QT TCP网络通信编程

从后端到QT2024-07-06 18:08

学习目标： TCP网络通信编程

前置环境

运行环境:qt creator 4.12

学习内容

一、TCP 协议基础知识:

  1. TCP 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
  2. TCP 拥塞控制算法包括慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。
  3. TCP 通信需要建立连接,Qt 提供 QTcpSocket 和 QTcpServer 类用于 TCP 客户端和服务器编程。
  4. QTcpServer 类用于建立网络监听和 socket 连接,主要接口函数如 listen()、newConnection() 等。

QTcpServer* tcpServer; 它负责监听指定的 IP 地址和端口,并在有新的客户端连接时发出 newConnection() 信号。

QTcpSocket* tcpSocket; 它代表一个与服务端建立的 TCP 连接。

QTcpServer类

QTcpServer 是 Qt 框架提供的 TCP 服务器类,它提供了一系列常用的成员函数和信号,用于实现 TCP 服务器的基本功能。以下是 QTcpServer 的一些常用成员函数:

  1. 构造函数和析构函数:

    • QTcpServer(QObject *parent = nullptr)：创建一个 QTcpServer 对象。
    • ~QTcpServer()：析构函数,用于释放资源。

  2. 服务器状态控制:

    • bool listen(const QHostAddress &address = QHostAddress::Any, quint16 port = 0)：开始监听指定的地址和端口。
    • void close()：停止监听并关闭服务器。
    • bool isListening() const：检查服务器是否正在监听。

  3. 获取服务器信息:

    • QHostAddress serverAddress() const：返回服务器绑定的地址。
    • quint16 serverPort() const：返回服务器绑定的端口。
    • QAbstractSocket::SocketError socketError() const：返回最近一次发生的套接字错误。
    • QString errorString() const：返回最近一次发生的错误的描述字符串。

  4. 新连接管理:

    • QTcpSocket *nextPendingConnection()：返回下一个待处理的连接。
    • int hasPendingConnections() const：返回待处理连接的数量。

  5. 信号处理:

    • void newConnection()：当有新的连接到达时发出此信号。
    • void acceptError(QAbstractSocket::SocketError socketError)：当接受新连接时发生错误时发出此信号。

  6. 其他功能:

    • void setMaxPendingConnections(int numConnections)：设置服务器可以同时处理的最大待处理连接数。
    • int maxPendingConnections() const：返回服务器的最大待处理连接数。
    • void setSocketOption(QAbstractSocket::SocketOption option, const QVariant &value)：设置套接字选项。
    • QVariant socketOption(QAbstractSocket::SocketOption option) const：获取套接字选项的当前值。

  7. 地址和端口设置:

    • void setAddress(const QHostAddress &address)：设置服务器监听的地址。
    • QHostAddress address() const：返回服务器监听的地址。
    • void setPort(quint16 port)：设置服务器监听的端口。
    • quint16 port() const：返回服务器监听的端口。

  8. SSL/TLS 支持:

    • void setSecureMode(QSsl::SslMode mode)：设置服务器的 SSL/TLS 模式。
    • QSsl::SslMode secureMode() const：返回服务器的 SSL/TLS 模式。
    • void setLocalCertificate(const QSslCertificate &certificate)：设置服务器的本地证书。
    • QSslCertificate localCertificate() const：返回服务器的本地证书。
    • void setPrivateKey(const QSslKey &key)：设置服务器的私钥。
    • QSslKey privateKey() const：返回服务器的私钥。

  9. 线程安全:

    • void setThreadPool(QThreadPool *threadPool)：设置用于处理新连接的线程池。
    • QThreadPool *threadPool() const：返回用于处理新连接的线程池。

  10. 日志记录:

    • void setProxy(const QNetworkProxy &proxy)：设置代理服务器。
    • QNetworkProxy proxy() const：返回当前使用的代理服务器。

这些成员函数提供了更多的灵活性和控制能力,使开发者能够根据具体需求配置和管理 TCP 服务器。例如,可以设置 SSL/TLS 模式以提供安全的通信,使用线程池来提高并发处理能力,以及设置代理服务器以实现更复杂的网络拓扑。

QTcpServer 类的使用:

  • QTcpServer 是从 QObject 继承的类,用于服务器建立网络监听和创建网络 socket 连接。
  • 主要接口函数包括 listen()、nextPendingConnection()、serverAddress() 和 serverPort() 等。

服务器Server提供的回调函数

在 Qt TCP 编程中,主要提供了以下几种重要的回调接口:

