【探索Linux】P.28（网络编程套接字 —— 简单的UDP网络程序模拟实现）

引言

在前一篇文章中，我们详细介绍了UDP协议和TCP协议的特点以及它们之间的异同点。本文将延续上文内容，重点讨论简单的UDP网络程序模拟实现。通过本文的学习，读者将能够深入了解UDP协议的实际应用，并掌握如何编写简单的UDP网络程序。让我们一起深入探讨UDP网络程序的实现细节，为网络编程的学习之旅添上一份精彩的实践经验。

一、UDP协议

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的、轻量级的网络传输协议，它提供了快速、简单的数据传输服务。下面是一个简单的UDP程序实现示例，包括一个UDP服务器和一个UDP客户端。详介绍可以看上一篇文章：UDP协议介绍 | TCP协议介绍 | UDP 和 TCP 的异同

二、UDP网络程序模拟实现

1. 预备代码

⭕makefile文件

.PHONY:all
all:udpserver udpclient

udpserver:Main.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
udpclient:UdpClient.cc
	g++ -o $@ $^ -lpthread -std=c++11


.PHONY:clean
clean:
	rm -f udpserver udpclient

这段代码是一个简单的 Makefile 文件，用于编译 UDP 服务器（udpserver）和 UDP 客户端（udpclient）的程序。在这个 Makefile 中定义了两个规则：

1. all：表示默认的目标，依赖于 udpserver 和 udpclient 目标，即执行 make 命令时会编译 udpserver 和 udpclient。
2. clean：用于清理生成的可执行文件 udpserver 和 udpclient。

在 Makefile 中使用了一些特殊的关键字和变量：

• .PHONY：声明 all 和 clean 是伪目标，不是真正的文件名。
• $@：表示目标文件名。
• $^：表示所有依赖文件列表。
• -std=c++11：指定 C++ 的编译标准为 C++11。
• -lpthread：链接 pthread 库，用于多线程支持。

⭕打印日志文件

#pragma once

#include <iostream>
#include <time.h>
#include <stdarg.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

#define SIZE 1024

#define Info 0
#define Debug 1
#define Warning 2
#define Error 3
#define Fatal 4

#define Screen 1
#define Onefile 2
#define Classfile 3

#define LogFile "log.txt"

class Log
{
public:
    Log()
    {
        printMethod = Screen; // 默认输出方式为屏幕打印
        path = "./log/"; // 默认日志文件存放路径
    }

    void Enable(int method)
    {
        printMethod = method; // 设置日志输出方式（屏幕、单个文件、分类文件）
    }

    std::string levelToString(int level)
    {
        switch (level)
        {
        case Info:
            return "Info";
        case Debug:
            return "Debug";
        case Warning:
            return "Warning";
        case Error:
            return "Error";
        case Fatal:
            return "Fatal";
        default:
            return "None";
        }
    }

    void printLog(int level, const std::string &logtxt)
    {
        switch (printMethod)
        {
        case Screen:
            std::cout << logtxt << std::endl; // 屏幕打印日志信息
            break;
        case Onefile:
            printOneFile(LogFile, logtxt); // 将日志信息追加写入单个文件
            break;
        case Classfile:
            printClassFile(level, logtxt); // 将日志信息追加写入分类文件
            break;
        default:
            break;
        }
    }

    void printOneFile(const std::string &logname, const std::string &logtxt)
    {
        std::string _logname = path + logname; // 构建日志文件的完整路径
        int fd = open(_logname.c_str(), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 打开文件，如果文件不存在则创建
        if (fd < 0)
            return;
        write(fd, logtxt.c_str(), logtxt.size()); // 将日志信息写入文件
        close(fd);
    }

    void printClassFile(int level, const std::string &logtxt)
    {
        std::string filename = LogFile;
        filename += ".";
        filename += levelToString(level); // 构建分类文件名，例如"log.txt.Debug/Warning/Fatal"
        printOneFile(filename, logtxt); // 将日志信息追加写入分类文件
    }

