【Linux】网络部分——Socket编程 UDP实现网络云服务器与本地虚拟机的基本通信
33. Socket 编程 UDP——实现网络云服务器与本地虚拟机的基本通信
文章目录
- 33. Socket 编程 UDP——实现网络云服务器与本地虚拟机的基本通信
- API
- echo server程序
- Chat聊天室
- 服务端部分
- IP与端口的统一管理
- 用户管理模块
- 服务器模块
- mian函数
- 客户端部分
- 运行效果
API
-
socket
:创建用于通信的套接字#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);
- domain参数指定通信域:
AF_INET
表示IPv4网络通信 - type指定的类型:
SOCK_DGRAM
表示使用UDP协议,数据包格式 - protocol指定套接字使用的特定协议,默认设为0
- 返回值是一个文件描述符,int类型——
returns a file descriptor that refers to that endpoint.
- domain参数指定通信域:
-
bind
绑定#include <sys/socket.h>int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
-
sockfd——文件描述符
-
addr——指向sockaddr结构体的指针,这个结构体包含指定通信域、IP、端口号
-
我们使用网络通信一般定义
sockaddr_in
结构体,之后强转为sockaddr
类型#define CONV(v) (struct sockaddr *)(v)
-
结构体结构
struct sockaddr{__SOCKADDR_COMMON (sa_); /* Common data: address family and length. */char sa_data[14]; /* Address data. */};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)];};
-
使用
struct sockaddr_in local; bzero(&local, sizeof(local));//把结构体中的空间全部初始化为0 local.sin_family = AF_INET; local.sin_port = htons(_port);//这里需要用htons函数将主机的16位无符号短整型数转换为网络字节序,类似的函数还有htonl/ntohs/ntohl local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());//sin_addr是一个结构体,这个结构体中只有s_addr一个成员变量,我们需要对这个赋值
-
-
成功返回0,失败返回-1,同时errno被设置
-
在C语言中,结构体可以在定义时整体初始化,但不能在赋值语句中整体赋值(除非使用memcpy或类似)
-
-
recvfrom
:从套接字中接收消息#include <sys/socket.h>ssize_t recvfrom(int sockfd, void buf[restrict .len], size_t len,int flags,struct sockaddr *_Nullable restrict src_addr,socklen_t *_Nullable restrict addrlen);
- 函数参数依次是:文件描述符、字符串数组、字符串数组长度、设置位、结构体指针、结构体大小指针。后面两个是输出型参数表示接收到的数据来自哪个套接字,
flags
一般设为0 - 返回值为接受到的字节,发射错误返回-1
- 函数参数依次是:文件描述符、字符串数组、字符串数组长度、设置位、结构体指针、结构体大小指针。后面两个是输出型参数表示接收到的数据来自哪个套接字,
-
sendto
:向套接字发送消息#include <sys/socket.h>ssize_t sendto(int sockfd, const void buf[.len], size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
- 函数参数依次是:文件描述符、字符串数组、字符串数组长度、设置位、结构体指针、结构体大小指针。
flags
一般设为0 - 如果成功,这些调用将返回发送的字节数。失败返回-1,同时errno被设置
- 函数参数依次是:文件描述符、字符串数组、字符串数组长度、设置位、结构体指针、结构体大小指针。
echo server程序
实现UDP服务器类的核心功能,把从客户端client
接收到的数据以日志的方式打印,并重新发送回客户端。
//UdpServer.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#include "Common.hpp"
#include "Log.hpp"using namespace My_Log;const in_port_t defport = 8080;
const std::string defip = "127.0.0.1";class UdpServer
{
public:UdpServer(in_port_t port = defport, std::string ip = defip): _sokfd(-1), _port(port), _ip(ip), _isrunning(false){}void InitServer(){_sokfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sokfd < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "socket err: " << strerror(errno);exit(SOCKET_ERR);}struct sockaddr_in local;bzero(&local, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = inet_addr(_ip.c_str());//_net_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//上面这一句可以改成这个,表示允许任何远程主机连接int n = bind(_sokfd, CONV(&local), sizeof(local));if (n < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "bind: " << strerror(errno);exit(BIND_ERR);}LOG(LogLevel::INFO) << "bind success";}void Start(){_isrunning = true;while (true){char recbuff[1024] = {0};struct sockaddr_in cliaddr;socklen_t len = sizeof(cliaddr);int n = recvfrom(_sokfd, recbuff, 1024, 0, CONV(&cliaddr), &len);if(n < 0){LOG(LogLevel::ERROR) << "recvfrom err" << strerror(errno);exit(REC_ERR);}std::string message = recbuff;LOG(LogLevel::DEBUG) << "Server receive message# " << message;sendto(_sokfd, recbuff, n, 0, CONV(&cliaddr), len);}_isrunning = false;}~UdpServer(){if(_sokfd > -1)close(_sokfd);}private:int _sokfd;in_port_t _port;std::string _ip;bool _isrunning;
