网络基础『 序列化与反序列化』

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🛜所属专栏： Linux学习之旅、神奇的网络世界
💻操作环境： CentOS 7.6 阿里云远程服务器

成就一亿技术人

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文章目录

• 🌤️前言
• 🌦️正文
• • 1.协议的重要性
  • 2.什么是序列化与反序列化？
  • 3.实现相关程序
  • 4.封装socket相关操作
  • 5.服务器
  • 6.序列化与反序列
  • 7.工具类
  • 8.业务处理
  • 9.报头处理
  • 10.客户端
  • 11.测试
  • 12.使用库
• 🌨️总结

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🌤️前言

本文将介绍如何使用C++实现简单的服务器和客户端通信，并重点讲解序列化与反序列化的概念和实现。这篇文章将深入探究数据在网络传输中的转换过程，以及如何在C++中应用这些技术

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🌦️正文

1.协议的重要性

假设张三在路上遇到了一位外国人 Jack，这位外国朋友急于寻找厕所，对张三进行了一波 英语 输出，这可难到了张三，因为他 英语 可谓是十分差劲，母语的差异导致双方无法正常交流，信息也无法传达 ，张三急中生智，打开了手机上的 同声传译功能，可以将信息转换为对方能听懂的语言，在工具的帮助之下外国友人最终知晓了厕所的位置

在这个故事中，张三和外国人 Jack 就是两台主机，同声传译 这个功能可以看做一种 协议 （可以确保对端能理解自己传达的信息），协议 的出现解决了主机间的交流问题

对于网络来说，协议是双方通信的基石 ，如果没有协议，那么即使数据传输的再完美也无法使用，比如下面这个就是一个简单的 两正整数运算协议

• 协议要求：发送的数据必须由两个操作数（正整数）和一个运算符组成，并且必须遵循 x op y 这样的运算顺序

int x;
int y;
char op; // 运算符

主机A在发送消息时需要将 操作数x、操作数y和运算符op 进行传递，只要主机A和主机B都遵循这个 协议，那么主机B在收到消息后一定清楚这是两个操作数和一个运算符

现在的问题是如何传递？

• 方案一：将两个操作数和一个运算符拼接在一起直接传递
• 方案二：将两个操作数和一个运算符打包成一个结构体传递

方案一：直接拼接 xopy

方案二：封装成结构体
struct Mssage
{
	int x;
	int y;
	char op;
};

无论是方案一还是方案二都存在问题，前者是对端接收到消息后无法解析，后者则是存在平台兼容问题（不同平台的结构体内存规则可能不同，会导致读取数据出错）

要想确保双方都能正确理解 协议 ，还需要进行 序列化与反序列化 处理

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2.什么是序列化与反序列化？

序列化是指 将一个或多个需要传递的数据，按照一定的格式，拼接为一条数据 ，反序列化则是 将收到的数据按照格式解析

比如主机A想通过 两正整数运算协议 给主机B发送这样的消息

//1+1
int x = 1;
int y = 1;
char op = '+';

可以根据格式（这里使用 （空格））进行 序列化，序列化后的数据长这样

// 经过序列化后得到
string msg = "1 + 1";

在经过网络传输后，主机B收到了消息，并根据 （空格）进行 反序列化，成功获取了主机A发送的信息

string msg = "1 + 1";

// 经过反序列化后得到
int x = 1;
int y = 1;
char op = '+';

这里可以将需要传递的数据存储在结构体中，传递/接收 时将数据填充至类中，类中提供 序列化与反序列化 的相关接口即可

class Request
{
public:
	void Serialization(string* str)
	{}

	void Deserialization(const sting& str)
	{}
	
public:
	int _x;
	int _y;
	char _op;
};

以上就是一个简单的 序列化和反序列化 流程，简单来说就是 协议 定制后不能直接使用，需要配合 序列化与反序列化 这样的工具理解，接下来我们就基于 两正整数运算协议 编写一个简易版的网络计算器，重点在于 理解协议、序列化和反序列化

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3.实现相关程序

我们接下来要编写的程序从实现功能来看是十分简单的：客户端给出两个正整数和一个运算符，服务器计算出结果后返回

整体框架为：客户端获取正整数与运算符 -> 将这些数据构建出 Request 对象 -> 序列化 -> 将结果（数据包）传递给服务器 -> 服务器进行反序列化 -> 获取数据 -> 根据数据进行运算 -> 将运算结果构建出 Response 对象 -> 序列化 -> 将结果（数据包）传递给客户端 -> 客户端反序列后获取最终结果

