Linux网络相关概念和重要知识（2）（UDP套接字编程、聊天室的实现、观察者模式）

目录

1.UDP套接字编程

（1）socket编程

（2）UDP的使用

①socket

②bind

③recvfrom

④sendto

2.聊天室的实现

（1）整体逻辑

（2）对sockaddr_in的封装

（3）客户端设计

①观察者模式

②User设计

③观察者的设计

⑤客户端主程序设计

（4）服务端设计

①服务端主程序的设计

②服务器端成员变量

③利用线程池实现服务端

（5）重定向文件

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1.UDP套接字编程

（1）socket编程

套接字编程的种类比较多：网络socket、本地socket（如Unix域间socket）、原始socket。Linux提供了socket的系统调用，保证接口统一，以后实现Linux上的各种socket通信就很简单了。

（2）UDP的使用

使用socket套路非常简单，抓住IP和port，理解通信的大致过程就能很好掌握代码的方法了

①socket

站在用户层，创建socket就是创建了一个特殊的文件，这个文件包含了应该以什么方式，什么协议来通信。但此时，这个文件还应该有自己的网络层面的标识，如IP和port，这就是bind需要做的事了。

②bind

使用过程中，只需要创建对应通信方式的addr，写入对应的网络信息（如IP和port），最后再将addr转为父类指针，传入大小进行bind

总体bind流程：

向addr写入属性：

其中_net_addr是in类型的，注意字节序的调整，修改IP需要到sin_addr里面修改其成员s_addr

测试时常用的IP是127.0.0.1，表示本地机器。把这个IP绑定到socket之后，其它socket就可以通过这个IP向这个socket发消息。上述代码使用INADDR_ANY，意思是其它socket向任何IP发的消息都会被接收。

端口号是2字节16位的，端口号0 - 1023是知名端口号，1023 - 65535是OS动态分配的端口号，是客户端程序的端口号，我们随便选择，只要该端口号没有被使用。将端口号绑定后，对方socket向该socket发送消息，只有匹配IP和端口号才会被socket接收。

注意客户端不需要手动bind，因为客户端每次启动都不能保证相应端口号的空闲。而服务器端几乎不关机，可以指定而且必须指定。因此客户端创建了socket可以直接发消息，发消息时会系统自动bind，将相关IP和port写入socket中。

③recvfrom

没有收到消息时，线程会被阻塞在这个函数里面

④sendto

socket是全双工通信，既可以收的同时也可以发

2.聊天室的实现

（1）整体逻辑

整个聊天室重要的是逻辑，因为它的封装已经比较多了，所以接下来的实现会重点强调每个模块是如何设计，和其它模块耦合的。我们只需要详细理解前面UDP的通信过程即可理解聊天室的实现。

