UDP简单聊天室创建

小灵蛇2024-09-02 17:44

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[一. 服务端模块实现](#一. 服务端模块实现)

[二. 处理聊天消息模块实现](#二. 处理聊天消息模块实现)

[三. 调用服务端模块实现](#三. 调用服务端模块实现)

[四. 客户端模块实现](#四. 客户端模块实现)

[五. 效果展示](#五. 效果展示)

本文介绍了如何用UDP创建一个简单的聊天室。

一. 服务端模块实现

服务端仍然沿用我们前面的思想（高内聚低耦合），因此我们用一下上一篇UDP英译汉网络词典的服务端实现（点此查看）。

cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <strings.h>
#include <stdlib.h>
#include<functional>
#include "Log.hpp"
#include"InetAddr.hpp"
#include"Dict.hpp"

using namespace std;

enum
{
    SOCKET_ERROR = 1,
    BIND_ERROR,
    USAGE_ERROR
};

const static int defaultfd = -1;
using func_t=function<string(const string&,bool& ok)>;

class UdpServer
{
public:
    UdpServer(uint16_t port,func_t func)
        : _sockfd(defaultfd), _port(port), _func(func)
        ,_isrunning(false)
    {}

    void InitServer()
    {
        // 1.创建udp socket 套接字...必须要做的
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        if (_sockfd < 0)
        {
            LOG(FATAL, "socket error,%s,%d\n", strerror(errno), errno);
            exit(SOCKET_ERROR);
        }
        LOG(INFO, "socket create success,sockfd: %d\n", _sockfd);

        // 2.1 填充sockaddr_in结构
        struct sockaddr_in local;     // struct sockaddr_in 系统提供的数据类型，local是变量，用户栈上开辟空间
        bzero(&local, sizeof(local)); // 清空
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(_port); // port要经过网络传输给对面，即port先到网络，所以要将_port,从主机序列转化为网络序列
        local.sin_addr.s_addr=INADDR_ANY;//htonl(INADDR_ANY)

        // 2.2 bind sockfd和网络信息(IP(?)+Port)
        int n = bind(_sockfd,(struct sockaddr*)&local,sizeof(local));
        if(n<0)
        {
            LOG(FATAL, "bind error,%s,%d\n", strerror(errno), errno);
            exit(BIND_ERROR);
        }
        LOG(INFO, "socket bind success\n");

    }

    void Start()//所有的服务器，本质解决的是输入输出的问题!不想让网络通信模块和业务模块进行强耦合
    {}

    ~UdpServer()
    {
    }

private:
    int _sockfd;
    uint16_t _port; // 服务器所用的端口号
    bool _isrunning;

    //给服务器设定回调，用来让上层进行注册业务的处理方法
    func_t _func;
};

首先明确的是，初始化函数InitServer是不变的，我们再来看Start函数，也是大差不差，只需改动一捏捏，我们也可以仿照以前的思路让上层去实现这个聊天的功能，那么我们就知道了，这次的服务端也需要一个回调函数，让上层进行业务处理。我们稍作修改。

cpp 复制代码 
using handler_message_t=......

我们先定义出来处理业务的函数类型，参数部分留待下面解析。

那么我们的TcpServer类的类成员就变成了：

cpp 复制代码 
class UdpServer
{
private:
    int _sockfd;
    //string _ip;//不是必须的
    uint16_t _port; // 服务器所用的端口号
    bool _isrunning;

    //给服务器设定回调，用来让上层进行注册业务的处理方法
    handler_message_t _handler_message;
};

由此来编写构造函数，以及Start函数就显得水到渠成了。

cpp 复制代码 
const static int defaultfd = -1;
using handler_message_t=......

class UdpServer
{
public:
    UdpServer(uint16_t port,handler_message_t handler_message)
        : _sockfd(defaultfd), _port(port), _handler_message(handler_message)
        ,_isrunning(false)
    {}

    void Start()//所有的服务器，本质解决的是输入输出的问题!不想让网络通信模块和业务模块进行强耦合
    {
        //一直运行，直到管理者不想运行了，服务器都是死循环
        _isrunning=true;
        while(true)
        {
            char message[1024];
            struct sockaddr_in peer;
            socklen_t len=sizeof(peer);
            //1.我们要让server先收数据
            ssize_t n=recvfrom(_sockfd,message,sizeof(message)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,&len);
            if(n>0)
            {
                message[n]=0;
                InetAddr addr(peer);
                LOG(DEBUG,"get message from [%s:%d]: %s\n",addr.Ip().c_str(),addr.Port(),message);
                _handler_message(_sockfd,message,addr);
            }

