C/C++ 实现Socket交互式服务端

在 Windows 操作系统中，原生提供了强大的网络编程支持，允许开发者使用 Socket API 进行网络通信，通过 Socket API，开发者可以创建、连接、发送和接收数据，实现网络通信。本文将深入探讨如何通过调用原生网络 API 实现同步远程通信，并介绍了一个交互式 Socket 类的封装，提升了编写交互式服务器的便利性。

1. 交互式套接字类

为了更好地利用原生网络 API，我们引入了一个交互式 Socket 类的封装。这个类抽象了底层的网络细节，提供了简单而强大的接口，使得服务器端的交互式功能更容易实现。我们将详细介绍这个类的设计和使用方法。

MySocket 类是一个 C++ 套接字类，封装了在 Windows 平台上使用原生网络 API 进行同步远程通信的基本功能，该类需要使用多字节编码模式，服务端与客户端均需要引入此类，在项目头文件中均需要新建MySocket.hpp文件。

完整代码如下所示；

#pragma once
#include <WinSock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")class MySocket
{
protected:SOCKET m_hSocket;
public:// 获取对端Socket用户IP端口等BOOL GetPeerName(char* rSocketAddress, UINT& rSocketPort){sockaddr_in name = { AF_INET };int lenname = sizeof(name);if (getpeername(m_hSocket, (sockaddr*)&name, &lenname) < 0)return false;strcpy(rSocketAddress, inet_ntoa(name.sin_addr));rSocketPort = htons(name.sin_port);return true;}// 获取本机Socket用户IP端口等BOOL GetSockName(char* rSocketAddress, UINT& rSocketPort){sockaddr_in name = { AF_INET };int lenname = sizeof(name);if (getsockname(m_hSocket, (sockaddr*)&name, &lenname) < 0)return false;strcpy(rSocketAddress, inet_ntoa(name.sin_addr));rSocketPort = htons(name.sin_port);return true;}// 获取当前用户SocketIDBOOL GetSocketID(){return m_hSocket;}// 创建套接字BOOL Create(UINT nSocketPort = 0, int nSockType = SOCK_STREAM, LPCTSTR lpszSocketAddress = NULL){// 创建套接字m_hSocket = socket(AF_INET, nSockType, 0);if (m_hSocket == INVALID_SOCKET)return false;// 设置IP地址和端口sockaddr_in sa = { AF_INET };sa.sin_port = htons(nSocketPort);if (lpszSocketAddress)sa.sin_addr.s_addr = inet_addr(lpszSocketAddress);// 绑定套接字和IP地址端口return !bind(m_hSocket, (sockaddr*)&sa, sizeof(sa));}// 接受客户请求BOOL Accept(MySocket& rConnectedSock, LPSTR szIp = NULL, UINT* nPort = NULL){sockaddr_in sa = { AF_INET };int nLen = sizeof(sa);rConnectedSock.m_hSocket = accept(this->m_hSocket, (sockaddr*)&sa, &nLen);if (rConnectedSock.m_hSocket == INVALID_SOCKET)return false;if (szIp)strcpy(szIp, inet_ntoa(sa.sin_addr));if (nPort)*nPort = htons(sa.sin_port);return true;}// 连接服务端BOOL Connection(LPCSTR lpszHostAddress, UINT nPort){sockaddr_in sa = { AF_INET };sa.sin_port = htons(nPort);sa.sin_addr.s_addr = inet_addr(lpszHostAddress);return !connect(m_hSocket, (sockaddr*)&sa, sizeof(sa));}// 侦听BOOL Listen(int nConnectionBacklog = 5){return !listen(m_hSocket, nConnectionBacklog);}// 逐条发送int Send(const void* lpBuf, int nBufLen, int nFlags = 0){return send(m_hSocket, (LPCSTR)lpBuf, nBufLen, nFlags);}// 发送整个缓冲区int SendTo(const void* lpBuf, int nBufLen, UINT nHostPort, LPCSTR lpszHostAddress = NULL,int nFlags = 0){sockaddr_in to = { AF_INET };to.sin_port = htons(nHostPort);to.sin_addr.s_addr = inet_addr(lpszHostAddress);return sendto(m_hSocket, (LPCSTR)lpBuf, nBufLen, nFlags, (sockaddr*)&to, sizeof(to));}// 逐条接收int Receive(void* lpBuf, int nBufLen, int nFlags = 0){return recv(m_hSocket, (LPTSTR)lpBuf, nBufLen, nFlags);}// 接收整个缓冲区int ReceiveFrom(void* lpBuf, int nBufLen, char* rSocketAddress, UINT& rSocketPort, int nFlags = 0){sockaddr_in from = { AF_INET };int lenFrom = sizeof(from);int n = recvfrom(m_hSocket, (LPSTR)lpBuf, nBufLen, nFlags, (sockaddr*)&from, &lenFrom);strcpy(rSocketAddress, inet_ntoa(from.sin_addr));rSocketPort = htons(from.sin_port);return n;}// 关闭套接字void Close(){closesocket(m_hSocket);m_hSocket = INVALID_SOCKET;}MySocket(){WSADATA wsaData;WSAStartup(0x0202, &wsaData);m_hSocket = INVALID_SOCKET;}~MySocket(){Close();}
};