（2）对sockaddr_in的封装

我们可以快速创建管理sockaddr_in的结构体，并单独记录port和IP

服务器端可以快速初始化结构体

接收方也可以使用这个结构体，将接收到的in交给自定义结构体进行IP和port提取

全部代码：

#pragma once#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string>
#include <stdint.h>
#include <strings.h>
using namespace std;class myInetAddr
{
private:void Set_Port() // 端口号的网络字节序转换为主机字节序{_port = ntohs(_net_addr.sin_port);}void Set_Ip() // IP的网络字节序转换为主机字节序{char ipbuffer[100] = {0};_ip = inet_ntop(AF_INET, &_net_addr.sin_addr, ipbuffer, sizeof(ipbuffer));// 相较于inet_ntoa，这个函数更安全，不会被覆盖}public:myInetAddr(const sockaddr_in &addr) : _net_addr(addr) // 传入一个sockaddr_in结构体，将其赋值给_net_addr{Set_Port(); // 调用Set_Port函数，将sockaddr_in结构体里面的端口号提取出来Set_Ip();	// 调用Set_Ip函数，将sockaddr_in结构体里面的IP地址提取出来}// 只需要传个端口号，就可以实现IP、端口号的自动初始化，其中IP默认为空，意味着局域网内任意IP都可以通信myInetAddr(uint16_t port, string ip = ""): _port(port), _ip(ip) // 传入端口号，IP默认为空，可自动初始化{// 初始化文件的属性bzero(&_net_addr, sizeof(_net_addr)); // 对_net_addr里面的空间清0，类似memset_net_addr.sin_family = AF_INET;		  // 网络通信，该属性必须要和socket的一致，后续才能绑定_net_addr.sin_port = htons(_port);	  // 写入端口号，htons保证字节序，主机字节序转网络字节序// sockaddr_in里面有struct in_addr sin_addr，这个结构体里面有s_addr，这个就是IP地址_net_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 局域网内任意IP，只要端口号一致就能通信，也可以inet_addr(指定IP的c_str)}const sockaddr *Get_Const_Sockaddr_ptr(){return (const sockaddr *)&_net_addr;}socklen_t Get_Socklen(){return sizeof(_net_addr);}const string Get_Ip() const // 获取sockaddr_in结构体里面的IP地址，加const是为了保证不会修改_ip{return _ip;}const uint16_t Get_Port() const // 获取sockaddr_in结构体里面的端口号，加const是为了保证不会修改_ip{return _port;}private:// 使用sockaddr_in结构而不是sockaddrsockaddr_in _net_addr; // 管理属性的结构体，包括IP和端口号string _ip;			   // 单独记录IP地址uint16_t _port;		   // 单独记录端口号
};

（3）客户端设计

①观察者模式

在管理用户的UserManager中有一个链表，这个链表的实例化类型是BaseUser的指针，链表中的指针就是观察者，这些观察者可以通过多态实现管理User。当有什么操作需要完成时，会遍历链表中的指针，调用User里面的方法完成任务。整个过程中，UserManager都充当管理者、观察者，因此叫做观察者模式。

②User设计

这个User里面保存着用户的属性和方法，当服务器遍历list执行里面的方法时就会到这个类里面调用函数，每个观察者都知道观察对象的IP和port。

③观察者的设计

路由设计，服务器接收消息后就会在这里路由，遍历方法向别人发送信息。

注意这个sockfd是服务器的socket

全部代码

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <list>
#include <memory>
#include <algorithm>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include "myLog.hpp"
#include "myMutex.hpp"
#include "myInetAddr.hpp"using namespace std;
using namespace myLogModule;
using namespace myMutexModule;class BaseUser // 多态，管理用户的基类
{
public:// 虚函数说明销毁的时候会调用子类的析构函数，default说明是默认的析构函数virtual ~BaseUser() = default;// 纯虚函数，第一个参数作用是socket的fd，发送消息时会根据fd发送消息和接收消息，顺便还会发送主机IP和端口号virtual void SendTo(int sockfd, const string &message) = 0;virtual bool CompareAddr(const myInetAddr &addr) = 0;
};class User : public BaseUser // 服务器用来保存用户的IP和端口号
{
public:User(const myInetAddr &addr): _addr(addr){}// 这个sockfd是服务器的socket，用于转发消息，_addr是接收转发消息的客户端的地址void SendTo(int sockfd, const string &message) override // override说明这个函数是重写的，用于规范化代码{LOG(DEBUG) << "服务器转发一条消息至" << _addr.Get_Ip() << ":" << _addr.Get_Port();// 将服务器收到的message发给客户端sendto(sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, _addr.Get_Const_Sockaddr_ptr(), _addr.Get_Socklen());}bool CompareAddr(const myInetAddr &addr) override{return _addr.Get_Ip() == addr.Get_Ip() && _addr.Get_Port() == addr.Get_Port();}private:myInetAddr _addr;
};// 观察者，这里面会管理所有的用户
class UsersManager
{
public:									 // 添加和删除用户都只需要传入管理用户IP和端口号的结构体即可void AddUser(const myInetAddr &addr) // 只管添加用户，查重由该函数自己完成{myLockGuard lockguard(_mutex); // 一次性只允许一个进程访问公共资源，即用户链表for (auto &user : _online_users){if (user->CompareAddr(addr)){return;}}_online_users.push_back(make_shared<User>(addr)); // 多态，父类指针指向子类对象// 服务器新添加了一个用户，这个用户的管理的结构体是myInetAddr，但实际上是多态，所以可以调用子类的函数，这个结构体里面也有IP和端口号的信息LOG(INFO) << "新增用户:" << addr.Get_Ip() << ":" << to_string(addr.Get_Port());}void DeleteUser(const myInetAddr &addr){myLockGuard lockguard(_mutex); // 一次性只允许一个进程访问公共资源，即用户链表for (auto &user : _online_users){if (user->CompareAddr(addr)){_online_users.remove(user); // 这个函数会到链表里面找到这个user，然后删除，前面if已经找到了，所以这里不会有问题LOG(INFO) << addr.Get_Ip() << ":" << to_string(addr.Get_Port()) << "退出聊天室，服务器已删除用户";return; // 找到了就删除，不需要再继续找了}}}void Router(int sockfd, const string &message) // 路由函数，将服务器收到的消息转发给所有的用户{myLockGuard lockguard(_mutex);	 // 一次性只允许一个进程访问公共资源，即用户链表for (auto &user : _online_users) // 遍历所有用户{// 每一次获取数据都会调用一次这个函数，这个函数会将数据转发给所有的用户user->SendTo(sockfd, message); // 某一个用户发送过来信息，遍历所有用户，将信息转发给所有用户，这个socket是发信息的socket，这样其它用户才知道是他发的}}private:// 每个用户都是观察者list<shared_ptr<BaseUser>> _online_users; // 这是多态的体现，基类指针指向派生类对象，可以调用子类的函数myMutex _mutex;							  // 一把锁，保证线程安全
};

