc)
{
    cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n" <<endl;
}

// udp_client serverip serverport
int main(int argc,char*argv[])
{
    if(argc !=3)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }

    // 拿到服务端的ip和端口号
    string serverip=argv[1];
    uint16_t serverport=atoi(argv[2]);

    // 1. 创建套接字
    int sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    if (sock < 0)
    {
        cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }

    // 2. 关于客户端的绑定
    // client这里要不要bind呢? 要的 socket通信的本质 [clienttip: clientport, serverip: serverport]
    // 要不要自己bind呢? 不需要自己bind, 也不要自己bind, OS自动给我们进行bind --- 为什么?
    // client的port要随机让OS分配防止client出现启动冲突 
    // server的端口不能随意改变, 众所周知且不能随意改变的, 同一家公司的port号需要统一规范化

    // 明确服务器是谁
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server,0,sizeof(server));
    server.sin_family=AF_INET;
    server.sin_port=htons(serverport);     //主机序列转网络序列
    server.sin_addr.s_addr=inet_addr(serverip.c_str());

    // 3. 向服务器发送消息(这里暂时由用户充当)
    while(true)
    {
        // 用户输入
        string message;
        cout<< "[遇健的服务器]# ";
        getline(cin,message);
    
        // 什么时候bind呢?
        // 在我们首次系统调用发送数据的时候,OS会在底层随机选择clientport+自己的IP, (1)bind (2)构建            发送的数据报文

        // 发送
        sendto(sock,message.c_str(),message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server,                       sizeof(server));

        // 把消息再收回来(回显回来)

        char buffer[2048];
        struct sockaddr_in temp;
        socklen_t len =sizeof(temp);
        int n=recvfrom(sock,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&temp,&len);
        if(n>0)
        {
            buffer[n]='\0';
            cout<<"server echo# "<<buffer<<endl;
        }

    }
}

运行结果：

(4) v4_多线程版本的群聊系统

v4在v3的基础上加入了之前写的生产消费者模型，多线程实现了群聊系统

LockGuard.hpp

#include<iostream>
#include<pthread.h>
using namespace std;

class Mutex   //自己不维护锁,由外部传入
{
public:
    Mutex(pthread_mutex_t* mutex)
        :_pmutex(mutex)
    {

    }

    void lock()
    {
        pthread_mutex_lock(_pmutex);
    }

    void unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(_pmutex);
    }

    ~Mutex()
    {}

private:
    pthread_mutex_t* _pmutex;   //锁的指针
};

class LockGuard  //自己不维护锁,由外部传入
{
public:
    LockGuard(pthread_mutex_t* mutex)
        :_mutex(mutex)
    {
        _mutex.lock();
    }

    ~LockGuard()
    {
        _mutex.unlock();
    }

private:
    Mutex _mutex;   //锁的指针
};

RingQueue.hpp

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<vector>
#include<time.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<semaphore.h>
#include<mutex>
using namespace std;

// 生产者和消费者要有自己的下标来表征生产和消费要访问哪个资源
static const int N=5;

template<class T>
class RingQueue
{
private:

    void P(sem_t &s)
    {
        sem_wait(&s);
    }

    void V(sem_t &s)
    {
        sem_post(&s);
    }

    void Lock(pthread_mutex_t &m)
    {
        pthread_mutex_lock(&m);
    }

    void Unlock(pthread_mutex_t &m)
    {
        pthread_mutex_unlock(&m);
    }

public:
    RingQueue(int num=N)
        :_ring(num)
        ,_cap(num)
    {
        sem_init(&_data_sem,0,0);
        sem_init(&_space_sem,0,num);
        _c_step=_p_step=0;

        pthread_mutex_init(&_c_mutex,nullptr);
        pthread_mutex_init(&_p_mutex,nullptr);
    }

    void push(const T&in)     // 对应生产者
    {
        // 1.信号量的好处:
        // 可以不用在临界区内部做判断, 就可以知道临界资源的使用情况

        // 2.什么时候用锁, 什么时候用sem? --- 你对应的临界资源, 是否被整体使用!

        // 生产 --- 先要申请信号量
        // 信号量申请成功 - 则一定能访问临界资源
        P(_space_sem);
        Lock(_p_mutex);
        // 一定要有对应的空间资源给我!不用做判断, 是哪一个资源给生产者呢
        _ring[_p_step++]=in;
        _p_step%=_cap;
        V(_data_sem);
        Unlock(_p_mutex);
    }

    void pop(T*out)           // 对应消费者
    {
        // 消费
        P(_data_sem);    // 1.   先申请信号量是为了更高效
        Lock(_c_mutex);  // 2. 
        *out=_ring[_c_step++];
        _c_step%=_cap;
        V(_space_sem);
        Unlock(_c_mutex);
    }

