【探索Linux】—— 强大的命令行工具 P.28（网络编程套接字 —— 简单的UDP网络程序模拟实现）

引言

在前一篇文章中，我们详细介绍了UDP协议和TCP协议的特点以及它们之间的异同点。本文将延续上文内容，重点讨论简单的UDP网络程序模拟实现。通过本文的学习，读者将能够深入了解UDP协议的实际应用，并掌握如何编写简单的UDP网络程序。让我们一起深入探讨UDP网络程序的实现细节，为网络编程的学习之旅添上一份精彩的实践经验。

一、UDP协议

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的、轻量级的网络传输协议，它提供了快速、简单的数据传输服务。下面是一个简单的UDP程序实现示例，包括一个UDP服务器和一个UDP客户端。详介绍可以看上一篇文章：UDP协议介绍 | TCP协议介绍 | UDP 和 TCP 的异同

二、UDP网络程序模拟实现

1. 预备代码

⭕makefile文件

.PHONY:all
all:udpserver udpclientudpserver:Main.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
udpclient:UdpClient.ccg++ -o $@ $^ -lpthread -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -f udpserver udpclient

这段代码是一个简单的 Makefile 文件，用于编译 UDP 服务器（udpserver）和 UDP 客户端（udpclient）的程序。在这个 Makefile 中定义了两个规则：

1. all：表示默认的目标，依赖于 udpserver 和 udpclient 目标，即执行 make 命令时会编译 udpserver 和 udpclient。
2. clean：用于清理生成的可执行文件 udpserver 和 udpclient。

在 Makefile 中使用了一些特殊的关键字和变量：

• .PHONY：声明 all 和 clean 是伪目标，不是真正的文件名。
• $@：表示目标文件名。
• $^：表示所有依赖文件列表。
• -std=c++11：指定 C++ 的编译标准为 C++11。
• -lpthread：链接 pthread 库，用于多线程支持。

⭕打印日志文件

#pragma once#include <iostream>
#include <time.h>
#include <stdarg.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>#define SIZE 1024#define Info 0
#define Debug 1
#define Warning 2
#define Error 3
#define Fatal 4#define Screen 1
#define Onefile 2
#define Classfile 3#define LogFile "log.txt"class Log
{
public:Log(){printMethod = Screen; // 默认输出方式为屏幕打印path = "./log/"; // 默认日志文件存放路径}void Enable(int method){printMethod = method; // 设置日志输出方式（屏幕、单个文件、分类文件）}std::string levelToString(int level){switch (level){case Info:return "Info";case Debug:return "Debug";case Warning:return "Warning";case Error:return "Error";case Fatal:return "Fatal";default:return "None";}}void printLog(int level, const std::string &logtxt){switch (printMethod){case Screen:std::cout << logtxt << std::endl; // 屏幕打印日志信息break;case Onefile:printOneFile(LogFile, logtxt); // 将日志信息追加写入单个文件break;case Classfile:printClassFile(level, logtxt); // 将日志信息追加写入分类文件break;default:break;}}void printOneFile(const std::string &logname, const std::string &logtxt){std::string _logname = path + logname; // 构建日志文件的完整路径int fd = open(_logname.c_str(), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 打开文件，如果文件不存在则创建if (fd < 0)return;write(fd, logtxt.c_str(), logtxt.size()); // 将日志信息写入文件close(fd);}void printClassFile(int level, const std::string &logtxt){std::string filename = LogFile;filename += ".";filename += levelToString(level); // 构建分类文件名，例如"log.txt.Debug/Warning/Fatal"printOneFile(filename, logtxt); // 将日志信息追加写入分类文件}~Log(){}void operator()(int level, const char *format, ...){time_t t = time(nullptr);struct tm *ctime = localtime(&t);char leftbuffer[SIZE];snprintf(leftbuffer, sizeof(leftbuffer), "[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]", levelToString(level).c_str(),ctime->tm_year + 1900, ctime->tm_mon + 1, ctime->tm_mday,ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);va_list s;va_start(s, format);char rightbuffer[SIZE];vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), format, s);va_end(s);// 格式：默认部分+自定义部分char logtxt[SIZE * 2];snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "%s %s", leftbuffer, rightbuffer);printLog(level, logtxt); // 打印日志信息}private:int printMethod; // 日志输出方式std::string path; // 日志文件存放路径
};