        }
        _isrunning=false;
    }

    ~UdpServer()
    {}

private:
    int _sockfd;
    //string _ip;//不是必须的
    uint16_t _port; // 服务器所用的端口号
    bool _isrunning;

    //给服务器设定回调，用来让上层进行注册业务的处理方法
    handler_message_t _handler_message;
};

那好我们下面就具体来看看该如何处理业务，以补充服务端的处理方法。

二. 处理聊天消息模块实现

大家不用猜也知道该怎么办了吧。没错，仍然封装成一个类。

来看看基本框架如何写。

cpp 复制代码 
class MessageRoute
{
public:
    MessageRoute()
    {
        pthread_mutex_init(&_mutex,nullptr);
    }

    ~MessageRoute()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mutex);
    }
private:
    vector<InetAddr> _online_user;
    pthread_mutex_t _mutex;
};

我们的成员有两位，首先我们想想平时我的微信、QQ，聊天的话肯定不止一个人聊天，我不聊天但是别人的消息仍然能显示到我的屏幕。所以定义一个vector结构的数组用来装聊天成员。 再定义一个锁来保护临界资源，更加安全。

第一次看的朋友，可能不知道vector里面装的InetAddr是什么，其实是我们封装的一个类。

cpp 复制代码 
class InetAddr
{
private:
    void GetAddress(string* ip,uint16_t* port)
    {
        *port=ntohs(_addr.sin_port);
        *ip=inet_ntoa(_addr.sin_addr);
    }
public:
    InetAddr(const struct sockaddr_in &addr)
    :_addr(addr)
    {
        GetAddress(&_ip,&_port);
    }

    string Ip()
    {
        return _ip;
    }

    bool operator==(const InetAddr& addr)
    {
        //if(_ip==addr._ip) 任何时刻只允许一个用户
        if(_ip==addr._ip && _port==addr._port)//方便测试
        {
            return true;
        }
        return false;
    }

    struct sockaddr_in Addr()
    {
        return _addr;
    }

    uint16_t Port()
    {
        return _port;
    }

    ~InetAddr()
    {}
private:
    struct sockaddr_in _addr;
    string _ip;
    uint16_t _port;
};

这样封装更便于我们的操作。

当有新用户进入聊天室进行聊天的时候，我们应该将其插入到用户数组中，而当由用户退出的时候，我们同样应该及时的将其从数组中删除。

cpp 复制代码 
bool IsExists(const InetAddr& addr)
{
    for(auto a:_online_user)
    {
        if(a==addr) return true;
    }
    return false;
}

void AddUser(const InetAddr& addr)
{
    LockGuard lockguard(&_mutex);
    if(IsExists(addr)) return;
    _online_user.push_back(addr);
}

void DelUser(const InetAddr& addr)
{
    LockGuard lockguard(&_mutex);
    for(auto iter=_online_user.begin();iter!=_online_user.end();iter++)
    {
        if(*iter==addr)
        {
            _online_user.erase(iter);
            break;
        }
    }
}

这里出现了一个新东西----LockGuard ，这是我们按照RAII（点此查看）的思路封装的锁。

cpp 复制代码 
#ifndef __lock_GUARD_HPP__
#define __lock_GUARD_HPP__

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

class LockGuard
{
public:
    LockGuard(pthread_mutex_t* mutex)
    :_mutex(mutex)
    {
        pthread_mutex_lock(_mutex);//构造加锁
    }

    ~LockGuard()
    {
        pthread_mutex_unlock(_mutex);
    }
private:
    pthread_mutex_t* _mutex;
};


#endif

那么正式来说该如何处理消息呢？

cpp 复制代码 
void RouteHelper(int sockfd,string message,InetAddr who)
{
    LockGuard lockguard(&_mutex);
    //2.进行消息转发
    for(auto user:_online_user)
    {
        string send_message="\n["+who.Ip()+":"+to_string(who.Port())+"]#"+message+"\n";
        struct sockaddr_in clientaddr=user.Addr();
        ::sendto(sockfd,send_message.c_str(),send_message.size(),0,(struct sockaddr*)&clientaddr,sizeof(clientaddr));
    }
}

void Route(int sockfd,string message,InetAddr who)
{
    //1.1 我们任务：用户首次发消息，还要将自己，插入到在线用户中
    AddUser(who);

