【计算机网络学习之路】序列化，反序列化和初识协议

前言

本系列文章是计算机网络学习的笔记，欢迎大佬们阅读，纠错，分享相关知识。希望可以与你共同进步。

本篇博文讲解应用层的序列化和反序列化，还有见一下简单的应用层传输协议

一. 序列化和反序列化

在前篇TCP和UDP服务器编写时，业务只是简单的echo客户端发送的数据，但实际生活中，要传输的数据往往复杂的多。使用结构体或类可以保存更多数据，但传输过程中，可能会遇到网络通信两端的操作系统不同，结构体/类的大小不同，内存对齐策略不一致等问题。所以网络传输十分不建议传输结构体或类。
这时，序列化和反序列化诞生了。

序列化通俗来说，就是将结构体/类转化为字符串；而反序列化就是将字符串转化为结构体

序列化最重要的作用：在传递和保存对象时，保证对象的完整性和可传递性等问题。对象转换为有序字节流，以便在网络上传输或者保存在本地文件中。

反序列化最重要的作用：根据字节流中保存的对象状态及描述信息，通过反序列化重建对象

核心作用就是对象状态的保存和重建。（整个过程核心点就是字节流所保存的对象状态及描述信息）

1.自己实现

案例

假如我们现在要实现一个网络版本的计算器
我们把客户端发送的数据称为需求（Request），服务器返回的数据叫做响应（Responce）
此案例的需求有三个变量：数字x，数字y，操作数op
响应有两个变量：结果result，结果码code
需求和响应都需要有序列化和反序列化两个功能函数
代码如下：

使用分割符方便Request提取变量，分隔符——空格
1+1 =>(添加分隔符) 1 + 1

#define SEP " " //分隔符
#define SEP_LEN strlen(SEP)
// 请求
class Request
{
public:
    Request() {}

    // 序列化 结构体=>字符串
    bool Serialize(std::string *outStr)
    {
        *outStr = "";
        std::string x_string = std::to_string(_x);
        std::string y_string = std::to_string(_y);
        //添加分隔符
        *outStr = x_string + SEP + _op + SEP + y_string;
        return true;
    }
    // 反序列化 字符串=>结构体
    bool Deserialize(const std::string &str)
    {
        std::vector<std::string> result;
        Util::StringSplit(str, SEP, &result);
        //必须提取出三个变量
        if (result.size() != 3)
            return false;
            
        _x = atoi(result[0]);
        _op = result[1][0];
        _y = atoi(result[2]);
        return true;
    }
public:
    int _x;
    int _y;
    char _op;
};

// 响应
class Responce
{
public:
    Responce() : _result(0), _code(0)
    {
    }
    // 序列化 结构体->字符串
    bool Serialize(std::string *outStr)
    {
        *outStr = "";
        std::string result_string = std::to_string(_result);
        std::string code_string = std::to_string(_code);
        *outStr = result_string + SEP + code_string;
        return true;
    }
	//反序列化 字符串->结构体
    bool Deserialize(const std::string &str)
    {
        std::vector<std::string> result;
        Util::StringSplit(str, SEP, &result);
        if (result.size() != 2)
            return false;

        _result = atoi(result[0]);
        _code = atoi(result[1]);
        return true;
    }
public:
    int _result;
    int _code;
};

2. JSON

序列化一般我们不自己操作，可以使用别的封装好的序列化，比如：JSON，ProtocolBuffer，FlatBuffer，DIMBIN

本篇文章介绍json的使用
JSON 的语法规则总结起来有：

• 数组（Array）用方括号(“[]”)表示。
• 对象（0bject）用大括号(“{}”)表示。
• 名称/值对(name/value）组合成数组和对象。
• 名称(name）置于双引号中，值（value）有字符串、数值、布尔值、null、对象和数组。
• 并列的数据之间用逗号(“,”）分隔