    ~RingQueue()
    {
        sem_destroy(&_data_sem);
        sem_destroy(&_space_sem);

        pthread_mutex_destroy(&_c_mutex);
        pthread_mutex_destroy(&_p_mutex);
    }
private:
    vector<T> _ring;
    int _cap;           // 环形队列容器大小
    sem_t _data_sem;    // 只有消费者关心
    sem_t _space_sem;   // 只有生产者关心
    int _c_step;        // 消费位置
    int _p_step;        // 生产位置

    pthread_mutex_t _c_mutex;
    pthread_mutex_t _p_mutex;
};

udp_server.hpp

#include<iostream>
#include<memory>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<cstdlib>
#include<functional>
#include"err.hpp"
#include<unordered_map>
#include"ringQueue1.hpp"
#include"lockGuard.hpp"
#include"thread.hpp"
using namespace std;


// 群聊系统 --- 一个线程收消息, 一个线程发消息
// 标识一个客户端: ip+port , 使用unordered_map构建<ip+port, 客户端套接字>来表示某个用户发的消息

namespace ns_server
{

    const static uint16_t default_port=8080;
    using func_t =function<string(string)>;    //这是一个函数

    class Udpserver
    {
    public:
        Udpserver(uint16_t port=default_port)
            :port_(port)
        {
            cout<<"server addr: "<<port_<<endl;
            pthread_mutex_init(&_lock,nullptr);

            p=new Thread(1,bind(&Udpserver::Recv,this));
            c=new Thread(2,bind(&Udpserver::Broadcast,this));
        }

        void StartServer()
        {
            // 1. 创建socket接口, 打开网络文件(本质)
            sock_=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
            if(sock_<0)
            {
                cerr<<"create socket error: "<<strerror(errno)<<endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            cout<<"create socket success: "<<sock_<<endl;   // sock_ = 3

            // 2. 给服务器指明IP地址和Port端口号

            // 填充一下服务器的IP和Port
            struct sockaddr_in local;     // 里面有很多字段  local是在用户空间的特定函数栈帧上,不在内核中!
            
            // 清空local
            bzero(&local,sizeof(local));  // 用memset也可以

            // 填充sockaddr_in结构
            local.sin_family=AF_INET;
            local.sin_port=htons(port_);         // 端口号要出现在网络中, 主机序列转网络序列

            // 使用 inet_addr就可以做下面两件事情:
            // (1) 字符串风格的IP地址,转换成为4字节int  --- 不能强转, 强转只能改变类型, 不改变二进制构成
            // (2) 需要将主机序列转化成为网络序列

            // (3)云服务器,或者一款服务器,一般不要指明某一个确定的IP
            local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;   // 让我们的udp_server在启动的时候, bind本主机上的任意IP    

            // 把套接字字段和文件字段进行关联  --- 网络文件
            int n=bind(sock_,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));    
            if(n<0)
            {
                cerr<<"bind socket error: "<<strerror(errno)<<endl;
                exit(BIND_ERR);
            }
            cout<<"bind socket success: "<<sock_<<endl;   

            p->run();
            c->run();
        }

        void addUser(const string&name,const struct sockaddr_in&peer)
        {
            // online[name]=peer
            LockGuard lockguard(&_lock);
            auto iter=onlineuser.find(name);
            if(iter!=onlineuser.end())        // 存在(找到了)直接返回
                return;

            onlineuser.insert(make_pair(name,peer));   // 不存在(没找到)就插入
        }

        void Recv()
        {
            char buffer[1024];       // 保存用户数据的缓冲区
            while(true)
            {
                // 收到来自客户端发送的消息

                struct sockaddr_in peer;                 // 远端
                socklen_t len = sizeof(peer);             // 这里一定要写清楚, 未来你传入的缓冲区大小
                // 假设消息是字符串, -1是为缓冲区预留一个空间,方便添加'\0'
                int n = recvfrom(sock_,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,                                  &len);  
                
                if(n>0)    // 读取数据成功
                    buffer[n]='\0';
                else
                    continue;

                // 提取client信息   --- debug
                string clientip=inet_ntoa(peer.sin_addr); // 把4字节对应的IP转化成字符串风格的
                uint16_t clientport=ntohs(peer.sin_port);  // 网络序列转主机序列
                cout<< clientip << "-" <<clientport<< "# "<<buffer<<endl;


                // 构建一个用户, 并检查
                string name=clientip;
                name+="-";
                name+=to_string(clientport);

                 // 构建哈希表来存储用户 - 如果不存在,就插入;如果存在,什么都不做
                addUser(name,peer);  

                string message=name+">>"+buffer;  

                _rq.push(message);    // 消息放入环形队列中
            }
        }


        // 发消息  --- 给所有在线用户
        void Broadcast()
        {
            while(true)
            {
                string sendstring;
                _rq.pop(&sendstring);    // 从环形队列中读到了消息   

                vector<struct sockaddr_in> v;   // 把需要发送的信息放到(拷贝)一个数组中<这是内存级的拷贝>
                {
                    LockGuard lockguard(&_lock);
                    for (auto user:onlineuser)
                    {
                        v.push_back(user.second);
                    }
                }
                for(auto user: v)
                {
                    sendto(sock_,sendstring.c_str(),sendstring.size(),0,(struct sockaddr*)&user,sizeof(user));
                    cout<<"send done ..."<<sendstring<<endl;
                }
            }
        }