既然这是一个基于网络的简易版计算器，必然离不开网络相关接口，在编写 服务器 与 客户端 的逻辑之前，需要先将 socket 接口进行封装，方面后续的使用

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4.封装socket相关操作

关于 socket 的相关操作可以看看这两篇博客《网络编程『socket套接字 ‖ 简易UDP网络程序』》、《网络编程『简易TCP网络程序』》

注：当前实现的程序是基于 TCP 协议的

简单回顾下，服务器需要 创建套接字、绑定IP地址和端口号、进入监听连接状态、等待客户端连接 ，至于客户端需要 创建套接字、由操作系统绑定IP地址和端口号、连接服务器，等客户端成功连上服务器后，双方就可以正常进行网络通信了

为了让客户端和服务器都能使用同一个头文件，我们可以把客户端和服务器需要的所有操作都进行实现，各自调用即可

Sock.hpp 套接字相关接口头文件

#pragma once

#include "Log.hpp"
#include "Err.hpp"

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

class Sock
{
    const static int default_sock = -1;
    const static int default_backlog = 32;
public:
    Sock()
        :sock(default_sock)
    {}

    // 创建套接字
    void Socket()
    {
        sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if(sock == -1)
        {
            logMessage(Fatal, "Creater Socket Fail! [%d]->%s", errno, strerror(errno));
            exit(SOCKET_ERR);
        }
        logMessage(Debug, "Creater Socket Success");
    }

    // 绑定IP与端口号
    void Bind(const uint16_t& port)
    {
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof(local));

        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(port);
        local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

        if(bind(sock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) == -1)
        {
            logMessage(Fatal, "Bind Socket Fail! [%d]->%s", errno, strerror(errno));
            exit(BIND_ERR);
        }
        logMessage(Debug, "Bind Socket Success");
    }

    // 进入监听状态
    void Listen()
    {
        if(listen(sock, default_backlog) == -1)
        {
            logMessage(Fatal, "Listen Socket Fail! [%d]->%s", errno, strerror(errno));
            exit(LISTEN_ERR);
        }
    }

    // 尝试处理连接请求
    int Accept(std::string* ip, uint16_t* port)
    {
        struct sockaddr_in client;
        socklen_t len = sizeof(client);

        int retSock = accept(sock, (struct sockaddr*)&client, &len)
;
        if(retSock < 0)
            logMessage(Warning, "Accept Fail! [%d]->%s", errno, strerror(errno));
        else
        {
            *ip = inet_ntoa(client.sin_addr);
            *port = ntohs(client.sin_port);
            logMessage(Debug, "Accept [%d -> %s:%d] Success", retSock, ip->c_str(), *port);
        }

        return retSock;
    }

    // 尝试进行连接
    int Connect(const std::string& ip, const uint16_t& port)
    {
        struct sockaddr_in server;
        memset(&server, 0, sizeof(server));

        server.sin_family = AF_INET;
        server.sin_port = htons(port);
        server.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str());

        return connect(sock, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));
    }

    // 获取sock
    int GetSock()
    {
        return sock;
    }

    // 关闭sock
    void Close()
    {
        if(sock != default_sock)
            close(sock);
        logMessage(Debug, "Close Sock Success");
    }

    ~Sock()
    {}
private:
    int sock; // 既可以是监听套接字，也可以是连接成功后返回的套接字
};

这里还需要用到之前编写的错误码和日志输出

Err.hpp 错误码头文件

#pragma once

enum
{
    USAGE_ERR = 1,
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR,
    LISTEN_ERR,
    CONNECT_ERR,
    FORK_ERR,
    SETSID_ERR,
    CHDIR_ERR,
    OPEN_ERR,
    READ_ERR,
};

Log.hpp 日志输出头文件

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <time.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdarg.h>

using namespace std;

enum
{
    Debug = 0,
    Info,
    Warning,
    Error,
    Fatal
};

static const string file_name = "log/TcpServer.log";

string getLevel(int level)
{
    vector<string> vs = {"<Debug>", "<Info>", "<Warning>", "<Error>", "<Fatal>", "<Unknown>"};
    
    //避免非法情况
    if(level < 0 || level >= vs.size() - 1)
        return vs[vs.size() - 1];
    
    return vs[level];
}

string getTime()
{
    time_t t = time(nullptr);   //获取时间戳
    struct tm *st = localtime(&t);    //获取时间相关的结构体

    char buff[128];
    snprintf(buff, sizeof(buff), "%d-%d-%d %d:%d:%d", st->tm_year + 1900, st->tm_mon + 1, st->tm_mday, st->tm_hour, st->tm_min, st->tm_sec);

    return buff;
}

//处理信息
void logMessage(int level, const char* format, ...)
{
    //日志格式：<日志等级> [时间] [PID] {消息体}
    string logmsg = getLevel(level);    //获取日志等级
    logmsg += " " + getTime();  //获取时间
    logmsg += " [" + to_string(getpid()) + "]";    //获取进程PID