    ~Log()
    {
    }

    void operator()(int level, const char *format, ...)
    {
        time_t t = time(nullptr);
        struct tm *ctime = localtime(&t);
        char leftbuffer[SIZE];
        snprintf(leftbuffer, sizeof(leftbuffer), "[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]", levelToString(level).c_str(),
                 ctime->tm_year + 1900, ctime->tm_mon + 1, ctime->tm_mday,
                 ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);

        va_list s;
        va_start(s, format);
        char rightbuffer[SIZE];
        vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), format, s);
        va_end(s);

        // 格式：默认部分+自定义部分
        char logtxt[SIZE * 2];
        snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "%s %s", leftbuffer, rightbuffer);

        printLog(level, logtxt); // 打印日志信息
    }

private:
    int printMethod; // 日志输出方式
    std::string path; // 日志文件存放路径
};

该代码实现了一个简单的日志记录类(Log)，其中包括设置日志输出方式（屏幕、单个文件、分类文件）和打印日志信息的功能。

• Log 类是一个用于记录日志的类。
• Enable 函数用于设置日志输出方式，可以选择屏幕打印、单个文件或分类文件。
• printLog 函数根据设置的日志输出方式，将日志信息打印到屏幕、追加写入单个文件或分类文件。
• printOneFile 函数用于将日志信息追加写入单个文件。
• printClassFile 函数用于将日志信息追加写入分类文件。
• levelToString 函数将日志级别转换为对应的字符串表示。
• operator() 函数是重载的函数调用运算符，用于打印日志信息。
• path 是日志文件存放路径，默认为"./log/"。
• printMethod 是日志输出方式，默认为屏幕打印。
• SIZE 定义了缓冲区大小。
• Info、Debug、Warning、Error、Fatal 是日志级别的定义。
• Screen、Onefile、Classfile 是日志输出方式的定义。
• LogFile 是单个文件名的定义。

⭕打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

// 定义要打开的终端设备文件路径
std::string terminal = "/dev/pts/6";

// 打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符
int OpenTerminal()
{
    // 使用open函数以只写方式打开终端设备文件
    int fd = open(terminal.c_str(), O_WRONLY);
    if(fd < 0)
    {
        // 如果打开终端设备文件失败，则输出错误信息到标准错误输出
        std::cerr << "open terminal error" << std::endl;
        return 1; // 返回错误代码
    }

    // 将终端设备文件的文件描述符复制给标准错误输出的文件描述符
    // 这样标准错误输出就会重定向到指定的终端设备上
    dup2(fd, 2);

    // 如果需要在此处输出信息到标准错误输出，可以使用printf等函数

    // 关闭文件描述符
    // close(fd);

    return 0; // 返回成功代码
}

这段代码的作用是打开一个终端设备文件 “/dev/pts/6”，将其作为标准错误输出（stderr）的目标文件描述符，实现将错误信息输出到指定的终端设备上。

• terminal 变量存储了要打开的终端设备文件路径 “/dev/pts/6”。
• OpenTerminal 函数尝试打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符。
  • 首先使用 open 函数打开终端设备文件，以只写方式（O_WRONLY）。
  • 如果成功打开终端设备文件，则将其文件描述符复制给标准错误输出的文件描述符（2），即 dup2(fd, 2)，这样标准错误输出就会重定向到该终端设备上。
  • 如果打开终端设备文件失败，则输出错误信息到标准错误输出，并返回错误代码 1。
  • 最后函数返回0表示成功。

2. UDP 服务器端实现（UdpServer.hpp）

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <strings.h>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <functional>
#include <unordered_map>
#include "Log.hpp"