    //1.2 如果客户端要退出
    if(message=="Q" || message=="QUIT") 
    {
        DelUser(who);
    }

    //2.构建任务对象，入队列，让线程池进行转发
    task_t t=bind(&MessageRoute::RouteHelper,this,sockfd,message,who);
    ThreadPool<task_t>::GetInstance()->Enqueue(t);
}

我们来说说逻辑，处理方法就是将发来的消息通过线程池进行转发。

cpp 复制代码 
#pragma once

//单例模式的线程池
#include<iostream>
#include<vector>
#include<queue>
#include<pthread.h>
#include"Thread.hpp"
#include"Log.hpp"
#include"LockGuard.hpp"


using namespace std;
using namespace ThreadModule;

const static int gdefaultthreadnum=3;

template<typename T>
class ThreadPool
{
private:
    void LockQueue()
    {
        pthread_mutex_lock(&_mutex);
    }

    void UnLockQueue()
    {
        pthread_mutex_unlock(&_mutex);
    }

    void ThreadSleep()
    {
        pthread_cond_wait(&_cond,&_mutex);
    }

    void ThreadWakeup()
    {
        pthread_cond_signal(&_cond);
    }

    void ThreadWakeAll()
    {
        pthread_cond_broadcast(&_cond);
    }

    //私有的
    ThreadPool(int threadnum=gdefaultthreadnum)
    :_threadnum(threadnum)
    ,_waitnum(0)
    ,_isrunning(false)
    {
        pthread_mutex_init(&_mutex,nullptr);
        pthread_cond_init(&_cond,nullptr);
        LOG(INFO,"ThreadPool Construct()");
    }

    void Start()
    {
        for(auto& thread:_threads)
        {
            thread.Start();
        }
    }

    void HandlerTask(string name)//类的成员方法，也可以成为另一个类的回调方法，方便我们继续类级别的互相调用
    {
        LOG(INFO,"%s is running\n",name.c_str());
        while(true)
        {
            //1.保证队列安全
            LockQueue();
            //2.队列中不一定有数据
            while(_task_queue.empty() && _isrunning)
            {
                _waitnum++;
                ThreadSleep();
                _waitnum--;
            }
            //2.1 如果线程池已经退出了 && 任务队列是空的
            if(_task_queue.empty() && !_isrunning)
            {
                UnLockQueue();
                break;
            }
            //2.2 如果线程池不退出 && 任务队列不是空的
            //2.3 如果线程池已经退出 && 任务队列不是空的 --- 处理完所有的任务，然后再退出
            //3.一定有任务，处理任务
            T t=_task_queue.front();
            _task_queue.pop();
            UnLockQueue();

            LOG(DEBUG,"%s get a task",name.c_str());
            //4.处理任务，这个任务属于线程独占的任务，所以不能放在加锁和解锁之间
            t();

            //LOG(DEBUG,"%s handler a task,result is: %s",name.c_str(),t.ResultToString());
        }
    }

    void InitThreadPool()
    {
        //指向构建出所有的线程，并不自动
        for(int num=0;num<_threadnum;num++)
        {
            string name="thread-"+to_string(num+1);
            _threads.emplace_back(bind(&ThreadPool::HandlerTask,this,placeholders::_1),name);
            LOG(INFO,"init thread %s done\n",name.c_str());
        }
        _isrunning=true;
    }

    //复制拷贝禁用
    ThreadPool<T> &operator=(const ThreadPool<T>&)=delete;
    ThreadPool(const ThreadPool<T> &)=delete;
public:
    static ThreadPool<T> *GetInstance()
    {
        //如果是多线程获取线程池对象，下面的代码就有问题,所以要加锁
        //双判断的方式，可以有效减少获取单例的加锁成本，而且保证线程安全
        if(_instance==nullptr)//只有第一次会创建对象，后续都是获取,这样就不用每次都申请锁
        {//保证第二次之后，所有线程，不用再加锁，直接返回_instance单例对象
            LockGuard lockguard(&_lock);
            if (_instance == nullptr)
            {
                _instance = new ThreadPool<T>();
                _instance->InitThreadPool();
                _instance->Start();
                LOG(DEBUG, "创建线程池单例\n");
                return _instance;
            }
        }
        LOG(DEBUG, "获取线程池单例\n");

        return _instance;
    }

    bool Enqueue(const T& t)
    {
        bool ret=false;
        LockQueue();
        if(_isrunning)
        {   
            _task_queue.push(t);
            if(_waitnum>0)
            {
                ThreadWakeup();
            }
            LOG(DEBUG,"enqueue task success\n");
            ret=true;
        }
        UnLockQueue();
        return ret;
    }

    void Stop()
    {
        LockQueue();
        _isrunning=false;
        ThreadWakeAll();
        UnLockQueue();
    }

    void Wait()
    {
        for(auto& thread:_threads)
        {
            thread.Join();
            LOG(INFO,"%s is quit",thread.name().c_str());
        }
    }