    //截获主体消息
    char msgbuff[1024];
    va_list p;
    va_start(p, format);    //将 p 定位至 format 的起始位置
    vsnprintf(msgbuff, sizeof(msgbuff), format, p); //自动根据格式进行读取
    va_end(p);

    logmsg += " {" + string(msgbuff) + "}";    //获取主体消息

    // 直接输出至屏幕上
    cout << logmsg << endl;

    // //持久化。写入文件中
    // FILE* fp = fopen(file_name.c_str(), "a");   //以追加的方式写入
    // if(fp == nullptr) return;   //不太可能出错

    // fprintf(fp, "%s\n", logmsg.c_str());
    // fflush(fp); //手动刷新一下
    // fclose(fp);
    // fp = nullptr;
} 

有了 Sock.hpp 头文件后，服务器/客户端就可以专注于逻辑编写了

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5.服务器

首先准备好 TcpServer.hpp 头文件，其中实现了服务器初始化、服务器启动、序列化与反序列化等功能

TcpServer.hpp 服务器头文件

#pragma once

#include "Sock.hpp"

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>

namespace CalcServer
{
    class TcpServer;

    // 线程所需要的信息类
    class ThreadDate
    {
    public:
        ThreadDate(int& sock, std::string& ip, uint16_t& port, TcpServer* ptsvr)
            :_sock(sock), _ip(ip), _port(port), _ptsvr(ptsvr)
        {}

        ~ThreadDate()
        {}

        int _sock;
        std::string _ip;
        uint16_t _port;
        TcpServer* _ptsvr; // 回指指针
    };

    class TcpServer
    {
        const static uint16_t default_port = 8888;

    private:
        // 线程的执行函数
        static void* threadRoutine(void* args)
        {
            // 线程剥离
            pthread_detach(pthread_self());

            ThreadDate* td = static_cast<ThreadDate*>(args);
            td->_ptsvr->ServiceIO(td->_sock, td->_ip, td->_port);
            delete td;
            return nullptr;
        }

        // 进行IO服务的函数
        void ServiceIO(const int& sock, const std::string ip, const uint16_t& port)
        {
            // TODO
        }

    public:
        TcpServer(const uint16_t port = default_port)
            :_port(port)
        {}

        // 初始化服务器
        void Init()
        {
            _listen_sock.Socket();
            _listen_sock.Bind(_port);
            _listen_sock.Listen();
        }


        // 启动服务器
        void Start()
        {
            while(true)
            {
                std::string ip;
                uint16_t port;

                int sock = _listen_sock.Accept(&ip, &port);
                if(sock == -1)
                    continue;
                
                // 创建子线程，执行业务处理
                pthread_t tid;
                ThreadDate* td = new ThreadDate(sock, ip, port, this);
                pthread_create(&tid, nullptr, threadRoutine, td);
            }
        }

        ~TcpServer()
        {
            _listen_sock.Close();
        }

    private:
        Sock _listen_sock; // 监听套接字
        uint16_t _port;    // 服务器端口号
    };
}

上面这份代码我们之前在 《网络编程『简易TCP网络程序』》 中已经写过了，本文的重点在于实现 ServiceIO() 函数，现在可以先尝试编译并运行程序，看看代码是否有问题

CalcServer.cc 简易计算器服务器源文件

#include <iostream>
#include <memory>
#include "TcpServer.hpp"

using namespace std;

int main()
{
    unique_ptr<CalcServer::TcpServer> tsvr(new CalcServer::TcpServer());

    tsvr->Init();
    tsvr->Start();

    return 0;
}

Makefile 自动编译脚本

.PHONY:all
all:CalcServer CalcClient

CalcServer:CalcServer.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread

CalcClient:CalcClient.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf CalcServer CalcClient

编译并运行程序，同时查看网络使用情况

netstat -nltp

此时就证明前面写的代码已经没有问题了，接下来是填充 ServiceIO() 函数

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6.序列化与反序列

ServiceIO() 函数需要做这几件事

• 读取数据
• 反序列化
• 业务处理
• 序列化
• 发送数据

除了 序列化和反序列化 外，其他步骤之前都已经见过了，所以我们先来看看如何实现 序列化与反序列化

ServiceIO() 函数 --- 位于 TcpServer.hpp 头文件中的 TcpServer 类中

// 进行IO服务的函数
void ServiceIO(const int& sock, const std::string ip, const uint16_t& port)
{
    // 1.读取数据