// 使用Log类记录日志信息
Log lg;

enum {
    SOCKET_ERR = 1,
    BIND_ERR
};

uint16_t defaultport = 8080;
std::string defaultip = "0.0.0.0";
const int size = 1024;

class UdpServer {
public:
    UdpServer(const uint16_t& port = defaultport, const std::string& ip = defaultip)
        : sockfd_(0), port_(port), ip_(ip), isrunning_(false)
    {}

    void Init() {
        // 1. 创建UDP socket
        sockfd_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // PF_INET
        if (sockfd_ < 0) {
            lg(Fatal, "socket create error, sockfd: %d", sockfd_);
            exit(SOCKET_ERR);
        }
        lg(Info, "socket create success, sockfd: %d", sockfd_);

        // 2. 绑定socket
        struct sockaddr_in local;
        bzero(&local, sizeof(local));
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(port_); // 端口号需要转换为网络字节序
        local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str()); // 将IP地址转换为网络字节序

        if (bind(sockfd_, (const struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0) {
            lg(Fatal, "bind error, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));
            exit(BIND_ERR);
        }
        lg(Info, "bind success, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));
    }

    void CheckUser(const struct sockaddr_in& client, const std::string clientip, uint16_t clientport) {
        // 检查用户是否已经存在在线用户列表中
        auto iter = online_user_.find(clientip);
        if (iter == online_user_.end()) {
            online_user_.insert({clientip, client});
            std::cout << "[" << clientip << ":" << clientport << "] add to online user." << std::endl;
        }
    }

    void Broadcast(const std::string& info, const std::string clientip, uint16_t clientport) {
        // 广播消息给所有在线用户
        for (const auto& user : online_user_) {
            std::string message = "[";
            message += clientip;
            message += ":";
            message += std::to_string(clientport);
            message += "]# ";
            message += info;
            
            socklen_t len = sizeof(user.second);
            sendto(sockfd_, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)(&user.second), len);
        }
    }

    void Run() {
        isrunning_ = true;
        char inbuffer[size];
        while (isrunning_) {
            struct sockaddr_in client;
            socklen_t len = sizeof(client);

            // 接收客户端发送的消息
            ssize_t n = recvfrom(sockfd_, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&client, &len);
            if (n < 0) {
                lg(Warning, "recvfrom error, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));
                continue;
            }

            // 获取客户端的IP地址和端口号
            uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);
            std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);

            // 检查用户是否已经存在在线用户列表中
            CheckUser(client, clientip, clientport);

            std::string info = inbuffer;

            // 将接收到的消息广播给所有在线用户
            Broadcast(info, clientip, clientport);
        }
    }

    ~UdpServer() {
        if (sockfd_ > 0)
            close(sockfd_);
    }

private:
    int sockfd_; // 网络文件描述符
    std::string ip_; // 服务器IP地址
    uint16_t port_; // 服务器端口号
    bool isrunning_; // 服务器运行状态
    std::unordered_map<std::string, struct sockaddr_in> online_user_; // 在线用户列表
};

• Log.hpp 是用于记录日志信息的头文件。
• lg 是一个 Log 类的对象，用于输出日志信息。
• enum 定义了两个错误类型：SOCKET_ERR 和 BIND_ERR，分别表示 socket 创建错误和绑定错误。
• defaultport 和 defaultip 分别设置默认的端口号和 IP 地址。
• size 定义接收缓冲区的大小为 1024 字节。
• UdpServer 类封装了一个 UDP 服务器。
• 构造函数 UdpServer 接受端口号和 IP 地址作为参数，并初始化成员变量。
• Init 函数用于初始化 UDP 服务器，其中：
  • 创建 UDP socket，并检查创建是否成功。
  • 绑定 socket 到指定的 IP 地址和端口号，并检查绑定是否成功。
• CheckUser 函数用于检查用户是否已经存在在线用户列表中，如果不存在则将其添加到列表中。
• Broadcast 函数用于向所有在线用户广播消息，其中：
  • 消息格式为 [发送者IP:发送者端口号]# 消息内容。
  • 使用 sendto 函数发送消息给每个在线用户。
• Run 函数是 UDP 服务器的主循环，其中：
  • 循环接收客户端发送的消息，并将其广播给所有在线用户。
  • 对每个客户端，获取其 IP 地址和端口号，并进行用户检查和消息广播。
• ~UdpServer 析构函数关闭网络文件描述符。
• sockfd_ 是网络文件描述符，用于创建和管理网络连接。
• ip_ 是服务器的 IP 地址。
• port_ 是服务器的端口号。
• isrunning_ 表示服务器的运行状态，用于控制循环退出。
• online_user_ 是一个无序映射，用于保存在线用户的 IP 地址和对应的 sockaddr_in 结构体。

