Linux下学习用C语言实现MQTT（一）（同步函数）

使用系统版本Ubuntu14.04（该文章代码严谨性并不高，主要用于了解MQTT)
先介绍一下MQTT：
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)是IBM开发的一个即时通讯协议，有可能成为物联网的重要组成部分。该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品和外部连接起来，被用来当做传感器和制动器(比如通过Twitter让房屋联网)的通信协议。
MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性:

1、使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合;

2、对负载内容屏蔽的消息传输;

3、使用 TCP/IP 提供网络连接;

4、有三种消息发布服务质量:

“至多一次”，消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。

“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

“只有一次”，确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。

5、小型传输，开销很小(固定长度的头部是 2 字节)，协议交换最小化，以降低网络流量;

6、使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制;

使用客户端库的应用程序通常使用类似的结构：
  1.创建一个客户端对象；
  2.设置连接MQTT服务器的选项；
  3.如果多线程（异步模式）操作被使用则设置回调函数（详见 Asynchronous vs synchronous client applications）；
  4.订阅客户端需要接收的任意话题；
  5.重复以下操作直到结束：
    a.发布客户端需要的任意信息；
    b.处理所有接收到的信息；
  6.断开客户端连接；
  7.释放客户端使用的所有内存。

接下来开始谈LinuxC编程简单实现MQTT
在linux下用C语言实现MQTT通信,要用到一系列MQTT函数，这些函数在Linux自带库中是没有的。
所以第一步：安装Paho C库
在git下下载paho C库git clone https://github.com/eclipse/paho.mqtt.c.git

cd paho.mqtt.c
make//编译
sudo make install//安装

在编译时可能出现某些头文件的缺失，这里我就不一一列举了，问百度把哈哈哈

在执行make之后，在build/output下能看到这些动态库，这些库中有我们将要用到的函数的定义

zhanghang@Ubuntu-14:~/MQTT/paho.mqtt.c/build/output$ ls
libpaho-mqtt3a.so      libpaho-mqtt3as.so      libpaho-mqtt3c.so      libpaho-mqtt3cs.so      paho_c_version
libpaho-mqtt3a.so.1    libpaho-mqtt3as.so.1    libpaho-mqtt3c.so.1    libpaho-mqtt3cs.so.1    samples
libpaho-mqtt3a.so.1.0  libpaho-mqtt3as.so.1.0  libpaho-mqtt3c.so.1.0  libpaho-mqtt3cs.so.1.0  test

在这里说一下这里面的各个动态库的作用：
paho-mqtt3a ： 一般实际开发中就是使用这个，a表示的是异步消息推送（asynchronous）。
paho-mqtt3as ： as表示的是 异步+加密（asynchronous+OpenSSL）。
paho-mqtt3c ： c 表示的应该是同步（Synchronize），一般性能较差，是发送+等待模式。
paho-mqtt3cs ： 同上，增加了一个OpenSSL而已。
在samples中还会有一些示例代码；

zhanghang@Ubuntu-14:~/MQTT/paho.mqtt.c/build/output/samples$ ls
MQTTAsync_publish    MQTTClient_publish        MQTTClient_subscribe  paho_cs_pub  paho_c_sub
MQTTAsync_subscribe  MQTTClient_publish_async  paho_c_pub            paho_cs_sub

现在给发布端的C代码：

#include
#include
#include
#include
#include
#include"MQTTClient.h"

int main(int argc,char **argv)
{
    char *address="tcp://localhost:1883";
    char *client_id="publish_client";
    char *topic="mqtt_examples";
    char buf[1024];
    const int time_out=10000;
    int  rv;
    int  QOS=1;
    MQTTClient   client;
    MQTTClient_connectOptions conn_opts=MQTTClient_connectOptions_initializer;
    MQTTClient_message publish_msg=MQTTClient_message_initializer;
    MQTTClient_deliveryToken token;

    conn_opts.keepAliveInterval=60;
    conn_opts.cleansession=1;

    MQTTClient_create(&client,address,client_id,MQTTCLIENT_PERSISTENCE_NONE,NULL);
    if((rv=MQTTClient_connect(client,&conn_opts))!=MQTTCLIENT_SUCCESS)
    {
    printf("MQTTClient_connect failure:%s\n",strerror(errno));
        return 0;
    }
    publish_msg.qos=QOS;
    publish_msg.retained=0;
    while(1)
    {
        printf("enter the message you want to send\n");
        fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
        publish_msg.payload=(void *)buf;
        publish_msg.payloadlen=strlen(buf);
        MQTTClient_publishMessage(client,topic,&publish_msg,&token);
        printf("waiting for %d seconds for publication of %s on topic %s for client with CLIENTID :%s\n",time_out/1000,buf,topic,client_id);
        rv=MQTTClient_waitForCompletion(client,token,time_out);
        printf("Message with delivery token %d delivered\n",rv);
        printf("%s\n",buf);//用于测试
        sleep(3);
    }
}

注意编译时，如果没将相应的头文件和动态库放到编译器默认寻找的位置需要加上相应的链接选项，如下：

zhanghang@Ubuntu-14:~$ gcc mqtt_publish.c -o mqtt_publish -lpaho-mqtt3c -L ./MQTT/paho.mqtt.c/ -I ./MQTT/paho.mqtt.c/src/

