C++ socket网络编程——即时通信系统

xiaoxiao2022-07-13 179

转自：作者：CoderWill_Hunting 原文：https://blog.csdn.net/lewis1993_cpapa/article/details/80589717

一：项目内容

本项目使用C++实现一个具备服务器端和客户端即时通信且具有私聊功能的聊天室。

目的是学习C++网络开发的基本概念，同时也可以熟悉下Linux下的C++程序编译和简单MakeFile编写二：需求分析

这个聊天室主要有两个程序：

1.服务端：能够接受新的客户连接，并将每个客户端发来的信息，广播给对应的目标客户端。

2.客户端：能够连接服务器，并向服务器发送消息，同时可以接收服务器发来的消息。

即最简单的C/S模型。三：抽象与细化

服务端类需要支持：

1.支持多个客户端接入，实现聊天室基本功能。

2.启动服务，建立监听端口等待客户端连接。

3.使用epoll机制实现并发，增加效率。

4.客户端连接时，发送欢迎消息，并存储连接记录。

5.客户端发送消息时，根据消息类型，广播给所有用户(群聊)或者指定用户(私聊)。

6.客户端请求退出时，对相应连接信息进行清理。

客户端类需要支持：

1.连接服务器。

2.支持用户输入消息，发送给服务端。

3.接受并显示服务端发来的消息。

4.退出连接。

涉及两个事情，一个写，一个读。所以客户端需要两个进程分别支持以下功能。

子进程：

1.等待用户输入信息。

2.将聊天信息写入管道(pipe),并发送给父进程。

父进程：

1.使用epoll机制接受服务端发来的消息，并显示给用户，使用户看到其他用户的信息。

2.将子进程发送的聊天信息从管道(pipe)中读取出来，并发送给客户端。四：C/S模型

TCP服务端通信常规步骤：

1.socket()创建TCP套接字

2.bind()将创建的套接字绑定到一个本地地址和端口上

3.listen()，将套接字设为监听模式，准备接受客户请求

4.accept()等用户请求到来时接受，返回一个对应此连接新套接字

5.用accept()返回的套接字和客户端进行通信，recv()/send() 接受/发送信息。

6.返回，等待另一个客户请求。

7.关闭套接字

TCP客户端通信常规步骤：

1.socket()创建TCP套接字。

2.connect()建立到达服务器的连接。

3.与客户端进行通信，recv()/send()接受/发送信息，write()/read() 子进程写入管道，父进程从管道中读取信息然后send给客户端

5. close() 关闭客户连接。五：相关技术介绍

1.socket 阻塞与非阻塞。

阻塞与非阻塞关注的是程序在等待调用结果时(消息，返回值)的状态。

阻塞调用是指在调用结果返回前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到调用结果之后才会返回。

非阻塞调用是指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

eg. 你打电话问书店老板有没有《网络编程》这本书，老板去书架上找，如果是阻塞式调用，你就会把自己一直挂起，守在电话边上，直到得到这本书有或者没有的答案。如果是非阻塞式调用，你可以干别的事情去，隔一段时间来看一下老板有没有告诉你结果。

同步异步是对书店老板而言(同步老板不会提醒你找到结果了，异步老板会打电话告诉你)，阻塞和非阻塞是对你而言。

更多可以参考博客：socket阻塞与非阻塞

socket()函数创建套接字时，默认的套接字都是阻塞的，非阻塞设置方式代码：

//将文件描述符设置为非阻塞方式（利用fcntl函数） fcntl(sockfd, F_SETFL, fcntl(sockfd, F_GETFD, 0)| O_NONBLOCK);

2. epoll

当服务端的人数越来越多，会导致资源吃紧，I/O效率越来越低，这时就应该考虑epoll，epoll是Linux内核为处理大量句柄而改进的poll，是linux特有的I/O函数。其特点如下：

1）epoll是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本，其实现和使用方式与select/poll大有不同，epoll通过一组函数来完成有关任务，而不是一个函数。

2）epoll之所以高效，是因为epoll将用户关心的文件描述符放到内核里的一个事件列表中，而不是像select/poll每次调用都需要重复传入文件描述符集或事件集（大量拷贝开销），比如一个事件发生，epoll无需遍历整个被监听的描述符集，而只需要遍历哪些被内核IO事件异步唤醒而加入就绪队列的描述符集合即可。