  1. QTcpServer 相关的回调:

    • QTcpServer::newConnection(): 当有新的客户端连接到达时触发该信号。
    • QTcpServer::acceptError(QAbstractSocket::SocketError socketError): 当服务器无法接受新的连接时触发该信号,可以获取错误信息。

  2. QTcpSocket 相关的回调:

    • QTcpSocket::connected(): 当套接字成功连接到远程主机时触发该信号。

    • QTcpSocket::disconnected(): 当套接字断开连接fin 位 为1时触发该信号。

    • QTcpSocket::readyRead(): 当套接字有新数据可读时触发该信号。

    • QTcpSocket::bytesWritten(qint64 bytes): 当成功写入数据到套接字时触发该信号,并返回写入的字节数。

    • QTcpSocket::error(QAbstractSocket::SocketError socketError): 当套接字发生错误时触发该信号,可以获取错误信息。

    • QTcpSocket::stateChanged(QAbstractSocket::SocketState socketState): 当套接字的连接状态发生变化时触发该信号。

    • bytesWritten(qint64 bytes) 信号:

      • 当成功写入数据到 QTcpSocket 时会触发此信号。
      • bytes 参数表示成功写入的字节数。
      • 可以用来监控数据发送的进度。

    • aboutToClose() 信号:

      • 当 QTcpSocket 将要关闭时会触发此信号。
      • 可以在此信号的槽函数中执行一些数据刷新或保存操作。

    • hostFound() 信号:

      • 当 QTcpSocket 成功解析了主机地址时会触发此信号。
      • 可以用来监控 DNS 解析的进度。

  3. QSslSocket 相关的回调(用于 SSL/TLS 连接):

    • QSslSocket::sslErrors(const QList<QSslError> &errors): 当 SSL/TLS 连接发生错误时触发该信号。
    • QSslSocket::encrypted(): 当 SSL/TLS 连接成功加密时触发该信号。

  4. QNetworkProxy 相关的回调:

    • QTcpSocket::proxyAuthenticationRequired(const QNetworkProxy &proxy, QAuthenticator *authenticator): 当需要代理服务器认证时触发该信号。

这些回调接口涵盖了 TCP 连接的整个生命周期,包括连接建立、数据交互、连接断开以及各种错误情况。通过监听和处理这些信号,我们可以更好地控制和管理 TCP 连接,提高应用程序的可靠性和健壮性。

QT TCP网络通信编程项目

本地聊天传输，项目效果：

TCP服务端代码

cpp 复制代码 
#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent)
    : QMainWindow(parent)
    , ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);

    setWindowTitle("TCP通讯服务端");
    //获取主机名和ip地址
    QHostInfo info =QHostInfo::fromName(QHostInfo::localHostName());
    QList<QHostAddress> addrs=info.addresses();

    if(!addrs.empty()){
        foreach(const QHostAddress & addr,addrs){
            if(addr.protocol()==QAbstractSocket::IPv4Protocol){
                ui->serverip->addItem(addr.toString());
            }
        }
    }

    tcpServer=new QTcpServer(this);
    //注册新连接回调 表示有新的客户端连接到达服务器。
    connect(tcpServer,&QTcpServer::newConnection,this,&MainWindow::ConnectCallback);

}

void MainWindow::ConnectCallback(){ //连接到达
    tcpSocket = tcpServer->nextPendingConnection();

    //连接成功后回调 表示当前 TCP 连接已经成功建立。
    auto clientconnect=[this](){
        // 客户端连接
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**********客户端socket连接成功**********");
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**********peer address:"+tcpSocket->peerAddress().toString());
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**********peer port:"+QString::number(tcpSocket->peerPort()));
    };
    connect(tcpSocket,&QTcpSocket::connected,this,clientconnect);
    clientconnect(); //因为当前连接已经到达了 所有手动调用一次


    //读前回调 当 tcpSocket 有数据可读时,该信号会被触发
    connect(tcpSocket,&QTcpSocket::readyRead,this,[this](){
        while(tcpSocket->canReadLine()){
            QString result = "ip:%1 prot:%2 in:%3 ";
            result = result.arg(tcpSocket->peerAddress().toString())
                          .arg(QString::number(tcpSocket->peerPort()))
                          .arg(QString(tcpSocket->readLine()));

            ui->plainTextEdit->appendPlainText(result);
        }
    });

    //错误回调  当 tcpSocket 发生错误时,该信号会被触发
    connect(tcpSocket, QOverload<QAbstractSocket::SocketError>::of(&QTcpSocket::error),this, [this](QAbstractSocket::SocketError error) {
           // ui->plainTextEdit->appendPlainText("Socket error:" + error + tcpSocket->errorString());
    });