        ~Udpserver()
        {
            pthread_mutex_destroy(&_lock);
            p->join();
            c->join();

            delete p;
            delete c;
        }

    private:
        int sock_;         //套接字(文件描述符)
        uint16_t port_;    //端口号(本地主机序列构建的port)
        unordered_map<string, struct sockaddr_in> onlineuser;   // 保存在线用户 --- 需要加锁保证安全
        pthread_mutex_t _lock;
        RingQueue<string> _rq;
        Thread*p;
        Thread*c;
    };
}

udp_server.cc

#include"udp_server.hpp"
using namespace ns_server;


// 运行格式: ./udp_server port

// 使用手册
static void usage(string proc)
{
    cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" port\n"<<endl;
}

// 上层的业务处理, 不关心网络发送, 只负责信息处理即可

int main(int argc,char*argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }

    uint16_t port=atoi(argv[1]);         //命令行参数转换成uint16_t类型

    unique_ptr<Udpserver> usvr(new Udpserver(port));

    usvr->StartServer();

    return 0;
}

udp_client.cc

#pragma once

#include<iostream>
#include"err.hpp"
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<cstring>
#include<string>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
using namespace std;

// 127.0.0.1 本地环回, 就表示当前的主机, 通常用来进行本地环回通信或者测试

static void usage(string proc)
{
    cout<<"usage:\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n" <<endl;
}


// udp_client serverip serverport
int main(int argc,char*argv[])
{
    if(argc !=3)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }

    // 拿到服务端的ip和端口号
    string serverip=argv[1];
    uint16_t serverport=atoi(argv[2]);

    // 1. 创建套接字
    int sock=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    if (sock < 0)
    {
        cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }

    // 2. 关于客户端的绑定
    // client这里要不要bind呢? 要的 socket通信的本质 [clienttip: clientport, serverip: serverport]
    // 要不要自己bind呢? 不需要自己bind, 也不要自己bind, OS自动给我们进行bind --- 为什么?
    // client的port要随机让OS分配防止client出现启动冲突 
    // server的端口不能随意改变, 众所周知且不能随意改变的, 同一家公司的port号需要统一规范化

    // 明确服务器是谁
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server,0,sizeof(server));
    server.sin_family=AF_INET;
    server.sin_port=htons(serverport);     //主机序列转网络序列
    server.sin_addr.s_addr=inet_addr(serverip.c_str());

    // 3. 向服务器发送消息(这里暂时由用户充当)
    while(true)
    {
        // 用户输入
        string message;
        cout<< "[遇健的服务器]# ";
        getline(cin,message);
    
        // 什么时候bind呢?
        // 在我们首次系统调用发送数据的时候,OS会在底层随机选择clientport+自己的IP, (1)bind (2)构建发送的数据报文

        // 发送
        sendto(sock,message.c_str(),message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server,                        sizeof(server));

        // 把消息再收回来(回显回来)

        char buffer[2048];
        struct sockaddr_in temp;
        socklen_t len =sizeof(temp);
        int n=recvfrom(sock,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&temp,&len);
        if(n>0)
        {
            buffer[n]='\0';
            cout<<"server echo# "<<buffer<<endl;
        }

    }
}

运行结果：

(5) v5_Windows与Linux配合聊天室

我们可以以Linux云服务器作为服务端，Windows作为客户端，在Windows下我们要修改成Windows下的接口，同时开放云服务器的端口号，使用v4版本的服务端代码

Windows下的客户端

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include<iostream>
#include<WinSock2.h>
#include<string>
#include<cstring>
using namespace std;

#pragma warning(disable:4996)
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

uint16_t serverport = 8080;
std::string serverip = "47.108.235.67";

//std::string serverip = "127.0.0.1";

int main()
{
    WSADATA WSAData;

    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &WSAData) != 0)
    {
        cerr << "init error" << endl;
        return -1;
    }

    SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    if (sock < 0)
    {
        cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << endl;
        exit(-2);
    }

    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(serverport);     //主机序列转网络序列
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str());
   
    // 3. 向服务器发送消息(这里暂时由用户充当)
    while (true)
    {
        // 用户输入
        string message;
        cout << "Please Enter Your Message# ";
        getline(cin, message);

        // 发送
        sendto(sock, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server,                      sizeof(server));

        char buffer[2048];
        struct sockaddr_in temp;
        int len = sizeof(temp);
        int n = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&temp,                           &len);
        if (n > 0)
        {
            buffer[n] = '\0';
            cout << buffer << endl;     // 往1号文件描述符输出
        }
    }
    closesocket(sock);
    WSACleanup();

    return 0;
}

运行结果：

文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-682635.html

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