以下是对该类的概括：

• 类名：MySocket
• 功能：提供了基本的网络通信功能，包括创建套接字、获取对端和本机的信息、接受客户端连接、连接服务端、监听连接请求、发送和接收数据。
• 成员变量：
  • SOCKET m_hSocket：套接字句柄，用于标识一个套接字。
• 成员函数：
  • Create：创建套接字，并可指定类型、本地端口和地址。
  • Accept：接受客户请求，返回连接的套接字。
  • Connection：连接到服务端。
  • Listen：开始监听连接请求。
  • Send：逐条发送数据。
  • SendTo：发送整个缓冲区到指定地址。
  • Receive：逐条接收数据。
  • ReceiveFrom：接收整个缓冲区，并获取发送端地址和端口。
  • Close：关闭套接字。
• 初始化和清理：
  • 构造函数 MySocket：初始化 Winsock 库和套接字句柄。
  • 析构函数 ~MySocket：关闭套接字。
• 使用注意事项：
  • 适用于简单的同步网络通信场景。

该类提供了一些基本的网络编程功能，适合用于创建简单的服务器端和客户端。需注意，这是一个同步实现的套接字类，适用于一些较为简单的网络通信需求。

2. 实现简单的通信

通过具体的代码示例，我们将演示如何使用交互式 Socket 类在 Windows 操作系统上实现同步远程通信。代码将包括服务器端和客户端的实现，以及它们之间的交互过程。通过这些示例，读者将更好地理解如何在实际项目中应用这些概念。

2.1 服务端流程

如下代码是一个简单的服务端程序，通过 MySocket 类建立基于 TCP 协议的服务器，通过sock.Create()创建套接字，然后通过sock.Accept()接收套接字，当有新的套接字连入时自动调用_beginthread()函数开启一个子线程维持套接字的运行，每一个子线程内部则都由ClientPro()函数来实现交互。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS#include <iostream>
#include <process.h>
#include "MySocket.hpp"using namespace std;void ClientPro(void* ptr)
{// 初始化MySocket* pSock = (MySocket*)ptr;MySocket server_socket = *pSock;server_socket.Send((const char *)"Welcome to LyServer", 19);// 获取客户端信息char sIp[20];UINT nPort;server_socket.GetPeerName(sIp, nPort);while (true){char szBuffer[4096] = { 0 };// 接收客户返回消息int ref = server_socket.Receive(szBuffer, sizeof(szBuffer));if (ref <= 0){std::cout << "客户: " << sIp << ":" << nPort << " [已断开]" << std::endl;break;}std::cout << "地址: " << sIp << ":" << nPort << " 接收命令: " << szBuffer << std::endl;// 选择不同的命令if (strcmp(szBuffer, "list\n") == 0){std::cout << "输出文件" << std::endl;}else if (strcmp(szBuffer, "download\n") == 0){std::cout << "下载文件" << std::endl;}else if (strcmp(szBuffer, "upload\n") == 0){std::cout << "上传文件" << std::endl;}// 返回给客户端server_socket.Send((char*)"ok", 2);}
}int main(int argc, char *argv[])
{MySocket sock;if (!sock.Create(8233, SOCK_STREAM, "127.0.0.1")){return -1;}// 获取本机信息char sSevIp[20];UINT nSevPort;sock.GetSockName(sSevIp, nSevPort);std::cout << "服务端: " << sSevIp << ":" << nSevPort << " 服务器启动成功" << std::endl;sock.Listen(5);// 获取客户端信息char sIp[20];UINT nPort;MySocket ptr;while (true){// 当有新用户进来自动创建一个线程来维持会话sock.Accept(ptr, sIp, &nPort);std::cout << "客户: " << sIp << ":" << nPort << " [已登录]" << std::endl;// 多线程_beginthread(ClientPro, 0, &ptr);}return 0;
}