    //当套接字的连接状态发生变化时,该信号会被触发,并且会传递一个 QAbstractSocket::SocketState 类型的参数,表示当前的连接状态。
    connect(tcpSocket,QOverload<QAbstractSocket::SocketState>::of(&QTcpSocket::stateChanged),this,
            [this](QTcpSocket::SocketState state){
       // ui->plainTextEdit->appendPlainText("套接字状态变更：" + state);

    });

    //断开连接 fin位确认 回调
    connect(tcpSocket,&QTcpSocket::disconnected,this,[this](){
        // 客户端断开连接
        QString result = "**********客户端socket断开连接[ip:%1,prot:%2,]";
        result = result.arg(tcpSocket->peerAddress().toString())
                      .arg(QString::number(tcpSocket->peerPort()));
        ui->plainTextEdit->appendPlainText(result);
        tcpSocket->deleteLater();
    });
}
MainWindow::~MainWindow()
{
    delete ui;
    if(tcpServer->isListening()){
        // 关闭TCP服务器
        tcpServer->close();
        tcpServer->deleteLater(); //最终关闭
        qDebug() << "TCP server MainWindow.";
    }
}
void MainWindow::closeEvent(QCloseEvent *e){ //关闭窗口
    //关闭close
    MainWindow::on_stopServer_clicked();
    e->accept(); //允许窗口完成关闭操作。
}

void MainWindow::on_startServer_clicked()
{
    QString ip(ui->serverip->currentText());
    uint16_t port =ui->serverport->value();

    tcpServer->listen(QHostAddress(ip),port);
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("$$$$$$$$$$开始监听$$$$$$$$$$");
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("服务器地址:"+tcpServer->serverAddress().toString());
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("服务器端口:"+QString::number(tcpServer->serverPort()));
    ui->startServer->setEnabled(false);
    ui->stopServer->setEnabled(true);

}

void MainWindow::on_stopServer_clicked() //关闭tcpserver
{
    //先关闭所有socket
    if(!tcpSocket){
        tcpSocket->disconnect(); //用于断开 QTcpSocket 对象的所有信号与槽的连接。
        tcpSocket->close();      //它会向对端发送 FIN 数据包,并等待对端的确认,完成 TCP 连接的正常关闭过程。
        //fin回调 已调用 tcpSocket->deleteLater(); //它不会立即删除对象,而是将其标记为待删除状态,等到当前事件循环结束后再执行删除操作。

    }
    if(tcpServer->isListening())
    {
        tcpServer->close();
         //不调用 deleteLater 为了下次再次开启
        ui->startServer->setEnabled(true);
        ui->stopServer->setEnabled(false);
        ui->plainTextEdit->clear();
    }


}

void MainWindow::on_sendmsg_clicked()
{

    QString msg =ui->lineEdit->text();

    ui->lineEdit->clear();
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[out]:"+msg);
    tcpSocket->write(msg.toUtf8()+'\n');

}

TCP客户端代码

cpp 复制代码 
#include "mainwindow.h"
#include "ui_mainwindow.h"

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent)
    : QMainWindow(parent)
    , ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);
    setWindowTitle("tcp通信客户端");

    QHostInfo info =QHostInfo::fromName(QHostInfo::localHostName());
    QList<QHostAddress> addrs =info.addresses();
    if(!addrs.empty())
    {
        foreach(const QHostAddress& addr ,addrs){
            if(addr.protocol() == QAbstractSocket::IPv4Protocol){
                ui->serverip->addItem(addr.toString());
            }
        }
    }


    client = new QTcpSocket();
    //当 socket 成功连接到服务器时,会发射 connected() 信号。
    connect(client,&QTcpSocket::connected,this,[this](){
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**********已经连接到服务器端**********");
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("服务器端ip:"+client->peerAddress().toString());
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("服务器端port:"+QString::number(client->peerPort()));
        ui->tcpconnect->setEnabled(false);
        ui->tcpclose->setEnabled(true);

    });
    //当 socket 与服务器断开连接时,会发射 disconnected() 信号。
    connect(client,&QTcpSocket::disconnected,this,[this](){
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("**********已断开与服务器端的连接**********");
        client->close();
        ui->tcpconnect->setEnabled(true);
        ui->tcpclose->setEnabled(false);

    });
    //当 socket 有新的数据可读时,会发射 readyRead() 信号。
    connect(client,&QTcpSocket::readyRead,this,[this](){
            while(client->canReadLine()){
                ui->plainTextEdit->appendPlainText("[in]:"+client->readLine());
            }
    });