    // 2.反序列化

    // 3.业务处理

    // 4.序列化

    // 5.发送数据
}

需要明白我们当前的 协议 为 两正整数运算 ，分隔符为 （空格），客户端传给服务器两个操作数和一个运算符，服务器在计算完成后将结果返回，为了方便数据的读写，可以创建两个类：Request 和 Response，类中的成员需要遵循协议要求，并在其中支持 序列化与反序列化

Protocol.hpp 协议处理相关头文件

#pragma once
#include <string>

namespace my_protocol
{
// 协议的分隔符
#define SEP " "
#define SEP_LEN strlen(SEP)

    class Request
    {
    public:
        Request(int x = 0, int y = 0, char op = '+')
            : _x(x), _y(y), _op(op)
        {}

        // 序列化
        bool Serialization(std::string *outStr)
        {
        }

        // 反序列化
        bool Deserialization(const std::string &inStr)
        {}

        ~Request()
        {}

    public:
        int _x;
        int _y;
        char _op;
    };

    class Response
    {
    public:
        Response(int result = 0, int code = 0)
            :_result(result), _code(code)
        {}

        // 序列化
        bool Serialization(std::string *outStr)
        {}

        // 反序列化
        bool Deserialization(const std::string &inStr)
        {}
        
        ~Response()
        {}

    public:
        int _result; // 结果
        int _code;   // 错误码
    };
}

接下来就是实现 Serialization() 和 Deserialization() 这两个接口

• Serialization()：将类中的成员根据协议要求，拼接成一个字符串
• Deserialization()：将字符串根据格式进行拆解

Request 类 --- 位于 Protocol.hpp 协议相关头文件中

class Request
{
public:
    Request(int x = 0, int y = 0, char op = '+')
        : _x(x), _y(y), _op(op)
    {}

    // 序列化
    bool Serialization(std::string *outStr)
    {
        *outStr = ""; // 清空

        std::string left = Util::IntToStr(_x);
        std::string right = Util::IntToStr(_y);
        *outStr = left + SEP + _op + SEP + right;

        return true;
    }

    // 反序列化
    bool Deserialization(const std::string &inStr)
    {
        std::vector<std::string> result;
        Util::StringSplit(inStr, SEP, result);

        // 协议规定：只允许存在两个操作数和一个运算符
        if(result.size() != 3)
            return false;
        
        // 规定：运算符只能为一个字符
        if(result[1].size() != 1)
            return false;

        _x = Util::StrToInt(result[0]);
        _y = Util::StrToInt(result[2]);
        _op = result[1][0];

        return true;
    }

    ~Request()
    {}

public:
    int _x;
    int _y;
    char _op;
};

其中涉及 IntToStr()、StringSplit()、StrToInt() 等接口，等后面实现 Response 类时也需要使用，所以我们可以直接将其放入 Util 工具类中

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7.工具类

工具类中包含了常用的工具函数

Util.hpp 工具类

#pragma once
#include <string>
#include <vector>

class Util
{
public:
    static std::string IntToStr(int val)
    {
         // 特殊处理
        if(val == 0)
            return "0";
        
        std::string str;
        while(val)
        {
            str += (val % 10) + '0';
            val /= 10;
        }

        int left = 0;
        int right = str.size() - 1;
        while(left < right)
            std::swap(str[left++], str[right--]);
        return str;
    }

    static int StrToInt(const std::string& str)
    {
        int ret = 0;
        for(auto e : str)
            ret = (ret * 10) + (e - '0');
        
        return ret;
    }


    static void StringSplit(const std::string& str, const std::string& sep, std::vector<std::string>* result)
    {
        size_t left = 0;
        size_t right = 0;
        while(right < str.size())
        {
            right = str.find(sep, left);

            if(right == std::string::npos)
                break;
            
            result->push_back(str.substr(left, right - left));
            left = right + sep.size();
        }

        if(left < str.size())
            result->push_back(str.substr(left));
    }
};

接下来就可以顺便把 Response 中的 Serialization() 和 Deserialization() 这两个接口给实现了，逻辑和 Request 类中的差不多（当然结果也要符合 协议 的规定，使用 （空格）进行分隔）

Response 类 --- 位于 Protocol.hpp 协议相关头文件中

class Response
{
public:
    Response(int result = 0, int code = 0)
        :_result(result), _code(code)
    {}

    // 序列化
    bool Serialization(std::string *outStr)
    {
        *outStr = ""; // 清空

        std::string left = Util::IntToStr(_result);
        std::string right = Util::IntToStr(_code);
        *outStr = left + SEP + right;

        return true;
    }

    // 反序列化
    bool Deserialization(const std::string &inStr)
    {
        std::vector<std::string> result;
        Util::StringSplit(inStr, SEP, &result);

        if(result.size() != 2)
            return false;