⑤客户端主程序设计

为了实现全双工，客户端主程序需要双线程执行，一端负责写消息，一端负责收信息（收不到信息时会一直阻塞在recvfrom中）

全部代码

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include "myCommon.hpp"using namespace std;int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
// sockaddr_in写入要连接的服务器的IP和端口号
sockaddr_in server; // 可以向指定IP和端口号发送信息void ClientQuit(int signal)
{string message = "QUIT";sendto(sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (const sockaddr *)(&server), sizeof(server));cout << "你已退出聊天室" << endl;exit(0);
}void *ReceiveMessage(void *args)
{while (1){sockaddr_in temp;socklen_t len = sizeof(temp);char read_buffer[1024];int n = recvfrom(sockfd, read_buffer, sizeof(read_buffer) - 1, 0,(sockaddr *)(&temp), &len); // 接收对方服务器的IP和端口号read_buffer[n] = '\0';cerr << read_buffer << endl;// 输出接收到的信息，用错误流接收，后面专门用重定向设置一个聊天界面}
}// CS模式，client和server，client发送消息，server接收消息，服务器端永远不会主动发送消息，都是被动的
int main(int argc, char *argv[]) // 第二个参数是IP，第三个参数是端口号
{if (argc != 3){cerr << "三个参数，一个IP，一个端口号" << endl;exit(CLIENT_ERROR); // 2表示客户端错误}string server_ip = argv[1];uint16_t server_port = stoi(argv[2]);if (sockfd < 0){cerr << "客户端启动失败" << endl;exit(CLIENT_ERROR);}cout << "客户端启动成功" << endl;memset(&server, 0, sizeof(server)); // 用0初始化，0是char类型的0，即0x00server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(server_port);                  // 保证字节序server.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip.c_str()); // 保证字节序signal(2, ClientQuit); // 捕获ctrl+c信号，退出程序，触发信号会执行ClientQuit函数，这个函数会向服务器发送QUIT信息，服务器会删除用户信息pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, ReceiveMessage, nullptr);while (true){cout << "请输入信息：";string message;getline(cin, message); // 获取信息// 不需要绑定socket，直接向文件写信息即可，client也有自己的属性，但IP和端口号不需要显式调用bind，客户端指定端口号可能会冲突，首次sendto会自动绑定// 客户端自动bind，一个端口号只能bind一次，一个进程可以绑定多个端口号sendto(sockfd, message.c_str(), message.size(), 0,   // 根据打开的socket发送信息，向socket文件发送消息(const sockaddr *)(&server), sizeof(server)); // 要访问的服务端的IP和端口号// 发送信息的条件：向socket中写数据，socket和本机的IP和端口号绑定（显式绑定和自动绑定）// const sockaddr *指向目的的IP和端口号，发送出去后自己socket里面的IP和端口号也会发出去，对方就能找到你}return 0;
}