以下是对该代码的概括：

• 功能：实现一个简单的基于 TCP 的服务器，监听指定端口（8233），接受客户端连接，创建一个线程处理每个客户端的会话。
• 主要函数和过程：
  • ClientPro 函数：处理每个客户端的会话。向客户端发送欢迎消息，接收客户端发送的命令，根据不同的命令执行相应的操作，并向客户端发送响应。该函数通过多线程在后台运行，使得服务器能够同时处理多个客户端。
  • main 函数：在主线程中创建 MySocket 类实例 sock，并调用 Create 函数创建服务器套接字。然后，通过 Listen 函数监听客户端连接。在循环中，通过 Accept 函数接受客户端连接，并为每个客户端创建一个新线程，用于处理客户端的会话。
• 通信协议：客户端和服务器之间通过简单的文本协议进行通信。客户端发送不同的命令（“list”、“download”、“upload”），服务器接收命令并执行相应的操作，然后向客户端发送响应（“ok”）。
• 线程创建：使用 _beginthread 函数在每个新连接上创建一个线程，用于处理该客户端的会话。

2.2 客户端流程

如下代码是一个简单的客户端程序，通过 MySocket 类实现与服务端的基于 TCP 协议的通信，通过sock.Connection()建立套接字链接，通过sock.Receive()接收数据，通过sock.Send()发送数据，其运行原理与原生套接字写法保持一致。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS
#include <iostream>
#include "MySocket.hpp"using namespace std;int main(int argc, char* argv[])
{MySocket sock;if (!sock.Create(0, SOCK_STREAM)){return -1;}// 获取本机信息char sClientIp[20];UINT nClientPort;sock.GetSockName(sClientIp, nClientPort);std::cout << "服务端: " << sClientIp << ":" << nClientPort << " 服务器启动成功" << std::endl;if (!sock.Connection("127.0.0.1", 8233)){cout << "连接服务器失败" << GetLastError() << endl;return -1;}char szBuffer[4096] = { 0 };int ref = sock.Receive(szBuffer, sizeof(szBuffer));szBuffer[ref] = 0;std::cout << "服务端回应: " << szBuffer << std::endl;while (true){// 循环接受输入input:memset(szBuffer, 0, 4096);std::cout << "Input CMD > ";// 接收输入命令int inputLine = 0;while ((szBuffer[inputLine++] = getchar()) != '\n');if (strlen(szBuffer) == 1)goto input;// 发送数据sock.Send(szBuffer, 4096, 0);// 接收回显memset(szBuffer, 0, 4096);sock.Receive(szBuffer, 4096, 0);std::cout << "服务端回显: " << szBuffer << std::endl;}sock.Close();return 0;
}