序列化后可视效果也较好，比如：

{
	"x":10,
	"y":22,
	"op":*
}

代码：

// 请求
class Request
{
public:
    Request() {}

    // 结构体=>字符串
    bool Serialize(std::string *outStr)
    {
        // Value，一种万能对象，接收任意的kv类型
        Json::Value root;
        root["x"] = _x;
        root["y"] = _y;
        root["op"] = _op;
        // 序列化
        Json::StyledWriter writer;
        *outStr = writer.write(root);
        return true;
    }
    // 字符串=>结构体
    bool Deserialize(const std::string &str)
    {
        Json::Value root;
        // 反序列化
        Json::Reader reader;
        reader.parse(str, root);
		//提取变量
        _x = root["x"].asInt();
        _y = root["y"].asInt();
        _op = root["op"].asInt();
        return true;
    }
public:
    int _x;
    int _y;
    char _op;
};
// 响应
class Responce
{
public:
    Responce() : _result(0), _code(0)
    {}
    // 结构体->字符串
    bool Serialize(std::string *outStr)
    {
        Json::Value root;
        root["result"] = _result;
        root["code"] = _code;

        // 序列化
        Json::StyledWriter writer;
        *outStr = writer.write(root);
        return true;
    }

    bool Deserialize(const std::string &str)
    {
        Json::Value root;
        //反序列化
        Json::Reader reader;
        reader.parse(str, root);
		//提取变量
        _result = root["result"].asInt();
        _code = root["code"].asInt();
        return true;
    }
public:
    int _result;
    int _code;
};

二. 初识协议

在网络通信中，客户端，服务器收发数据其实是如下这样的

我们调用的recv，send等接口，只是将我们定义的缓冲区的数据拷贝到TCP的缓冲区，或者将数据从TCP缓冲区拷贝到上层
TCP是面向字节流的，可以认为，数据是一个字节一个字节传输的
如果，客户端发送一个hello，recv接口会将发送缓冲区的数据一次性拷贝到上层，但可能此时通过网络传输，只传送了hel，服务器的接受缓冲区只有hel，此时recv并没有读取到完整报文，并且我们不知道什么时候读到了完整报文
协议就是为了解决这类问题而诞生的

基于本次网络计算机的案列，简单设计的协议比如，添加长度和\r\n报头
比如：“1 + 1” =>“5"”\r\n"“1 + 1"”\r\n"

解析：通过找到第一个\r\n，获取有效载荷（1 + 1）的长度，再根据长度提取有效载荷

代码如下：

#define HEADER_SEP "\r\n" // 报头分隔符
#define HEADER_SEP_LEN strlen(HEADER_SEP)
// 读取数据，并尝试提取一个完整报文
// 完整报文："有效载荷长度""\r\n""有效载荷""\r\n"
//inbuffer保存所有读取的数据，package是一个完整报文，需要输出
int ReadPackage(int sock, std::string &inbuffer, std::string *package)
{
    // 读数据
    char buffer[1024];
    int n = recv(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);
    if (n > 0)
        buffer[n] = '\0';
    else if (n == 0)//写端关闭
        return -1;
    else if (n < 0)//读取异常
        return -2;
    //将本次读取的数据保存
    inbuffer += buffer;
	//开始查找报头分隔符
    size_t start = 0;
    auto pos = inbuffer.find(HEADER_SEP, start);
    if (pos == std::string::npos)
        return 0; //第一个分隔符都没有，不是完整报文
	//提取长度
    std::string lenStr = inbuffer.substr(0, pos);
    int len = Util::toInt(lenStr); // 有效载荷的长度
    // 完整报文的长度
    int targetPackageLen = lenStr.size() + len + 2 * HEADER_SEP_LEN;
    if (inbuffer.size() < targetPackageLen)
        return 0; //长度不足完整报文
    // 提取一个完整报文，并输出
    *package = inbuffer.substr(0, targetPackageLen);
    inbuffer.erase(0, targetPackageLen);

    return len;
}

结束语

本篇博客到此结束，感谢看到此处。
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