（4）服务端设计

①服务端主程序的设计

服务端最主要的就是利用回调函数将User的函数方法传过去，当要进行用户管理或者转发消息时，下层就能通过回调函数跑回顶层，通过这个唯一的um进行管理。

全部代码

#include "UdpServer.hpp"
#include "Users.hpp"int main()
{shared_ptr<UsersManager> um = make_shared<UsersManager>(); // 用户管理模块，服务器启动，这用来管理用户unique_ptr<UdpServer> server(make_unique<UdpServer>()); // 创建一个服务端对象server->RegisterService(//这是回调函数，服务端启动创建管理用户的对象，再用lambda将这个对象传入服务端，这样服务端就能回调上层的um的函数[&um](const myInetAddr &addr){um->AddUser(addr);},[&um](int sockfd, const string &message){um->Router(sockfd, message);},[&um](const myInetAddr &addr){um->DeleteUser(addr);});// 服务端启动，注册服务，这里注册了三个服务，分别是添加用户、路由、删除用户，完成RegisterService后，回调函数保证server里面访问的UsersManager的对象都是um的server->start(); // 启动服务端，之后会一直循环等待接收数据return 0;
}

②服务器端成员变量

三个函数指针是回调函数的，用于调用上层的对象的函数，转发消息

③利用线程池实现服务端

后面的代码逻辑都比较简单，就是让服务器陷入start()循环中，一直接收消息并通过回调函数转发消息。这个转发消息的任务被推到线程池中完成（线程池的实现不再展示）。唯一需要注意的是推送任务中要匹配任务参数，可以通过bind或者lambda调整，后面可以多注意一下。