运行如下

zhanghang@Ubuntu-14:~$ ./mqtt_publish 
enter the message you want to send

采用交互式传递类似网络soket的传递信息，便于理解

下面给出一个简单的订阅端程序：

#include
#include
#include
#include
#include
#include"MQTTClient.h"

int main()
{
    char *address="tcp://localhost:1883";
    char *client_id="client_sub";
    char *payload="mqtt_examples";
    int    rv,i;
    char *ptr=NULL;
    char *topic=NULL;
    int topic_len;
    MQTTClient client;
    MQTTClient_connectOptions conn_opts=MQTTClient_connectOptions_initializer;
    MQTTClient_deliveryToken token;
    MQTTClient_message *receive_msg=NULL;
    conn_opts.keepAliveInterval=60;
    conn_opts.cleansession=1;

    if((rv=MQTTClient_create(&client,address,client_id,MQTTCLIENT_PERSISTENCE_NONE,NULL))<0)
    {
        printf("MQTTClient_create failure:%s\n",strerror(errno));
        return 0;
    }
    printf("MQTTClient_create successfully\n");
    if((rv=MQTTClient_connect(client,&conn_opts))!=MQTTCLIENT_SUCCESS)
    {
        printf("MQTTClient_connect failure:%s\n",strerror(errno));
        return 0;
    }
    printf("MQTTClient_connect successfuly\n");
    MQTTClient_subscribe(client,payload,1);
    /* if((rv=MQTTClient_receive(client,&topic,&topic_len,&receive_msg,5000))!=MQTTCLIENT_SUCCESS)
    { 
        printf("MQTTClient_receive failure:%s\n",strerror(errno));
        return 0;
    }  
    printf("MQTTClient_receive successfully\n");*/
    //receive 函数放在外面传递信息不会改变
    while(1)
    {
        if((rv=MQTTClient_receive(client,&topic,&topic_len,&receive_msg,100000))!=MQTTCLIENT_SUCCESS)//最后一个参数是超时时间,单位是毫秒
        {
            printf("MQTTClient_receive failure:%s\n",strerror(errno));
            break;
        }
        printf("MQTTClient_receive successfully\n");
        ptr=receive_msg->payload;
        printf("Topic:%s\nTopic_len:%d\nmsg:",topic,topic_len);
        for(i=0;i<receive_msg->payloadlen;i++)
        {
            putchar(*ptr++);
        }
        printf("\nmsg_len:%d\nmsg_id:%d\n",receive_msg->payloadlen,receive_msg->msgid);
        sleep(3);
    }
    printf("end\n");
    MQTTClient_disconnect(client, 10000);
    MQTTClient_destroy(&client);
    return 0;
}

订阅端订阅了话题mqtt_examples，同样采用循环不断接受消息；
编译：

zhanghang@Ubuntu-14:~$ gcc mqtt_subscribe.c -o mqtt_subscribe -lpaho-mqtt3c -L ./MQTT/paho.mqtt.c/build/output/

**注意：在运行时也有可能出现找不到动态库，因为编译是默认动态编译，在运行时才会加载动态库
解决办法：假设需要的库在/test/lib下则可以：

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/test/lib      //该方法重启会失效

如果有sudo去权限也可以将这句话加到~/.bashrc中，重启生效**

此时我们分别在两个终端运行publish和subsceibe：

zhanghang@Ubuntu-14:~$ ./mqtt_publish 
enter the message you want to send

zhanghang@Ubuntu-14:~$ ./mqtt_subscribe 
MQTTClient_create successfully
MQTTClient_connect successfuly

在publish端发送信息，可在subscrib端收到信息：

zhanghang@Ubuntu-14:~$ ./mqtt_publish 
enter the message you want to send
hello
waiting for 10 seconds for publication of hello
 on topic mqtt_examples for client with CLIENTID :publish_client
Message with delivery token 0 delivered
hello

hienter the message you want to send

waiting for 10 seconds for publication of hi
 on topic mqtt_examples for client with CLIENTID :publish_client
Message with delivery token 0 delivered
hi

enter the message you want to send
it is me
waiting for 10 seconds for publication of it is me
 on topic mqtt_examples for client with CLIENTID :publish_client
Message with delivery token 0 delivered
it is me

enter the message you want to send

zhanghang@Ubuntu-14:~$ ./mqtt_subscribe 
MQTTClient_create successfully
MQTTClient_connect successfuly
MQTTClient_receive successfully
Topic:mqtt_examples
Topic_len:13
msg:hello

msg_len:6
msg_id:1
MQTTClient_receive successfully
Topic:mqtt_examples
Topic_len:13
msg:hi

msg_len:3
msg_id:2
MQTTClient_receive successfully
Topic:mqtt_examples
Topic_len:13
msg:it is me

msg_len:9
msg_id:3

使用mosquitto和mqtt.fx软件测试无论是publish还是subscribe都能通过
下一节详细讲解里面用到的一些函数。
（在此处学习过程中遇到过一些问题：在安装paho-mqtt.c后，编译时可能会出现头文件缺失等问题，这种问题百度上有一堆解答，但是介于MQTT系列函数等的特殊性，在网上有关mqttC编程的案例比较少，同时发生错误解答也会比较少，不像网络socket等的一些函数，网上有一堆，所以还是要在以往的学习中积累一些经验，遇到问题解决的办法也会多一些，在成功编译mqtt-paho.c后的make install 主要是将相应的库和头文件移到相应的编译器默认寻找的地方，方便编译和运行。但是由于这个命令需要sudo 权限,如果没有权限或者不愿意用权限，可以像我一样用链接选项和export…
在建立publish和subscribe通信时，publish端发送的消息在subscribe端可能会出现多余字符串“Packet.c”或者其一部分(在源字符串后面）（在直接打印receive_msg->payload时），使用mqtt.fx作为publish也会出现，解决办法（既然知道有效字符穿的长度->payloadlen，可以用循环字符打印,如上程序所示。）