网络编程套接字(2): 简单的UDP网络程序
文章目录
- 网络编程套接字(2): 简单的UDP网络程序
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- 3. 简单的UDP网络程序
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- 3.1 服务端创建
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- (1) 创建套接字
- (2) 绑定端口号
- (3) sockaddr_in结构体
- (4) 数据的接收与发送
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- 接收
- 发送
- 3.2 客户端创建
- 3.3 代码编写
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- (1) v1_简单发送消息
- (2) v2_小写转大写
- (3) v3_模拟命令行解释器
- (4) v4_多线程版本的群聊系统
- (5) v5_Windows与Linux配合聊天室
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 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 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
-
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 -
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
- 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 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 -
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
#includeudp_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
#includeudp_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
#includeudp_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
#includeRingQueue.hpp
#includeudp_server.hpp
#include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运行结果：