以下是对该代码的概括：

• 功能：实现一个基于 TCP 的客户端，连接到指定 IP 地址和端口（127.0.0.1:8233），与服务器建立连接后，可以输入命令并发送到服务器，接收并显示服务器的回显。
• 主要函数和过程：
  • main 函数：在主线程中创建 MySocket 类实例 sock，并调用 Create 函数创建客户端套接字。然后，通过 Connection 函数连接到服务器。接着，通过 Receive 函数接收服务器发送的欢迎消息，并显示在控制台。
  • 在一个无限循环中，通过标准输入接收用户输入的命令，将命令发送到服务器，然后接收并显示服务器的回显。
• 通信协议：客户端和服务器之间通过简单的文本协议进行通信。客户端发送用户输入的命令，服务器执行命令并将结果回显给客户端。
• 输入循环：通过一个无限循环，不断接收用户输入的命令，并发送到服务器。如果用户输入空命令，程序会跳转回 input 标签重新接收输入。
• 错误处理：在连接服务器失败时，通过 GetLastError() 输出详细错误信息。
• 关闭套接字：在程序结束时，通过 sock.Close() 关闭套接字。

依次运行服务端和客户端，然后当客户端连接成功后此时的服务端即可收到连接请求，此时客户端可以执行各类简单的命令，如下图所示；

3.实现登录服务器

上述代码只是一个简单的演示案例，用来演示如何使用套接字编写交互程序，如下我们将继续完善这段代码，实现一个简单的带有登录功能的登录服务器程序，使用户可以在执行命令前具备简单的登录认证功能。

3.1 服务端流程

如下代码是一个简单的基于 Windows 的多线程服务器程序，通过 MySocket 类实现与客户端的基于 TCP 协议的通信，在交互模式下用户可输入多种命令，登录登出以及登陆后的命令执行功能。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS#include <iostream>
#include <process.h>
#include <vector>
#include "MySocket.hpp"using namespace std;// 登录状态记录
typedef struct
{char UserName[32];int SocketID;
}loginPool;// ------------------------------------------------------------------------
// 用户登录验证代码部分std::vector<loginPool> login_pool_vect;// 检查用户ID是否存在与容器内,如果存在则返回用户名
bool is_login(std::vector<loginPool> &ptr, int socket_id)
{for (int x = 0; x < ptr.size(); x++){if (ptr[x].SocketID == socket_id){return true;}}return false;
}// 用户登录验证
bool login(char *username, char *password, int socket_id)
{if ((strcmp(username, "lyshark") == 0) && (strcmp(password, "123123") == 0)){// 如果在则增加一个socket登录标志loginPool pool_ptr;pool_ptr.SocketID = socket_id;strcpy(pool_ptr.UserName, "lyshark");login_pool_vect.push_back(pool_ptr);return true;}else if ((strcmp(username, "admin") == 0) && (strcmp(password, "123456") == 0)){// 如果在则增加一个socket登录标志loginPool pool_ptr;pool_ptr.SocketID = socket_id;strcpy(pool_ptr.UserName, "lyshark");login_pool_vect.push_back(pool_ptr);return true;}return false;
}// 根据传入ID从容器内弹出一个节点
bool logout(std::vector<loginPool> &ptr, int socket_id)
{for (vector<loginPool>::iterator it = ptr.begin(); it != ptr.end(); it++){if (it->SocketID == socket_id){// 弹出指定结构体ptr.erase(it);return true;}}return false;
}// ------------------------------------------------------------------------
// 响应客户端的子线程(主要功能实现部分)
void ClientPro(void* ptr)
{// 初始化MySocket* pSock = (MySocket*)ptr;MySocket server_socket = *pSock;server_socket.Send((const char *)"Welcome to LyShark Mini Server", 31);// 获取客户端信息char sIp[20];UINT nPort;server_socket.GetPeerName(sIp, nPort);while (true){char szBuffer[4096] = { 0 };int sid = pSock->GetSocketID();int ref = server_socket.Receive(szBuffer, sizeof(szBuffer));if (ref <= 0){logout(login_pool_vect, sid);std::cout << "客户: " << sIp << ":" << nPort << " [已断开]" << std::endl;break;}std::cout << "地址: " << sIp << ":" << nPort << " 接收命令: " << szBuffer << std::endl;// 用户登录if (strcmp(szBuffer, "login\n") == 0){char recv_username[32] = { 0 };char recv_password[32] = { 0 };// 接收用户名和密码pSock->Receive(recv_username, 32, 0);pSock->Receive(recv_password, 32, 0);// 验证登录状态bool login_flag = login(recv_username, recv_password, sid);if (login_flag == TRUE){std::cout << "用户: " << recv_username << " 已登录" << std::endl;pSock->Send("已登录", sizeof("已登录"), 0);}else{pSock->Send("账号或密码错误", sizeof("账号或密码错误"), 0);}}// 用户登出else if (strcmp(szBuffer, "logout\n") == 0){// 验证是否登录成功int login_flag = is_login(login_pool_vect, sid);if (login_flag == TRUE){std::cout << "用户已登出" << std::endl;logout(login_pool_vect, sid);pSock->Send("用户已登出", sizeof("用户已登出"), 0);}else{std::cout << "请先登录" << std::endl;pSock->Send("请先登录", sizeof("请先登录"), 0);}}// 遍历本机文件else if (strcmp(szBuffer, "list\n") == 0){// 验证是否登录成功int login_flag = is_login(login_pool_vect, sid);if (login_flag == TRUE){std::cout << "用户已登录,输出本机文件" << std::endl;pSock->Send("认证通过", sizeof("认证通过"), 0);// 循环输出数据包for (int x = 0; x < 10; x++){char sz[1024] = { 0 };sprintf(sz, "count -> %d", x);pSock->Send(sz, sizeof(sz), 0);}}else{std::cout << "请先登录" << std::endl;pSock->Send("请先登录", sizeof("请先登录"), 0);}}}
}int main(int argc, char *argv[])
{MySocket sock;if (!sock.Create(8233, SOCK_STREAM, "127.0.0.1")){return -1;}// 获取本机信息char sSevIp[20];UINT nSevPort;sock.GetSockName(sSevIp, nSevPort);std::cout << "服务端: " << sSevIp << ":" << nSevPort << " 服务器启动成功" << std::endl;sock.Listen(5);// 获取客户端信息char sIp[20];UINT nPort;MySocket ptr;while (true){sock.Accept(ptr, sIp, &nPort);std::cout << "客户: " << sIp << ":" << nPort << " [已登录]" << std::endl;// 多线程_beginthread(ClientPro, 0, &ptr);}return 0;
}