3)epoll有两种工作方式，LT(Level triggered) 水平触发、ET(Edge triggered)边沿触发。LT是select/poll的工作方式，比较低效，而ET是epoll具有的高速工作方式。更多epoll之ET LT

Epoll 用法（三步曲）：

第一步：int epoll_create(int size)系统调用，创建一个epoll句柄，参数size用来告诉内核监听的数目，size为epoll支持的最大句柄数。

第二步:int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event) 事件注册函数

参数 epfd为epoll的句柄。参数op 表示动作三个宏来表示：EPOLL_CTL_ADD注册新fd到epfd 、EPOLL_CTL_MOD 修改已经注册的fd的监听事件、EPOLL_CTL_DEL从epfd句柄中删除fd。参数fd为需要监听的标识符。参数结构体epoll_event告诉内核需要监听的事件。

第三步：int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout) 等待事件的产生，通过调用收集在epoll监控中已经发生的事件。参数struct epoll_event 是事件队列把就绪的事件放进去。

eg. 服务端使用epoll的时候步骤如下：

1.调用epoll_create()在linux内核中创建一个事件表。

2.然后将文件描述符(监听套接字listener)添加到事件表中

3.在主循环中，调用epoll_wait()等待返回就绪的文件描述符集合。

4.分别处理就绪的事件集合，本项目中一共有两类事件：新用户连接事件和用户发来消息事件。六：代码结构

每个文件的作用：

1.Common.h：公共头文件，包括所有需要的宏以及socket网络编程头文件，以及消息结构体（用来表示消息类别等）

2.Client.h Client.cpp :客户端类的实现

3.Server.h Server.cpp : 服务端类的实现

4.ClientMain.cpp ServerMain.cpp 客户端及服务端的主函数。七：代码实现

Common.h

定义一些共用的宏定义，包括一些共用的网络编程相关头文件。

1）定义一个函数将文件描述符fd添加到epfd表示的内核事件表中供客户端和服务端两个类使用。

2）定义一个信息数据结构，用来表示传送的信息，结构体包括发送方fd, 接收方fd,用来表示消息类别的type,还有文字信息。

函数recv() send() write() read() 参数传递是字符串，所以在传送前/接受后要把结构体转换为字符串/字符串转换为结构体。

#ifndef CHATROOM_COMMON_H #define CHATROOM_COMMON_H #include <iostream> #include <list> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <sys/epoll.h> #include <fcntl.h> #include <errno.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> // 默认服务器端IP地址 #define SERVER_IP "127.0.0.1" // 服务器端口号 #define SERVER_PORT 8888 // int epoll_create(int size)中的size // 为epoll支持的最大句柄数 #define EPOLL_SIZE 5000 // 缓冲区大小65535 #define BUF_SIZE 0xFFFF // 新用户登录后的欢迎信息 #define SERVER_WELCOME "Welcome you join to the chat room! Your chat ID is: Client #%d" // 其他用户收到消息的前缀 #define SERVER_MESSAGE "ClientID %d say >> %s" #define SERVER_PRIVATE_MESSAGE "Client %d say to you privately >> %s" #define SERVER_PRIVATE_ERROR_MESSAGE "Client %d is not in the chat room yet~" // 退出系统 #define EXIT "EXIT" // 提醒你是聊天室中唯一的客户 #define CAUTION "There is only one int the char room!" // 注册新的fd到epollfd中 // 参数enable_et表示是否启用ET模式，如果为True则启用，否则使用LT模式 static void addfd( int epollfd, int fd, bool enable_et ) { struct epoll_event ev; ev.data.fd = fd; ev.events = EPOLLIN; if( enable_et ) ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev); // 设置socket为非阻塞模式 // 套接字立刻返回，不管I/O是否完成，该函数所在的线程会继续运行 //eg. 在recv(fd...)时，该函数立刻返回，在返回时，内核数据还没准备好会返回WSAEWOULDBLOCK错误代码 fcntl(fd, F_SETFL, fcntl(fd, F_GETFD, 0)| O_NONBLOCK); printf("fd added to epoll!\n\n"); } //定义信息结构，在服务端和客户端之间传送 struct Msg { int type; int fromID; int toID; char content[BUF_SIZE]; }; #endif // CHATROOM_COMMON_H

服务端类 Server.h Server.cpp

服务端需要的接口：

1)init()初始化

2)Start()启动服务

3)Close()关闭服务

4)广播消息给所有客户端函数 SendBroadcastMessage()