        _result = Util::StrToInt(result[0]);
        _code = Util::StrToInt(result[1]);

        return true;
    }

    ~Response()
    {}

public:
    int _result; // 结果
    int _code;   // 错误码
};

现在 ServiceIO() 中可以进行 序列化和反序列化 了

ServiceIO() 函数 --- 位于 TcpServer.hpp 头文件中的 TcpServer 类中

// 进行IO服务的函数
void ServiceIO(const int& sock, const std::string ip, const uint16_t& port)
{
    while(true)
    {
        // 1.读取数据
        std::string package; // 假设这是已经读取到的数据包，格式为 "1 + 1"

        // 2.反序列化
        my_protocol::Request req;
        if(req.Deserialization(package) == false)
        {
            logMessage(Warning, "Deserialization fail!");
            continue;
        }

        // 3.业务处理
        // TODO
        my_protocol::Response resp; // 业务处理完成后得到的响应对象

        // 4.序列化
        std::string sendMsg;
        resp.Serialization(&sendMsg);

        // 5.发送数据
    }
}

至于业务处理函数如何实现，交给上层决定，也就是 CalcServer.cc

---

8.业务处理

TcpServer 中的业务处理函数由 CalcServer.cc 传递，规定业务处理函数的类型为 void(Request&, Response*)

Calculate() 函数 --- 位于 CalcServer.cc

#include "TcpServer.hpp"
#include "Protocol.hpp"

#include <iostream>
#include <memory>
#include <functional>
#include <unordered_map>

using namespace std;

void Calculate(my_protocol::Request& req, my_protocol::Response* resp)
{
    // 这里只是简单的计算而已
    int x = req._x;
    int y = req._y;
    char op = req._op;
    unordered_map<char, function<int()>> hash = 
    {
        {'+', [&](){ return x + y; }},
        {'-', [&](){ return x - y; }},
        {'*', [&](){ return x * y; }},
        {'/', [&]()
            {
                if(y == 0)
                {
                    resp->_code = 1;
                    return 0;
                } 
                return x / y; 
            }
        },
        {'%', [&]()
            { 
                if(y == 0)
                {
                    resp->_code = 2;
                    return 0;
                }
                return x % y;
            }
        }
    };

    if(hash.count(op) == 0)
        resp->_code = 3;
    else
        resp->_result = hash[op]();
}

int main()
{
    unique_ptr<CalcServer::TcpServer> tsvr(new CalcServer::TcpServer(Calculate));

    tsvr->Init();
    tsvr->Start();

    return 0;
}

既然 CalcServer 中传入了 Calculate() 函数对象，TcpServer 类中就得接收并使用，也就是业务处理

TcpServer.hpp 头文件

#pragma once

#include "Sock.hpp"
#include "Protocol.hpp"

#include <iostream>
#include <string>
#include <functional>
#include <pthread.h>

namespace CalcServer
{
    using func_t = std::function<void(my_protocol::Request&, my_protocol::Response*)>;

    class TcpServer
    {
        const static uint16_t default_port = 8888;

    private:
    	// ...
    	
        // 进行IO服务的函数
        void ServiceIO(const int& sock, const std::string ip, const uint16_t& port)
        {
            while(true)
            {
                // 1.读取数据
                std::string package; // 假设这是已经读取到的数据包，格式为 "1 + 1"

                // 2.反序列化
                my_protocol::Request req;
                if(req.Deserialization(package) == false)
                {
                    logMessage(Warning, "Deserialization fail!");
                    continue;
                }

                // 3.业务处理
                my_protocol::Response resp; // 业务处理完成后得到的响应对象
                _func(req, &resp);

                // 4.序列化
                std::string sendMsg;
                resp.Serialization(&sendMsg);
                cout << sendMsg << endl;

                // 5.发送数据
            }
        }

    public:
    	// ...

    private:
    	// ...
        func_t _func;      // 上层传入的业务处理函数
    };
}

这就做好业务处理了，ServiceIO() 函数已经完成了 50% 的工作，接下来的重点是如何读取和发送数据？

TCP 协议是面向字节流的，这也就意味着数据在传输过程中可能会因为网络问题，分为多次传输，这也就意味着我们可能无法将其一次性读取完毕，需要制定一个策略，来确保数据全部递达

---

9.报头处理

如何确认自己已经读取完了所以数据？答案是提前知道目标数据的长度，边读取边判断

数据在发送时，是需要在前面添加 长度 这个信息的，通常将其称为 报头 ，而待读取的数据称为 有效载荷 ，报头 和 有效载荷 的关系类似于快递单与包裹的关系，前者是后者成功递达的保障