以下是对该代码的概括：

• 功能：
  • 通过 MySocket 类实现基于 TCP 协议的多线程服务器，可以处理多个客户端的连接。
  • 实现了用户登录验证功能，支持用户登录、登出和查看本机文件列表的操作。
• 主要结构和功能：
  • 登录状态记录结构体 (loginPool)：记录用户登录状态，包括用户名和套接字 ID。
  • 用户登录验证相关函数：
    • is_login：检查指定套接字 ID 是否已登录。
    • login：验证用户名和密码，如果验证通过则将用户信息加入登录池。
    • logout：根据套接字 ID 从登录池中移除用户。
  • 子线程主要处理函数 ClientPro：
    • 初始化后发送欢迎消息给客户端。
    • 接收客户端命令，处理用户登录、登出和查看本机文件列表的请求。
    • 针对不同的命令进行相应的处理和回复。
  • 主线程 main：
    • 创建服务器套接字，并通过 Create 函数创建服务器套接字。
    • 获取本机信息，包括 IP 地址和端口，并显示在控制台。
    • 通过 Listen 函数监听客户端连接。
    • 接受客户端连接，创建子线程处理每个客户端连接。
• 通信协议：服务器与客户端之间通过简单的文本协议进行通信，支持用户登录、登出和查看本机文件列表的操作。
• 多线程处理：通过 _beginthread 创建子线程处理每个客户端的连接，实现了多客户端并发处理。
• 用户登录验证：支持用户登录验证功能，通过用户名和密码验证用户身份，记录登录状态，处理用户登录、登出的请求。