}

MainWindow::~MainWindow()
{
    delete ui;
}

\

void MainWindow::on_send_clicked()
{
    QString msg=ui->lineEdit->text();
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[out]:"+msg);
    ui->lineEdit->clear();
    client->write(msg.toUtf8()+'\n');

}

void MainWindow::on_tcpconnect_clicked()
{
    QString ip=ui->serverip->currentText();
    quint16 port =ui->serverport->value();

    client->connectToHost(ip,port);
    if (!client->waitForConnected(3000)) {// 5s 连接超时处理逻辑
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("连接超时，请检查服务器ip和port是否正确.");
    }

}

void MainWindow::on_tcpclose_clicked()
{

    if(client->state() ==QAbstractSocket::ConnectedState) client->disconnectFromHost(); //这里首先检查 tcpclient 对象的当前连接状态。
    ui->tcpconnect->setEnabled(true);
    ui->tcpclose->setEnabled(false);

}
// 在应用程序退出或客户端断开连接时 点关闭窗口
void MainWindow::closeEvent(QCloseEvent* event) {
    // 1. 断开与服务器的连接
    if (client->state() == QAbstractSocket::ConnectedState) {
        client->disconnectFromHost();
    }

    qDebug()<<"closeEvent";
    // 2. 释放 QTcpSocket 对象
    client->deleteLater();

    // 允许窗口关闭
    event->accept();
}

总结

server端

  1. TCP 服务器的创建和启停:

    • 在构造函数中创建 QTcpServer 对象,并连接 newConnection() 信号到 ConnectCallback 函数。
    • on_startServer_clicked() 函数中,监听指定的 IP 和端口,启动 TCP 服务器。
    • on_stopServer_clicked() 函数中,关闭 TCP 服务器,断开所有客户端连接。
    • 在主窗口关闭时,调用 on_stopServer_clicked() 函数关闭服务器。

  2. 客户端连接的处理:

    • 在 ConnectCallback 函数中,获取新连接的 QTcpSocket 对象。
    • 连接客户端连接成功、数据可读、错误、状态变更、断开连接等信号。
    • 在信号处理函数中,输出连接信息并处理数据收发。

  3. 数据收发和协议处理:

    • 连接 readyRead() 信号,处理客户端发送的数据。
    • 使用 tcpSocket->readLine() 读取并解析数据,输出到 UI 界面。
    • on_sendmsg_clicked() 函数中,通过 tcpSocket->write() 将消息发送给客户端。

  4. 异常处理:

    • 连接 error() 信号,处理套接字错误。
    • 连接 stateChanged() 信号,监控连接状态变更。

  5. 生命周期管理:

    • 在主窗口析构函数中,关闭 TCP 服务器并释放资源。
    • 在客户端断开连接时,释放 QTcpSocket 对象。

通过学习这段代码,我们可以掌握以下 Qt TCP 编程的关键点:

  1. 如何创建 TCP 服务器并监听端口。
  2. 如何处理新的客户端连接,并与之进行数据通信。
  3. 如何处理连接错误和状态变更。
  4. 如何优雅地关闭服务器并释放资源。

客户端

  1. TCP 客户端的创建和连接:

    • 在构造函数中创建 QTcpSocket 对象 client。
    • 连接 connected() 信号,处理与服务器成功连接的情况。
    • on_tcpconnect_clicked() 函数中,调用 connectToHost() 连接到服务器。
    • 使用 waitForConnected() 处理连接超时的情况。

  2. 数据收发和协议处理:

    • 连接 readyRead() 信号,处理服务器发送的数据。
    • 使用 client->readLine() 读取并解析数据,输出到 UI 界面。
    • on_send_clicked() 函数中,通过 client->write() 将消息发送给服务器。

  3. 连接状态管理:

    • 连接 disconnected() 信号,处理与服务器的断开连接。
    • 在 closeEvent() 中,检查连接状态并断开连接。
    • 更新 UI 按钮的状态,反映当前的连接状态。

  4. 异常处理:

    • 在连接超时的情况下,输出错误提示信息。
    • 在 closeEvent() 中,释放 QTcpSocket 对象。

通过学习这段代码,我们可以掌握以下 Qt TCP 客户端编程的关键点:

  1. 如何创建 TCP 客户端并连接到服务器。
  2. 如何处理数据的收发,并按照约定的协议进行解析。
  3. 如何管理连接状态,处理连接成功、断开等情况。
  4. 如何优雅地关闭连接并释放资源。

最后附上源代码链接

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35-tcpSocket-client · jbjnb/Qt demo - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

35-tcpSocket-server · jbjnb/Qt demo - 码云 - 开源中国 (gitee.com)

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