最简单的 报头 内容就是 有效载荷 的长度

问题来了，如何区分 报头 与 有效载荷 呢？

• 当前可以确定的是，我们的报头中只包含了长度这个信息
• 可以通过添加特殊字符，如 \r\n 的方式进行区分
• 后续无论有效载荷变成什么内容，都不影响我们通过报头进行读取

报头处理属于协议的一部分

所以在正式读写数据前，需要解决 报头 的问题（收到数据后移除报头，发送数据前添加报头）

ServiceIO() 函数 --- 位于 TcpServer.hpp 头文件中的 TcpServer 类中

// 进行IO服务的函数
void ServiceIO(const int& sock, const std::string ip, const uint16_t& port)
{
    while(true)
    {
        // 1.读取数据
        std::string package; // 假设这是已经读取到的数据包，格式为 "5\r\n1 + 1"

        // 2.移除报头

        // 3.反序列化
        my_protocol::Request req;
        if(req.Deserialization(package) == false)
        {
            logMessage(Warning, "Deserialization fail!");
            continue;
        }

        // 4.业务处理
        my_protocol::Response resp; // 业务处理完成后得到的响应对象
        _func(req, &resp);

        // 5.序列化
        std::string sendMsg;
        resp.Serialization(&sendMsg);
        cout << sendMsg << endl;

        // 6.添加报头

        // 7.发送数据
    }
}

在 Protocol.hpp 中完成报头的添加和移除

Protocol.hpp 协议相关头文件

#define HEAD_SEP "\r\n"
#define HEAD_SEP_LEN strlen(HEAD_SEP)

// 添加报头
void AddHeader(std::string& str)
{
    // 先计算出长度
    size_t len = str.size();
    std::string strLen = Util::IntToStr(len);

    // 再进行拼接
    str = strLen + HEAD_SEP + str;
}

// 移除报头
void RemoveHeader(std::string& str, size_t len)
{
    // len 表示有效载荷的长度
    str = str.substr(str.size() - len);
}

报头+有效载荷需要通过 read() 或者 recv() 函数从网络中读取，并且需要边读取边判断

ReadPackage() 读取函数 --- 位于 Protocol.hpp 头文件

#define BUFF_SIZE 1024

// 读取数据
int ReadPackage(int sock, std::string& inBuff, std::string* package)
{
    // 也可以使用 read 函数
    char buff[BUFF_SIZE];
    int n = recv(sock, buff, sizeof(buff) - 1, 0);
    if(n < 0)
        return -1; // 表示读取失败
    else if(n == 0)
        return 0; // 需要继续读取
    
    buff[n] = '\0';
    inBuff += buff;

    // 判断 inBuff 中是否存在完整的数据包（报头\r\n有效载荷）
    int pos = inBuff.find(HEAD_SEP);
    if(pos == std::string::npos)
        return -1;
    
    std::string strLen = inBuff.substr(0, pos); // 有效载荷的长度
    int packLen = strLen.size() + HEAD_SEP_LEN + Util::StrToInt(strLen); // 这是 报头+分隔符+有效载荷 的总长度
    if(inBuff.size() < packLen)
        return -1;
    
    *package = inBuff.substr(0, packLen); // 获取 报头+分隔符+有效载荷 ，也就是数据包
    inBuff.erase(0, packLen); // 从缓冲区中取走字符串
    return Util::StrToInt(strLen);
}

此时对于 ServiceIO() 函数来说，核心函数都已经准备好了，只差拼装了

ServiceIO() 函数 --- 位于 TcpServer.hpp 头文件中的 TcpServer 类中

// 进行IO服务的函数
void ServiceIO(const int& sock, const std::string ip, const uint16_t& port)
{
    std::string inBuff;
    while(true)
    {
        // 1.读取数据
        std::string package; // 假设这是已经读取到的数据包，格式为 "5\r\n1 + 1"
        int len = my_protocol::ReadPackage(sock, inBuff, &package);
        if(len < 0)
            break;
        else if(len == 0)
            continue;


        // 2.移除报头
        my_protocol::RemoveHeader(package, len);

        // 3.反序列化
        my_protocol::Request req;
        if(req.Deserialization(package) == false)
        {
            logMessage(Warning, "Deserialization fail!");
            continue;
        }

        // 4.业务处理
        my_protocol::Response resp; // 业务处理完成后得到的响应对象
        _func(req, &resp);

        // 5.序列化
        std::string sendMsg;
        resp.Serialization(&sendMsg);
        cout << sendMsg << endl;

        // 6.添加报头
        my_protocol::AddHeader(sendMsg);