3. UDP 客户端实现（main函数）

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
#include "Terminal.hpp"

using namespace std;

// 函数声明：打印程序的使用方法
void Usage(std::string proc);

// 结构体：用于传递线程参数
struct ThreadData
{
    struct sockaddr_in server; // 服务器地址结构体
    int sockfd; // socket 文件描述符
    std::string serverip; // 服务器 IP 地址
};

// 线程函数：接收消息
void *recv_message(void *args);

// 线程函数：发送消息
void *send_message(void *args);

// 主函数
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        Usage(argv[0]); // 打印使用方法
        exit(0);
    }

    // 解析命令行参数
    std::string serverip = argv[1]; // 服务器 IP 地址
    uint16_t serverport = std::stoi(argv[2]); // 服务器端口号

    // 初始化 ThreadData 结构体
    struct ThreadData td;
    bzero(&td.server, sizeof(td.server)); // 清零服务器地址结构体
    td.server.sin_family = AF_INET; // 设置地址族为 IPv4
    td.server.sin_port = htons(serverport); // 设置端口号（转换为网络字节序）
    td.server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str()); // 设置服务器 IP 地址（转换为网络字节序）

    // 创建 UDP socket
    td.sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (td.sockfd < 0)
    {
        cout << "socket error" << endl;
        return 1;
    }

    td.serverip = serverip; // 存储服务器 IP 地址

    pthread_t recvr, sender; // 定义接收消息和发送消息的线程
    pthread_create(&recvr, nullptr, recv_message, &td); // 创建接收消息线程
    pthread_create(&sender, nullptr, send_message, &td); // 创建发送消息线程

    // 等待接收消息和发送消息的线程退出
    pthread_join(recvr, nullptr);
    pthread_join(sender, nullptr);

    close(td.sockfd); // 关闭 socket
    return 0;
}

// 函数实现：打印程序的使用方法
void Usage(std::string proc)
{
    std::cout << "\n\rUsage: " << proc << " serverip serverport\n" << std::endl;
}

// 线程函数实现：接收消息
void *recv_message(void *args)
{
    ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args); // 强制类型转换为 ThreadData 结构体指针
    char buffer[1024]; // 接收消息的缓冲区
    while (true)
    {
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); // 清空缓冲区
        struct sockaddr_in temp;
        socklen_t len = sizeof(temp);

        ssize_t s = recvfrom(td->sockfd, buffer, 1023, 0, (struct sockaddr *)&temp, &len); // 接收消息
        if (s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;
            cerr << buffer << endl; // 输出接收到的消息
        }
    }
}

// 线程函数实现：发送消息
void *send_message(void *args)
{
    ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args); // 强制类型转换为 ThreadData 结构体指针
    string message; // 存储用户输入的消息
    socklen_t len = sizeof(td->server); // 服务器地址的长度

    // 发送欢迎消息
    std::string welcome = td->serverip + " comming...";
    sendto(td->sockfd, welcome.c_str(), welcome.size(), 0, (struct sockaddr *)&(td->server), len);

    while (true)
    {
        cout << "Please Enter@ ";
        getline(cin, message); // 获取用户输入的消息

        sendto(td->sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr *)&(td->server), len); // 发送消息给服务器
    }
}

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