};
- 服务端socket编程的一般顺序:socket创建套接字,bind绑定套接字IPh和port,发送接收数据
//UdpServerMain.cc
#include "UdpServer.hpp"
#include <memory>int main()
{ENABLE_CONSOLE_LOG();std::unique_ptr<UdpServer> ser_utpr = std::make_unique<UdpServer>();ser_utpr->InitServer();ser_utpr->Start();return 0;
}
//UdpClientMain.hpp
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>#include "Common.hpp"
#include "Log.hpp"using namespace My_Log;int main(int argc, char *argv[])
{if (argc < 3){std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " serverip serverport" << std::endl;exit(USAGE_ERR);}in_port_t serport = std::stoi(argv[2]);std::string serip = argv[1];int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "socket err: " << strerror(errno);exit(SOCKET_ERR);}struct sockaddr_in seraddr;seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = ntohs(serport);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(serip.c_str());while (true){std::string sendstr;std::cin >> sendstr;sendto(sockfd, sendstr.c_str(), sendstr.size(), 0, CONV(&seraddr), sizeof(seraddr));struct sockaddr_in temp;socklen_t len = sizeof(temp);char buffer[1024];int n = ::recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0, CONV(&temp), &len);if(n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << buffer << std::endl;}}return 0;
}
- 客户端使用scoket时不需要bind,虽然client也必须要有自己的ip和端口,但是客户端,不需要自己显示的调用bind,客户端首次sendto消息的时候,由OS自动进行bind。这种自动绑定的机制避免了不同客户端之间的端口号冲突,确保客户端程序能够顺利启动。服务器端需要显式绑定IP地址和端口号,因为服务器需要稳定的端口号供客户端访问。服务器端口号的稳定性至关重要,因为客户端需要知道固定的端口号才能访问服务器。
- 一个端口号只能被一个进程绑定,但一个进程可以绑定多个端口号。
Chat聊天室
服务端部分
基于echo server扩展实现群聊功能,核心思路是维护用户信息表并广播消息。当多个客户端(如张三、李四、王五)同时发送消息时,服务器需记录消息内容及发送者信息(IP+端口),然后向所有在线用户转发。因此在用户向服务器发送信息的时候需要记录用户的IP和端口,便于后面的统一转发。基本的过程也就是:某一个用户向服务器发送第一次消息,服务器接收消息后注册这个用户,也就是保存这个用户的IP和端口,之后向已经保存的其他用户统一转发这条消息。
-
实现这个项目主要有三个模块:消息接收模块,消息转发模块、线程池
-
消息转发模块由用户管理模块实现,消息接收模块由服务器模块实现,线程池使用之前包装的单例线程池,用于并行发送消息
IP与端口的统一管理
在用户向服务器发送信息的时候需要记录用户的IP和端口,使用时需要考虑网络字节序的转化问题,所以为了方便处理,我们也把IP与端口进行封装,将一套IP地址,端口号,以及对应的sockaddr_in
进行管理,给出通用的网络字节序与普通主机序列的转化和接口:
//IntAddr.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#include "Common.hpp"class InetAddr
{
private:void Port_N2H() //网络序列转主机序列{_port = ntohs(_net_addr.sin_port);}void IP_N2H() //主机序列转网络序列{char buf[20];::inet_ntop(AF_INET, &_net_addr.sin_addr, buf, sizeof(buf));_ip = buf;}public:InetAddr(){}InetAddr(const struct sockaddr_in &addr) : _net_addr(addr){Port_N2H();IP_N2H();}InetAddr(uint16_t port) : _port(port){_net_addr.sin_family = AF_INET;_net_addr.sin_port = htons(_port);// _net_addr.sin_addr.s_addr = ::inet_addr(_ip.c_str());_net_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 上面这一句可以改成这个,表示允许任何远程主机连接}struct sockaddr *NetAddr() { return CONV(&_net_addr); }socklen_t NetAddrLen() { return sizeof(_net_addr); }std::string Ip() const { return _ip; }uint16_t Port() const { return _port; }std::string GetStrAddr() const { return Ip() + ":" + std::to_string(Port()); }bool operator==(const InetAddr &_addr){return (_ip == _addr._ip);}~InetAddr(){}private:std::string _ip;uint16_t _port;struct sockaddr_in _net_addr;