服务端的主循环中每次都会检查并处理EPOLL中的就绪事件，而就绪事件列表主要是两种类型：新连接或新消息。服务器会依次从就绪事件列表里提取事件进行处理，如果是新连接则accept()然后addfd(),如果是新消息则SendBroadcastMessage()实现聊天功能。

Server.h

#ifndef CHATROOM_SERVER_H #define CHATROOM_SERVER_H #include <string> #include "Common.h" using namespace std; // 服务端类，用来处理客户端请求 class Server { public: // 无参数构造函数 Server(); // 初始化服务器端设置 void Init(); // 关闭服务 void Close(); // 启动服务端 void Start(); private: // 广播消息给所有客户端 int SendBroadcastMessage(int clientfd); // 服务器端serverAddr信息 struct sockaddr_in serverAddr; //创建监听的socket int listener; // epoll_create创建后的返回值 int epfd; // 客户端列表 list<int> clients_list; };

//Server.cpp

#include <iostream> #include "Server.h" using namespace std; // 服务端类成员函数 // 服务端类构造函数 Server::Server(){ // 初始化服务器地址和端口 serverAddr.sin_family = PF_INET; serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP); // 初始化socket listener = 0; // epool fd epfd = 0; } // 初始化服务端并启动监听 void Server::Init() { cout << "Init Server..." << endl; //创建监听socket listener = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(listener < 0) { perror("listener"); exit(-1);} //绑定地址 if( bind(listener, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) { perror("bind error"); exit(-1); } //监听 int ret = listen(listener, 5); if(ret < 0) { perror("listen error"); exit(-1); } cout << "Start to listen: " << SERVER_IP << endl; //在内核中创建事件表 epfd是一个句柄 epfd = epoll_create (EPOLL_SIZE); if(epfd < 0) { perror("epfd error"); exit(-1); } //往事件表里添加监听事件 addfd(epfd, listener, true); } // 关闭服务，清理并关闭文件描述符 void Server::Close() { //关闭socket close(listener); //关闭epoll监听 close(epfd); } // 发送广播消息给所有客户端 int Server::SendBroadcastMessage(int clientfd) { // buf[BUF_SIZE] 接收新消息 // message[BUF_SIZE] 保存格式化的消息 char recv_buf[BUF_SIZE]; char send_buf[BUF_SIZE]; Msg msg; bzero(recv_buf, BUF_SIZE); // 接收新消息 cout << "read from client(clientID = " << clientfd << ")" << endl; int len = recv(clientfd, recv_buf, BUF_SIZE, 0); //清空结构体，把接受到的字符串转换为结构体 memset(&msg,0,sizeof(msg)); memcpy(&msg,recv_buf,sizeof(msg)); //判断接受到的信息是私聊还是群聊 msg.fromID=clientfd; if(msg.content[0]=='\\'&&isdigit(msg.content[1])){ msg.type=1; msg.toID=msg.content[1]-'0'; memcpy(msg.content,msg.content+2,sizeof(msg.content)); } else msg.type=0; // 如果客户端关闭了连接 if(len == 0) { close(clientfd); // 在客户端列表中删除该客户端 clients_list.remove(clientfd); cout << "ClientID = " << clientfd << " closed.