该代码实现了一个简单的日志记录类(Log)，其中包括设置日志输出方式（屏幕、单个文件、分类文件）和打印日志信息的功能。

• Log 类是一个用于记录日志的类。
• Enable 函数用于设置日志输出方式，可以选择屏幕打印、单个文件或分类文件。
• printLog 函数根据设置的日志输出方式，将日志信息打印到屏幕、追加写入单个文件或分类文件。
• printOneFile 函数用于将日志信息追加写入单个文件。
• printClassFile 函数用于将日志信息追加写入分类文件。
• levelToString 函数将日志级别转换为对应的字符串表示。
• operator() 函数是重载的函数调用运算符，用于打印日志信息。
• path 是日志文件存放路径，默认为"./log/"。
• printMethod 是日志输出方式，默认为屏幕打印。
• SIZE 定义了缓冲区大小。
• Info、Debug、Warning、Error、Fatal 是日志级别的定义。
• Screen、Onefile、Classfile 是日志输出方式的定义。
• LogFile 是单个文件名的定义。

⭕打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>// 定义要打开的终端设备文件路径
std::string terminal = "/dev/pts/6";// 打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符
int OpenTerminal()
{// 使用open函数以只写方式打开终端设备文件int fd = open(terminal.c_str(), O_WRONLY);if(fd < 0){// 如果打开终端设备文件失败，则输出错误信息到标准错误输出std::cerr << "open terminal error" << std::endl;return 1; // 返回错误代码}// 将终端设备文件的文件描述符复制给标准错误输出的文件描述符// 这样标准错误输出就会重定向到指定的终端设备上dup2(fd, 2);// 如果需要在此处输出信息到标准错误输出，可以使用printf等函数// 关闭文件描述符// close(fd);return 0; // 返回成功代码
}

这段代码的作用是打开一个终端设备文件 “/dev/pts/6”，将其作为标准错误输出（stderr）的目标文件描述符，实现将错误信息输出到指定的终端设备上。

• terminal 变量存储了要打开的终端设备文件路径 “/dev/pts/6”。
• OpenTerminal 函数尝试打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符。
  • 首先使用 open 函数打开终端设备文件，以只写方式（O_WRONLY）。
  • 如果成功打开终端设备文件，则将其文件描述符复制给标准错误输出的文件描述符（2），即 dup2(fd, 2)，这样标准错误输出就会重定向到该终端设备上。
  • 如果打开终端设备文件失败，则输出错误信息到标准错误输出，并返回错误代码 1。
  • 最后函数返回0表示成功。

2. UDP 服务器端实现（UdpServer.hpp）

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <strings.h>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <functional>
#include <unordered_map>
#include "Log.hpp"// 使用Log类记录日志信息
Log lg;enum {SOCKET_ERR = 1,BIND_ERR
};uint16_t defaultport = 8080;
std::string defaultip = "0.0.0.0";
const int size = 1024;class UdpServer {
public:UdpServer(const uint16_t& port = defaultport, const std::string& ip = defaultip): sockfd_(0), port_(port), ip_(ip), isrunning_(false){}void Init() {// 1. 创建UDP socketsockfd_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // PF_INETif (sockfd_ < 0) {lg(Fatal, "socket create error, sockfd: %d", sockfd_);exit(SOCKET_ERR);}lg(Info, "socket create success, sockfd: %d", sockfd_);// 2. 绑定socketstruct sockaddr_in local;bzero(&local, sizeof(local));local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(port_); // 端口号需要转换为网络字节序local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str()); // 将IP地址转换为网络字节序if (bind(sockfd_, (const struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0) {lg(Fatal, "bind error, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));exit(BIND_ERR);}lg(Info, "bind success, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));}void CheckUser(const struct sockaddr_in& client, const std::string clientip, uint16_t clientport) {// 检查用户是否已经存在在线用户列表中auto iter = online_user_.find(clientip);if (iter == online_user_.end()) {online_user_.insert({clientip, client});std::cout << "[" << clientip << ":" << clientport << "] add to online user." << std::endl;}}void Broadcast(const std::string& info, const std::string clientip, uint16_t clientport) {// 广播消息给所有在线用户for (const auto& user : online_user_) {std::string message = "[";message += clientip;message += ":";message += std::to_string(clientport);message += "]# ";message += info;socklen_t len = sizeof(user.second);sendto(sockfd_, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)(&user.second), len);}}void Run() {isrunning_ = true;char inbuffer[size];while (isrunning_) {struct sockaddr_in client;socklen_t len = sizeof(client);// 接收客户端发送的消息ssize_t n = recvfrom(sockfd_, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&client, &len);if (n < 0) {lg(Warning, "recvfrom error, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));continue;}// 获取客户端的IP地址和端口号uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);// 检查用户是否已经存在在线用户列表中CheckUser(client, clientip, clientport);std::string info = inbuffer;// 将接收到的消息广播给所有在线用户Broadcast(info, clientip, clientport);}}~UdpServer() {if (sockfd_ > 0)close(sockfd_);}private:int sockfd_; // 网络文件描述符std::string ip_; // 服务器IP地址uint16_t port_; // 服务器端口号bool isrunning_; // 服务器运行状态std::unordered_map<std::string, struct sockaddr_in> online_user_; // 在线用户列表
};