};
用户管理模块
由上面的基本概括可知,我们需要一个模块来管理参与群聊的用户信息。为实现消息转发功能,需构建用户管理模块(User.hpp)维护在线用户列表。用户唯一性标识采用IP地址或IP+端口组合
//User.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <list>#include "InetAddr.hpp"
#include "Log.hpp"
#include "Mutex.hpp"using namespace My_Log;
using namespace My_Mutex;class UserInterface
{
public:virtual ~UserInterface() = default;virtual void SendTo(int sokfd, const std::string &message) = 0;virtual bool operator==(const InetAddr &other) = 0;virtual std::string Id() = 0;
};// 单个用户对象
class User : public UserInterface
{
public:User(const InetAddr &id) : _id(id){}void SendTo(int sokfd, const std::string &message) override{LOG(LogLevel::DEBUG) << "send message to: " << _id.GetStrAddr() << "info: " << message;::sendto(sokfd, message.c_str(), message.size(), 0, _id.NetAddr(), _id.NetAddrLen());}bool operator==(const InetAddr &other) override{return _id == other;}std::string Id() override{return _id.GetStrAddr();}~User(){}private:InetAddr _id;
};// 管理用户
class UserManager
{
public:UserManager(){}void AddUser(const InetAddr &id){LockGuard lockguard(_mutex);for (auto &u : _online_ptr){if (*u == id){LOG(LogLevel::DEBUG) << id.GetStrAddr() << "该用户已存在";return;}}LOG(LogLevel::DEBUG) << "新增用户: " << id.GetStrAddr();_online_ptr.push_back(std::make_shared<User>(id));}void DelUser(const InetAddr &id){LockGuard lockguard(_mutex);auto pos = std::remove_if(_online_ptr.begin(), _online_ptr.end(), [&id](std::shared_ptr<UserInterface> &user){return *user == id;});_online_ptr.erase(pos, _online_ptr.end());PrintUser();}void PrintUser(){for(auto user : _online_ptr){LOG(LogLevel::DEBUG) <<"在线用户-> "<< user->Id();}}void Route(int sokfd, std::string &message){LockGuard lockguard(_mutex);for(auto& user:_online_ptr){user->SendTo(sokfd, message);}}~UserManager(){}private:std::list<std::shared_ptr<UserInterface>> _online_ptr;Mutex _mutex;
};
-
该模块包含三个主要类:用户类、用户管理类和用户接口类
- 用户类(
class user
)的设计需要考虑用户的唯一性,由于没有用户名注册机制,使用IP地址作为唯一标识。在class user
中,首先定义用户的基本属性,包括IP地址(InetAddr
)作为唯一标识符。用户类需要包含构造方法和析构方法,以及一个公共的消息发送方法(SendTo
)。消息发送方法的功能是将消息发送给指定的用户,在服务器端表现为消息的转发。 - 用户管理类(
class UserManager
)负责管理所有在线用户,以链表形式组织用户信息。该类需要提供新增用户(AddUser
)和删除用户(DelUser
)的功能,以及消息路由(Route
)功能——也就是转发消息。新增用户时需要检查用户是否已存在,避免重复添加。用户管理类使用智能指针(shared_ptr
)管理用户对象,存储在std::list
容器中。路由功能负责将消息广播给所有在线用户,需要遍历用户链表并调用每个用户的SendTo
方法。 - 用户接口类(
class UserInterface
)作为基类,定义了一个纯虚方法SendTo
,用于发送消息。子类user 继承自class UserInterface
,必须实现SendTo
方法。用户接口类定义消息发送的规范,用户实现类完成具体的消息发送逻辑
- 用户类(
-
新增用户时需要构建user对象并将其插入到在线用户链表中。为了实现用户地址的比较,需要对inet addr结构体重载等号运算符。
-
消息路由功能的具体实现需要遍历在线用户列表,对每个用户调用
SendTo
方法发送消息。在AddUser
方法的实现中,首先创建user对象,然后将其插入到_online_ptr
链表中。插入前需要检查用户是否已存在,避免重复添加。用户管理类使用std::list
容器存储用户信息,虽然查找效率不高,但适合广播消息的场景。 -
在这段代码中,成员变量的list是存放UserInterface类型的智能指针,但是在AddUser函数中插入的却是User类型的智能指针,能不能这样做,为什么要这样做?