        // 7.发送数据
        send(sock, sendMsg.c_str(), sendMsg.size(), 0);
    }
}

至此服务器编写完毕，接下来就是进行客户端的编写了

---

10.客户端

编写客户端的 TcpCilent.hpp 头文件

TcpClient.hpp 客户端头文件

#pragma once

#include "Sock.hpp"
#include "Protocol.hpp"
#include "Log.hpp"
#include "Err.hpp"

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>

namespace CalcClient
{
    class TcpClient
    {
    public:
        TcpClient(const std::string& ip, const uint16_t& port)
            :_server_ip(ip), _server_port(port)
        {}

        void Init()
        {
            _sock.Socket();
        }

        void Start()
        {
            int i = 5;
            while(i > 0)
            {
                if(_sock.Connect(_server_ip, _server_port) != -1)
                    break;
                
                logMessage(Warning, "Connect Server Fail! %d", i--);
                sleep(1);
            }

            if(i == 0)
            {
                logMessage(Fatal, "Connect Server Fail!");
                exit(CONNECT_ERR);
            }

            // 执行读写函数
            ServiceIO();
        }

        void ServiceIO()
        {
            while(true)
            {
                std::string str;
                std::cout << "Please Enter:> ";
                std::getline(std::cin, str);

                // 1.判断是否需要退出
                if(str == "quit")
                    break;

                // 2.分割输入的字符串
                my_protocol::Request req;
                [&]()
                {
                    std::string ops = "+-*/%";
                    int pos = 0;
                    for(auto e : ops)
                    {
                        pos = str.find(e);
                        if(pos != std::string::npos)
                            break;
                    }

                    req._x = Util::StrToInt(str.substr(0, pos));
                    req._y = Util::StrToInt(str.substr(pos + 1));
                    req._op = str[pos];
                }();

                // 3.序列化
                std::string sendMsg;
                req.Serialization(&sendMsg);

                // 4.添加报头
                my_protocol::AddHeader(sendMsg);

                // 5.发送数据
                send(_sock.GetSock(), sendMsg.c_str(), sendMsg.size(), 0);

                // 6.获取数据
                std::string inBuff;
                std::string package;
                int len = 0;
                while(true)
                {
                    len = my_protocol::ReadPackage(_sock.GetSock(), inBuff, &package);
                    if(len < 0)
                        exit(READ_ERR);
                    else if(len > 0)
                        break;
                }

                // 7.移除报头
                my_protocol::RemoveHeader(package, len);

                // 8.反序列化
                my_protocol::Response resp;
                if(resp.Deserialization(package) == false)
                {
                    logMessage(Warning, "Deserialization fail!");
                    continue;
                }
                
                // 9.获取结果
                std::cout << "The Result: " << resp._result << " " << resp._code << endl;
            }
        }

        ~TcpClient()
        {
            _sock.Close();
        }

    private:
        Sock _sock;
        std::string _server_ip;
        uint16_t _server_port;
    };
}

注意： 客户端也需要边读取边判断，确保读取内容的完整性

下面是 CalcClient.cc 的代码

CalcClient.cc 客户端源文件

#include "TcpClient.hpp"

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;

int main()
{
    unique_ptr<CalcClient::TcpClient> tclt(new CalcClient::TcpClient("127.0.0.1", 8888));

    tclt->Init();
    tclt->Start();
    
    return 0;
}

---

11.测试

编译并运行代码

可以在代码中添加一定的输出语句，感受 序列化和反序列化 的过程

---

12.使用库

事实上，序列化与反序列化 这种工作轮不到我们来做，因为有更好更强的库，比如 Json、XML、Protobuf 等

比如我们就可以使用 Json 来修改程序

首先需要安装 json-cpp 库，如果是 CentOS7 操作系统的可以直接使用下面这条命令安装

yum install -y jsoncpp-devel

安装完成后，可以引入头文件 <jsoncpp/json/json.h>

然后就可以在 Protocol.hpp 头文件中进行修改了，如果想保留原来自己实现的 序列化与反序列化 代码，可以利用 条件编译 进行区分

Protocol.hpp 协议相关头文件

#pragma once
#include "Util.hpp"

#include <jsoncpp/json/json.h>
#include <string>
#include <vector>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

namespace my_protocol
{
// 协议的分隔符
#define SEP " "
#define SEP_LEN strlen(SEP)
#define HEAD_SEP "\r\n"
#define HEAD_SEP_LEN strlen(HEAD_SEP)
#define BUFF_SIZE 1024
// #define USER 1

    // 添加报头
    void AddHeader(std::string& str)
    {
        // 先计算出长度
        size_t len = str.size();
        std::string strLen = Util::IntToStr(len);

        // 再进行拼接
        str = strLen + HEAD_SEP + str;
    }

    // 移除报头
    void RemoveHeader(std::string& str, size_t len)
    {
        // len 表示有效载荷的长度
        str = str.substr(str.size() - len);
    }