\n now there are " << clients_list.size() << " client in the char room" << endl; } // 发送广播消息给所有客户端 else { // 判断是否聊天室还有其他客户端 if(clients_list.size() == 1){ // 发送提示消息 memcpy(&msg.content,CAUTION,sizeof(msg.content)); bzero(send_buf, BUF_SIZE); memcpy(send_buf,&msg,sizeof(msg)); send(clientfd, send_buf, sizeof(send_buf), 0); return len; } //存放格式化后的信息 char format_message[BUF_SIZE]; //群聊 if(msg.type==0){ // 格式化发送的消息内容 #define SERVER_MESSAGE "ClientID %d say >> %s" sprintf(format_message, SERVER_MESSAGE, clientfd, msg.content); memcpy(msg.content,format_message,BUF_SIZE); // 遍历客户端列表依次发送消息，需要判断不要给来源客户端发 list<int>::iterator it; for(it = clients_list.begin(); it != clients_list.end(); ++it) { if(*it != clientfd){ //把发送的结构体转换为字符串 bzero(send_buf, BUF_SIZE); memcpy(send_buf,&msg,sizeof(msg)); if( send(*it,send_buf, sizeof(send_buf), 0) < 0 ) { return -1; } } } } //私聊 if(msg.type==1){ bool private_offline=true; sprintf(format_message, SERVER_PRIVATE_MESSAGE, clientfd, msg.content); memcpy(msg.content,format_message,BUF_SIZE); // 遍历客户端列表依次发送消息，需要判断不要给来源客户端发 list<int>::iterator it; for(it = clients_list.begin(); it != clients_list.end(); ++it) { if(*it == msg.toID){ private_offline=false; //把发送的结构体转换为字符串 bzero(send_buf, BUF_SIZE); memcpy(send_buf,&msg,sizeof(msg)); if( send(*it,send_buf, sizeof(send_buf), 0) < 0 ) { return -1; } } } //如果私聊对象不在线 if(private_offline){ sprintf(format_message,SERVER_PRIVATE_ERROR_MESSAGE,msg.toID); memcpy(msg.content,format_message,BUF_SIZE); bzero(send_buf,BUF_SIZE); memcpy(send_buf,&msg,sizeof(msg)); if(send(msg.fromID,send_buf,sizeof(send_buf),0)<0) return -1; } } } return len; } // 启动服务端 void Server::Start() { // epoll 事件队列 static struct epoll_event events[EPOLL_SIZE]; // 初始化服务端 Init(); //主循环 while(1) { //epoll_events_count表示就绪事件的数目 int epoll_events_count = epoll_wait(epfd, events, EPOLL_SIZE, -1); if(epoll_events_count < 0) { perror("epoll failure"); break; } cout << "epoll_events_count =\n" << epoll_events_count << endl; //处理这epoll_events_count个就绪事件 for(int i = 0; i < epoll_events_count; ++i) { int sockfd = events[i].data.fd; //新用户连接 if(sockfd == listener) { struct sockaddr_in client_address; socklen_t client_addrLength = sizeof(struct sockaddr_in); int clientfd = accept( listener, ( struct sockaddr* )&client_address, &client_addrLength ); cout << "client connection from: " << inet_ntoa(client_address.sin_addr) << ":" << ntohs(client_address.sin_port) << ", clientfd = " << clientfd << endl; addfd(epfd, clientfd, true); // 服务端用list保存用户连接 clients_list.push_back(clientfd); cout << "Add new clientfd = " << clientfd << " to epoll" << endl; cout << "Now there are " << clients_list.size() << " clients int the chat room" << endl; // 服务端发送欢迎信息 cout << "welcome message" << endl; char message[BUF_SIZE]; bzero(message, BUF_SIZE); sprintf(message, SERVER_WELCOME, clientfd); int ret = send(clientfd, message, BUF_SIZE, 0); if(ret < 0) { perror("send error"); Close(); exit(-1); } } //处理用户发来的消息，并广播，使其他用户收到信息 else { int ret = SendBroadcastMessage(sockfd); if(ret < 0) { perror("error"); Close(); exit(-1); } } } } // 关闭服务 Close(); }