- 在C++中,我们可以将派生类的指针赋值给基类的指针,这是多态的常见用法。这里,
std::list<std::shared_ptr<UserInterface>>
存储的是基类UserInterface
的智能指针,而std::make_shared<User>(id)
创建的是派生类User
的智能指针。由于User
是UserInterface
的派生类,所以这样做是合法的。``User继承自
UserInterface,因此
std::shared_ptr可以隐式转换为
std::shared_ptr`,C++ 智能指针支持派生类到基类的隐式转换 - 利用多态性,我们可以通过基类指针来操作派生类对象,从而在
UserManager
中统一管理所有满足UserInterface
接口的用户对象。 - 如果未来有其他类型的用户(比如不同的用户类,但都实现了
UserInterface
接口),也可以加入到同一个列表中管理,增加了代码的扩展性。 - 在
Route
函数中,我们调用user->SendTo
时,实际上会调用到具体用户类(如User
)的SendTo
方法,这就是多态的作用。 - 需要注意的是,
UserInterface
必须定义虚析构函数,这样当通过基类指针删除对象时,会正确调用派生类的析构函数。在代码中,UserInterface
的析构函数已经被定义为虚函数(virtual ~UserInterface() = default;
),所以这是安全的。
- 在C++中,我们可以将派生类的指针赋值给基类的指针,这是多态的常见用法。这里,
服务器模块
服务器模块提供初始化网络接口,之后循环接收消息并将消息转发任务注册进线程池中
//UdpServer.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <functional>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>#include "Common.hpp"
#include "Log.hpp"
#include "InetAddr.hpp"
#include "ThreadPool.hpp"using namespace My_Log;
using namespace My_ThreadPool;using adduser_t = std::function<void(const InetAddr &id)>;
using route_t = std::function<void(int sokfd, std::string &message)>;
using deluser_t = std::function<void(const InetAddr &id)>;
using task_t = std::function<void()>;const in_port_t defport = 8080;
const std::string defip = "127.0.0.1";class UdpServer
{
public:UdpServer(in_port_t port = defport): _sokfd(-1), _isrunning(false), _addr(port){}void RegisterService(adduser_t adduser, route_t route, deluser_t deluser){_adduser = adduser;_route = route;_deluser = deluser;}void InitServer(){_sokfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (_sokfd < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "socket err: " << strerror(errno);exit(SOCKET_ERR);}int n = bind(_sokfd, _addr.NetAddr(), _addr.NetAddrLen());if (n < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "bind: " << strerror(errno);exit(BIND_ERR);}LOG(LogLevel::INFO) << "bind success";}void Start(){_isrunning = true;while (true){// 获取发送消息的客户端信息以及消息内容char recbuff[1024] = {0};struct sockaddr_in cliaddr;socklen_t len = sizeof(cliaddr);int n = recvfrom(_sokfd, recbuff, 1024, 0, CONV(&cliaddr), &len);if (n < 0){LOG(LogLevel::ERROR) << "recvfrom err" << strerror(errno);exit(REC_ERR);}// 构建用户信息InetAddr cli(cliaddr);std::string message;if (strcmp(recbuff, "QUIT") == 0){// 用户退出_deluser(cli); // 删除用户message = std::string(cli.GetStrAddr() + " status: ") + "用户退出";}else{// 正常通信_adduser(cli); // 创建用户(如果没有就创建)message = std::string(cli.GetStrAddr() + " info: ") + recbuff;}// 执行全局发送(将发送任务注册进线程池中)task_t task = bind(_route, _sokfd, message);ThreadPool<task_t>::getinstance()->Equeue(task);}_isrunning = false;}~UdpServer(){if (_sokfd > -1)close(_sokfd);}private:int _sokfd;InetAddr _addr;bool _isrunning;adduser_t _adduser;route_t _route;deluser_t _deluser;