全部代码

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdint.h>
#include <netinet/in.h>
#include <strings.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <functional>
#include "myLog.hpp"
#include "myInetAddr.hpp"
#include "myCommon.hpp"
#include "myThreadPool.hpp"using namespace std;
using namespace myLogModule; // 使用日志模块
using namespace myThreadPoolModule;const uint16_t default_port = 8888; // 默认端口号，无需指定IP
const int max_size = 1024;			// 存储信息的最大字节数using adduser_t = function<void(const myInetAddr &addr)>;
using route_t = function<void(int sockfd, const string &message)>;
using delete_t = function<void(const myInetAddr &addr)>;class UdpServer
{
public:void RegisterService(adduser_t adduser, route_t route, delete_t del){_adduser = adduser;_route = route;_deluser = del;}UdpServer(uint16_t port = default_port): _socket_fd(-1),	// 服务端的socket文件描述符_addr(port),		// 服务端的端口号，默认为default_port，用于构造myInetAddr对象，自动初始化IP和端口号_isrunning(false) //	服务端的运行状态{// socket创建网络通信的文件_socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // 网络通信，UDP通信方式，0默认if (_socket_fd == -1)						 // 创建失败返回-1{LOG(FATAL) << "服务端启动失败"; // 输出错误信息exit(SERVER_ERROR);				// 直接退出程序，1表示服务端的异常退出}// 到这里创建了文件并写好了属性，接下来要bindif (bind(_socket_fd, _addr.Get_Const_Sockaddr_ptr(), _addr.Get_Socklen()) != 0) // 将属性和文件绑定，绑定成功返回0// 这个文件被绑定后，其它进程才能通过相应的IP和端口号找到这个文件{LOG(FATAL) << "绑定失败";exit(SERVER_ERROR); // 直接退出程序，1表示服务端的异常退出}// socket打开文件，bind将和文件通信的条件写入，至此其它进程才能找到这个进程LOG(INFO) << "服务端已绑定完毕，正在等待启动";}void start(){myThreadPool<task_t>::GetInstance()->StartAddTask(); // 启动线程池LOG(INFO) << "服务端（端口8888）启动成功";sockaddr_in client_addr; // sockaddr_in类型，这是用于获取第一次接收的用户端的数据所附带的IP、端口号信息socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);_isrunning = true; // 启动服务器while (_isrunning) // 服务器运行时一直循环{bzero(_read_buffer, sizeof(_read_buffer)); // 对读写数组清0，数组名就是数组的首地址_write_buffer.clear();					   // 对写数组清空// 会被阻塞在这个函数，直到收到数据，这个函数会将收到的数据写入_read_buffer，还会将客户端的IP和端口号信息写入client_addr和client_addr_lenssize_t n = recvfrom(_socket_fd, _read_buffer, sizeof(_read_buffer) - 1, 0, // 读到的数据存到_read_buffer里面(struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);	// 读到属性并写入client_addr和client_addr_len// n不包含'\0'，所以要手动加上if (n > 0){_read_buffer[n] = '\0'; // 读到的最后一个字符后面加上'\0'，保证字符串安全// 处理收到的属性，client_addr是sockaddr_in类型，需要转换为myInetAddr类型，这样就可以有了客户端的myInetAddrmyInetAddr client_inet_addr(client_addr); // 直接将客户端的IP和端口号信息传入myInetAddr对象，自动初始化IP和端口号// 某一个用户开始向服务器发送数据，服务器开始接收数据，但先要添加用户_adduser(client_inet_addr); // 添加用户，调用回调函数，服务器的main函数定义的um里面的list添加用户，函数内部查重，这里不操作string _write_buffer = client_inet_addr.Get_Ip() + ":" + to_string(client_inet_addr.Get_Port()) + "发出消息：" + _read_buffer;if (strcmp(_read_buffer, "QUIT") == 0){// 移除该UsersManager里面保存的用户信息task_t task_deluser = bind(UdpServer::_deluser, client_addr);myThreadPool<task_t>::GetInstance()->AddTask(move(task_deluser));// 这里不能return，服务器一直在start函数里循环，return会直接退出函数//QUIT之后通知其它人_write_buffer = client_inet_addr.Get_Ip() + ":" + to_string(client_inet_addr.Get_Port()) + "已退出聊天室";}// 将回调函数_route绑定到新的task_t中，这个类型没有参数，将这个专门封装的类型推送到线程池中task_t execute_task = bind(UdpServer::_route, _socket_fd, _write_buffer);myThreadPool<task_t>::GetInstance()->AddTask(move(execute_task)); // 将这个任务推送到线程池中，这个线程池会执行um的函数}}}void stop(){_isrunning = false; // 服务器停止，自动根据while退出循环}~UdpServer(){if (_socket_fd != -1){close(_socket_fd);LOG(INFO) << "已关闭服务器端";}}private:int _socket_fd;	 // 调用socket之后创建文件后返回的文件fdbool _isrunning; // 记录当前服务端的运行状态myInetAddr _addr;string _write_buffer;		 // 服务器准备写出的信息char _read_buffer[max_size]; // 服务器读到的信息adduser_t _adduser; // 函数指针，用于添加用户delete_t _deluser;	// 函数指针，用于删除用户route_t _route;		// 函数指针，用于转发消息
};

（5）重定向文件

./test 1>test.txt可将输出重定向到文件中，标准输入、标准错误可以打印到不同文件中，方便我们进行debug，在这里我们也可以借此将聊天消息统一传到一个界面里面

注意：

1>log.txt 2>log.txt不可行，两个打开一个文件，其中一个流输出的内容会被清空，1>log.txt 2>>log.txt就可以了。

1>log.txt 2>&1也可以实现，把1的内容拷贝给2，让2也指向log.txt，这就意味着文件不是2打开的，只算做1打开文件，只是1单独将描述符私发给2，2不会清空文件