3.2 客户端流程

如下代码是一个基于 Windows 的客户端程序，通过 MySocket 类实现与服务器的基于 TCP 协议的通信。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#define _WINSOCK_DEPRECATED_NO_WARNINGS
#include <iostream>
#include "MySocket.hpp"using namespace std;int main(int argc, char* argv[])
{MySocket sock;if (!sock.Create(0, SOCK_STREAM)){return -1;}// 获取本机信息char sClientIp[20];UINT nClientPort;sock.GetSockName(sClientIp, nClientPort);if (!sock.Connection("127.0.0.1", 8233)){cout << "连接服务器失败" << GetLastError() << endl;return -1;}char szBuffer[4096] = { 0 };int ref = sock.Receive(szBuffer, sizeof(szBuffer));szBuffer[ref] = 0;std::cout << "服务端回应: " << szBuffer << std::endl;while (true){input:memset(szBuffer, 0, 4096);std::cout << "CMD > ";// 发送命令int inputLine = 0;while ((szBuffer[inputLine++] = getchar()) != '\n');if (strlen(szBuffer) == 1)goto input;// 执行登录if (strcmp(szBuffer, "login\n") == 0){// 发送命令sock.Send(szBuffer, 4096, 0);char input_username[32] = { 0 };char input_password[32] = { 0 };// 发送用户名printf("用户名: ");scanf("%s", &input_username);sock.Send(input_username, 32, 0);// 发送密码printf("密码: ");scanf("%s", &input_password);sock.Send(input_password, 32, 0);// 获取登录状态char recv_message[64] = { 0 };sock.Receive(recv_message, 64, 0);std::cout << recv_message << std::endl;}// 登出用户else if (strcmp(szBuffer, "logout\n") == 0){// 发送命令sock.Send(szBuffer, 4096, 0);// 获取返回消息char recv_message[64] = { 0 };sock.Receive(recv_message, 64, 0);std::cout << recv_message << std::endl;}// 遍历本机文件else if (strcmp(szBuffer, "list\n") == 0){// 发送命令sock.Send(szBuffer, 4096, 0);// 获取返回消息char recv_message[64] = { 0 };sock.Receive(recv_message, 64, 0);std::cout << recv_message << std::endl;if (strcmp(recv_message, "请先登录") == 0){goto input;}// 循环接收数据包for (int x = 0; x < 10; x++){char sz[1024] = { 0 };sock.Receive(sz, 1024, 0);std::cout << sz << std::endl;}}}sock.Close();return 0;
}

以下是对该代码的概括：

• 功能：
  • 通过 MySocket 类实现基于 TCP 协议的客户端，可以与服务器进行通信。
  • 支持用户通过命令行输入与服务器进行简单的交互，包括登录、登出和查看本机文件列表的操作。
• 主要结构和功能：
  • 用户交互循环：
    • 使用一个循环，通过命令行输入命令，将命令发送给服务器，并根据服务器的回应进行相应的操作。
    • 支持登录、登出和查看本机文件列表的操作。
  • 命令处理：
    • 对用户输入的不同命令，通过 sock.Send 将命令发送给服务器，并通过 sock.Receive 接收服务器的回应。
    • 具体命令包括登录、登出和查看本机文件列表。
  • 登录交互：
    • 当用户输入 “login” 命令时，程序会提示用户输入用户名和密码，并将输入的用户名和密码发送给服务器进行登录验证。
    • 接收服务器的回应，输出相应的登录状态信息。
  • 登出交互：
    • 当用户输入 “logout” 命令时，程序向服务器发送登出命令，接收服务器的回应并输出相应的信息。
  • 查看本机文件列表交互：
    • 当用户输入 “list” 命令时，程序向服务器发送查看本机文件列表的命令，接收服务器的回应并输出相应的信息。
    • 如果用户未登录，则输出 “请先登录” 提示，并继续等待用户输入。
• 通信协议：客户端与服务器之间通过简单的文本协议进行通信，服务器回应的信息通过控制台输出。

与之前的程序不同，这段代码增加了简单的用户认证模式，当用户直接执行命令时则会提示客户端请先登录，无法执行命令；

此时通过login命令，并输入用户名lyshark密码123123则会提示已登录，此时就可以执行任意的命令参数了，如下图所示，当结束时还需要使用logout退出当前会话；