• Log.hpp 是用于记录日志信息的头文件。
• lg 是一个 Log 类的对象，用于输出日志信息。
• enum 定义了两个错误类型：SOCKET_ERR 和 BIND_ERR，分别表示 socket 创建错误和绑定错误。
• defaultport 和 defaultip 分别设置默认的端口号和 IP 地址。
• size 定义接收缓冲区的大小为 1024 字节。
• UdpServer 类封装了一个 UDP 服务器。
• 构造函数 UdpServer 接受端口号和 IP 地址作为参数，并初始化成员变量。
• Init 函数用于初始化 UDP 服务器，其中：
  • 创建 UDP socket，并检查创建是否成功。
  • 绑定 socket 到指定的 IP 地址和端口号，并检查绑定是否成功。
• CheckUser 函数用于检查用户是否已经存在在线用户列表中，如果不存在则将其添加到列表中。
• Broadcast 函数用于向所有在线用户广播消息，其中：
  • 消息格式为 [发送者IP:发送者端口号]# 消息内容。
  • 使用 sendto 函数发送消息给每个在线用户。
• Run 函数是 UDP 服务器的主循环，其中：
  • 循环接收客户端发送的消息，并将其广播给所有在线用户。
  • 对每个客户端，获取其 IP 地址和端口号，并进行用户检查和消息广播。
• ~UdpServer 析构函数关闭网络文件描述符。
• sockfd_ 是网络文件描述符，用于创建和管理网络连接。
• ip_ 是服务器的 IP 地址。
• port_ 是服务器的端口号。
• isrunning_ 表示服务器的运行状态，用于控制循环退出。
• online_user_ 是一个无序映射，用于保存在线用户的 IP 地址和对应的 sockaddr_in 结构体。

3. UDP 客户端实现（main函数）

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <strings.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>
#include "Terminal.hpp"using namespace std;// 函数声明：打印程序的使用方法
void Usage(std::string proc);// 结构体：用于传递线程参数
struct ThreadData
{struct sockaddr_in server; // 服务器地址结构体int sockfd; // socket 文件描述符std::string serverip; // 服务器 IP 地址
};// 线程函数：接收消息
void *recv_message(void *args);// 线程函数：发送消息
void *send_message(void *args);// 主函数
int main(int argc, char *argv[])
{if (argc != 3){Usage(argv[0]); // 打印使用方法exit(0);}// 解析命令行参数std::string serverip = argv[1]; // 服务器 IP 地址uint16_t serverport = std::stoi(argv[2]); // 服务器端口号// 初始化 ThreadData 结构体struct ThreadData td;bzero(&td.server, sizeof(td.server)); // 清零服务器地址结构体td.server.sin_family = AF_INET; // 设置地址族为 IPv4td.server.sin_port = htons(serverport); // 设置端口号（转换为网络字节序）td.server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str()); // 设置服务器 IP 地址（转换为网络字节序）// 创建 UDP sockettd.sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (td.sockfd < 0){cout << "socket error" << endl;return 1;}td.serverip = serverip; // 存储服务器 IP 地址pthread_t recvr, sender; // 定义接收消息和发送消息的线程pthread_create(&recvr, nullptr, recv_message, &td); // 创建接收消息线程pthread_create(&sender, nullptr, send_message, &td); // 创建发送消息线程// 等待接收消息和发送消息的线程退出pthread_join(recvr, nullptr);pthread_join(sender, nullptr);close(td.sockfd); // 关闭 socketreturn 0;
}// 函数实现：打印程序的使用方法
void Usage(std::string proc)
{std::cout << "\n\rUsage: " << proc << " serverip serverport\n" << std::endl;
}// 线程函数实现：接收消息
void *recv_message(void *args)
{ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args); // 强制类型转换为 ThreadData 结构体指针char buffer[1024]; // 接收消息的缓冲区while (true){memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); // 清空缓冲区struct sockaddr_in temp;socklen_t len = sizeof(temp);ssize_t s = recvfrom(td->sockfd, buffer, 1023, 0, (struct sockaddr *)&temp, &len); // 接收消息if (s > 0){buffer[s] = 0;cerr << buffer << endl; // 输出接收到的消息}}
}// 线程函数实现：发送消息
void *send_message(void *args)
{ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args); // 强制类型转换为 ThreadData 结构体指针string message; // 存储用户输入的消息socklen_t len = sizeof(td->server); // 服务器地址的长度// 发送欢迎消息std::string welcome = td->serverip + " comming...";sendto(td->sockfd, welcome.c_str(), welcome.size(), 0, (struct sockaddr *)&(td->server), len);while (true){cout << "Please Enter@ ";getline(cin, message); // 获取用户输入的消息sendto(td->sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr *)&(td->server), len); // 发送消息给服务器}
}

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