    // 读取数据
    int ReadPackage(int sock, std::string& inBuff, std::string* package)
    {
        // 也可以使用 read 函数
        char buff[BUFF_SIZE];
        int n = recv(sock, buff, sizeof(buff) - 1, 0);
        if(n < 0)
            return -1; // 表示什么都没有读到
        else if(n == 0)
            return 0; // 需要继续读取
        
        buff[n] = 0;
        inBuff += buff;

        // 判断 inBuff 中是否存在完整的数据包（报头\r\n有效载荷）
        int pos = inBuff.find(HEAD_SEP);
        if(pos == std::string::npos)
            return 0;
        
        std::string strLen = inBuff.substr(0, pos); // 有效载荷的长度
        int packLen = strLen.size() + HEAD_SEP_LEN + Util::StrToInt(strLen); // 这是 报头+分隔符+有效载荷 的总长度
        if(inBuff.size() < packLen)
            return 0;
        
        *package = inBuff.substr(0, packLen); // 获取 报头+分隔符+有效载荷 ，也就是数据包
        inBuff.erase(0, packLen); // 从缓冲区中取走字符串
        return Util::StrToInt(strLen);
    }

    class Request
    {
    public:
        Request(int x = 0, int y = 0, char op = '+')
            : _x(x), _y(y), _op(op)
        {}

        // 序列化
        bool Serialization(std::string *outStr)
        {
            *outStr = ""; // 清空
#ifdef USER
            std::string left = Util::IntToStr(_x);
            std::string right = Util::IntToStr(_y);
            *outStr = left + SEP + _op + SEP + right;
#else
            // 使用 Json
            Json::Value root;
            root["x"] = _x;
            root["op"] = _op;
            root["y"] = _y;

            Json::FastWriter writer;
            *outStr = writer.write(root);
#endif
            std::cout << "序列化完成: " << *outStr << std::endl << std::endl;
            return true;
        }

        // 反序列化
        bool Deserialization(const std::string &inStr)
        {
#ifdef USER
            std::vector<std::string> result;
            Util::StringSplit(inStr, SEP, &result);

            // 协议规定：只允许存在两个操作数和一个运算符
            if(result.size() != 3)
                return false;
            
            // 规定：运算符只能为一个字符
            if(result[1].size() != 1)
                return false;

            _x = Util::StrToInt(result[0]);
            _y = Util::StrToInt(result[2]);
            _op = result[1][0];
#else
            // 使用Json
            Json::Value root;
            Json::Reader reader;
            reader.parse(inStr, root);

            _x = root["x"].asInt();
            _op = root["op"].asInt();
            _y = root["y"].asInt();
#endif
            return true;
        }

        ~Request()
        {}

    public:
        int _x;
        int _y;
        char _op;
    };

    class Response
    {
    public:
        Response(int result = 0, int code = 0)
            :_result(result), _code(code)
        {}

        // 序列化
        bool Serialization(std::string *outStr)
        {
            *outStr = ""; // 清空
#ifdef USER
            std::string left = Util::IntToStr(_result);
            std::string right = Util::IntToStr(_code);
            *outStr = left + SEP + right;
#else
            // 使用 Json
            Json::Value root;
            root["_result"] = _result;
            root["_code"] = _code;

            Json::FastWriter writer;
            *outStr = writer.write(root);
#endif
            std::cout << "序列化完成: " << *outStr << std::endl << std::endl;
            return true;
        }

        // 反序列化
        bool Deserialization(const std::string &inStr)
        {
#ifdef USER
            std::vector<std::string> result;
            Util::StringSplit(inStr, SEP, &result);

            if(result.size() != 2)
                return false;

            _result = Util::StrToInt(result[0]);
            _code = Util::StrToInt(result[1]);
#else
            // 使用Json
            Json::Value root;
            Json::Reader reader;
            reader.parse(inStr, root);

            _result = root["_result"].asInt();
            _code = root["_code"].asInt();
#endif
            return true;
        }

        ~Response()
        {}

    public:
        int _result; // 结果
        int _code;   // 错误码
    };
}

注意： 因为现在使用了 Json 库，所以编译代码时需要指明其动态库

Makefile 自动编译脚本

.PHONY:all
all:CalcServer CalcClient

CalcServer:CalcServer.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread -ljsoncpp

CalcClient:CalcClient.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 -ljsoncpp

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf CalcServer CalcClient

使用了 Json 库之后，序列化 后的数据会更加直观，当然也更易于使用

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🌨️总结

编写网络服务需要注意以下几点

1. 确定协议
2. 如何进行序列化和反序列化
3. 业务处理

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