客户端类实现

需要的接口：

1)连接服务端connect()

2)退出连接close()

3)启动客户端Start()

Client.h

#ifndef CHATROOM_CLIENT_H #define CHATROOM_CLIENT_H #include <string> #include "Common.h" using namespace std; // 客户端类，用来连接服务器发送和接收消息 class Client { public: // 无参数构造函数 Client(); // 连接服务器 void Connect(); // 断开连接 void Close(); // 启动客户端 void Start(); private: // 当前连接服务器端创建的socket int sock; // 当前进程ID int pid; // epoll_create创建后的返回值 int epfd; // 创建管道，其中fd[0]用于父进程读，fd[1]用于子进程写 int pipe_fd[2]; // 表示客户端是否正常工作 bool isClientwork; // 聊天信息 Msg msg; //结构体要转换为字符串 char send_buf[BUF_SIZE]; char recv_buf[BUF_SIZE]; //用户连接的服务器 IP + port struct sockaddr_in serverAddr; };

Client.cpp

#include <iostream> #include "Client.h" using namespace std; // 客户端类成员函数 // 客户端类构造函数 Client::Client(){ // 初始化要连接的服务器地址和端口 serverAddr.sin_family = PF_INET; serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP); // 初始化socket sock = 0; // 初始化进程号 pid = 0; // 客户端状态 isClientwork = true; // epool fd epfd = 0; } // 连接服务器 void Client::Connect() { cout << "Connect Server: " << SERVER_IP << " : " << SERVER_PORT << endl; // 创建socket sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); if(sock < 0) { perror("sock error"); exit(-1); } // 连接服务端 if(connect(sock, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) { perror("connect error"); exit(-1); } // 创建管道，其中fd[0]用于父进程读，fd[1]用于子进程写 if(pipe(pipe_fd) < 0) { perror("pipe error"); exit(-1); } // 创建epoll epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE); if(epfd < 0) { perror("epfd error"); exit(-1); } //将sock和管道读端描述符都添加到内核事件表中 addfd(epfd, sock, true); addfd(epfd, pipe_fd[0], true); } // 断开连接，清理并关闭文件描述符 void Client::Close() { if(pid){ //关闭父进程的管道和sock close(pipe_fd[0]); close(sock); }else{ //关闭子进程的管道 close(pipe_fd[1]); } } // 启动客户端 void Client::Start() { // epoll 事件队列 static struct epoll_event events[2]; // 连接服务器 Connect(); // 创建子进程 pid = fork(); // 如果创建子进程失败则退出 if(pid < 0) { perror("fork error"); close(sock); exit(-1); } else if(pid == 0) { // 进入子进程执行流程 //子进程负责写入管道，因此先关闭读端 close(pipe_fd[0]); // 输入exit可以退出聊天室 cout << "Please input 'exit' to exit the chat room" << endl; cout<<"\\ + ClientID to private chat "<<endl; // 如果客户端运行正常则不断读取输入发送给服务端 while(isClientwork){ //清空结构体 memset(msg.content,0,sizeof(msg.content)); fgets(msg.content, BUF_SIZE, stdin); // 客户输出exit,退出 if(strncasecmp(msg.content, EXIT, strlen(EXIT)) == 0){ isClientwork = 0; } // 子进程将信息写入管道 else { //清空发送缓存 memset(send_buf,0,BUF_SIZE); //结构体转换为字符串 memcpy(send_buf,&msg,sizeof(msg)); if( write(pipe_fd[1], send_buf, sizeof(send_buf)) < 0 ) { perror("fork error"); exit(-1); } } } } else { //pid > 0 父进程 //父进程负责读管道数据，因此先关闭写端 close(pipe_fd[1]); // 主循环(epoll_wait) while(isClientwork) { int epoll_events_count = epoll_wait( epfd, events, 2, -1 ); //处理就绪事件 for(int i = 0; i < epoll_events_count ; ++i) { memset(recv_buf,0,sizeof(recv_buf)); //服务端发来消息 if(events[i].data.fd == sock) { //接受服务端广播消息 int ret = recv(sock, recv_buf, BUF_SIZE, 0); //清空结构体 memset(&msg,0,sizeof(msg)); //将发来的消息转换为结构体 memcpy(&msg,recv_buf,sizeof(msg)); // ret= 0 服务端关闭 if(ret == 0) { cout << "Server closed connection: " << sock << endl; close(sock); isClientwork = 0; } else { cout << msg.content << endl; } } //子进程写入事件发生，父进程处理并发送服务端 else { //父进程从管道中读取数据 int ret = read(events[i].data.fd, recv_buf, BUF_SIZE); // ret = 0 if(ret == 0) isClientwork = 0; else { // 将从管道中读取的字符串信息发送给服务端 send(sock, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0); } } }//for }//while } // 退出进程 Close(); }

ClientMain.cpp

#include "Client.h" // 客户端主函数 // 创建客户端对象后启动客户端 int main(int argc, char *argv[]) { Client client; client.Start(); return 0; }

ServerMain.cpp

#include "Server.h" // 服务端主函数 // 创建服务端对象后启动服务端 int main(int argc, char *argv[]) { Server server; server.Start(); return 0; }

最后是Makefile 文件对上面的文件进行编译

CC = g++ CFLAGS = -std=c++11 all: ClientMain.cpp ServerMain.cpp Server.o Client.o $(CC) $(CFLAGS) ServerMain.cpp Server.o -o chatroom_server $(CC) $(CFLAGS) ClientMain.cpp Client.o -o chatroom_client Server.o: Server.cpp Server.h Common.h $(CC) $(CFLAGS) -c Server.cpp Client.o: Client.cpp Client.h Common.h $(CC) $(CFLAGS) -c Client.cpp clean: rm -f *.o chatroom_server chatroom_client

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