};
UdpServer
收到网络消息后,需将消息内容与客户端身份分离,客户端信息(包括IP和端口)已通过预定义方法(如InetAddr
)自动转换。新增用户时,调用class UserManager
的AddUser
方法将客户端对象传递给UserManager
模块,若用户已存在则直接返回。代码中通过日志打印用户新增状态(如“用户已存在”或“该用户新增”)。网络服务器启动时需将UserManager
模块的AddUser
方法注册为回调函数,确保新用户消息能触发观察者插入逻辑。
mian函数
#include "UdpServer.hpp"
#include "User.hpp"
#include <memory>int main(int argc, char *argv[])
{ENABLE_CONSOLE_LOG();std::shared_ptr<UserManager> um_sptr = std::make_shared<UserManager>();std::unique_ptr<UdpServer> ser_utpr = std::make_unique<UdpServer>(std::stoi(argv[1]));ser_utpr->InitServer();ser_utpr->RegisterService([&um_sptr](const InetAddr &id){ um_sptr->AddUser(id); },[&um_sptr](int sokfd, std::string &message){ um_sptr->Route(sokfd, message); },[&um_sptr](const InetAddr &id){ um_sptr->DelUser(id); });ser_utpr->Start();return 0;
}
客户端部分
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>#include "Common.hpp"
#include "Log.hpp"using namespace My_Log;int sockfd = -1;
struct sockaddr_in seraddr;void Quit(int signo)
{(void)signo;std::string mes = "QUIT";::sendto(sockfd, mes.c_str(), mes.size(), 0, CONV(&seraddr), sizeof(seraddr));exit(0);
}void *Recver(void *args)
{(void)args; // 防止编译器报警告while (true){struct sockaddr_in temp;socklen_t len = sizeof(temp);char buffer[1024];int n = ::recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, CONV(&temp), &len);if (n > 0){buffer[n] = 0;std::cout << buffer << std::endl;}}return nullptr;
}int main(int argc, char *argv[])
{// 接受命令行参数if (argc < 3){std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " serverip serverport" << std::endl;exit(USAGE_ERR);}in_port_t serport = std::stoi(argv[2]);std::string serip = argv[1];signal(2, Quit);// 创建套接字sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0){LOG(LogLevel::FATAL) << "socket err: " << strerror(errno);exit(SOCKET_ERR);}// 填充server服务端信息seraddr.sin_family = AF_INET;seraddr.sin_port = ntohs(serport);seraddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(serip.c_str());// 创建线程,子线程用于接受消息,主线程用于发送消息pthread_t pid;pthread_create(&pid, nullptr, Recver, nullptr);// 开始运行,发送第一个信息给服务端std::string mes = "上线";int n = ::sendto(sockfd, mes.c_str(), mes.size(), 0, CONV(&seraddr), sizeof(seraddr));if (n == -1){LOG(LogLevel::FATAL) << "sendto err: " << strerror(errno);}// 循环发送消息while (true){std::cout << "Please Enter# ";std::string sendstr;std::cin >> sendstr;int n = sendto(sockfd, sendstr.c_str(), sendstr.size(), 0, CONV(&seraddr), sizeof(seraddr));if (n == -1){LOG(LogLevel::FATAL) << "sendto err: " << strerror(errno);}}return 0;
}
- 客户端同样需要发送和接收消息,但是不需要向每个用户转发,只需要与服务端之间发送和接收消息即可。因此,我们创建两个线程,主线程用于阻塞等待键盘消息,并将消息发送到服务端,子线程用于循环接收服务器发送来的消息
- 我们还自定义捕捉了二号信号作为客户端的退出信号,收到信号之后执行
Quit
函数内容并退出进程
运行效果
可以实现网络云服务器与本地虚拟机的基本通信
网络云服务器服务端:
网络云服务器客户端:
本地虚拟机客户端:
日志和线程池部分有关的代码在之前的博客中可以找一找