    ~ThreadPool()
    {
        pthread_mutex_destroy(&_mutex);
        pthread_cond_destroy(&_cond);
    }
private:
    int _threadnum;
    vector<Thread> _threads;
    queue<T> _task_queue;
    pthread_mutex_t _mutex;
    pthread_cond_t _cond;

    int _waitnum;
    bool _isrunning;

    //添加单例模式--懒汉
    static ThreadPool<T> *_instance;
    static pthread_mutex_t _lock;//保护单例的锁
};

template<typename T>
ThreadPool<T> *ThreadPool<T>::_instance=nullptr;

template<typename T>
pthread_mutex_t ThreadPool<T>::_lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

我们可以知道，Route函数 就是我们之前在服务器说的上层处理函数。那么handler_message_t类型的上层处理函数的参数就很明确了。

cpp 复制代码 
using handler_message_t=function<void(int sockfd,const string message,const InetAddr who)>;

那么调用服务端的主函数如何写就很明确了。

此处我们还封装了原生线程库，命名文件为Thread.hpp。

cpp 复制代码 
//封装原生线程库

#ifndef __THREAD_HPP__
#define __THREAD_HPP__

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

using namespace std;

namespace ThreadModule
{
    using func_t=function<void(string&)>;
    class Thread
    {
    public:
        void Excute()
        {
            _func(_threadname);
        }

    public:
        Thread(func_t func,const string& name="none-name")
        :_func(func)
        ,_threadname(name)
        ,_stop(true)
        {}

        static void* threadroutine(void* args)//类成员函数，形参是有this指针的！
        {
            Thread *self=static_cast<Thread*>(args);
            self->Excute();
            return nullptr;
        }

        bool Start()
        {
            int n=pthread_create(&_tid,nullptr,threadroutine,this);
            if(!n)
            {
                _stop=false;
                return true;
            }
            else 
            {
                return false;
            }
        }

        void Detach()
        {
            if(!_stop)
            {
                pthread_detach(_tid);
            }
        }

        void Join()
        {
            if(!_stop)
            {
                pthread_join(_tid,nullptr);
            }
        }

        string name()
        {
            return _threadname;
        }

        void Stop()
        {
            _stop=true;
        }

        ~Thread(){}
    private:
        pthread_t _tid;
        string _threadname;
        func_t _func;
        bool _stop;
    };
}

#endif

三. 调用服务端模块实现

我们只需将服务端中处理业务函数初始化为处理业务模块中的Route函数，然后依次调用InitServer函数、Start函数即可。

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<memory>
#include"UdpServer.hpp"
#include"Log.hpp"
#include"MessageRoute.hpp"
using namespace std;


void Usage(string proc)
{
    cout<<"Usage:\n\t"<<proc<<" local_port\n"<<endl;
}

// ./udpserver ip
int main(int argc,char *argv[])
{
    if(argc!=2)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERROR);
    }
    EnableScreen();
    //string ip=argv[1];

    //定义消息转发模块
    MessageRoute route;

    //网络模块
    uint16_t port=stoi(argv[1]);
    unique_ptr<UdpServer> usvr=make_unique<UdpServer>(port,\
    bind(&MessageRoute::Route,&route,placeholders::_1,\
    placeholders::_2,placeholders::_3));//C++14
    usvr->InitServer();
    usvr->Start();

    return 0;
}

MessageRoute.hpp文件即我们的处理聊天消息模块。

四. 客户端模块实现

此处虽说大体还是发送消息，并接收服务器发送回来的消息。

但是与众不同的是：此处发送消息和接收服务器发送回来的消息应该是两个不同的线程。因为要做到不发消息的时候还是能接收到消息。

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<string>
#include<cstdio>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include"Thread.hpp"
#include"Comm.hpp"

using namespace std;
using namespace ThreadModule;

void recvmessage(int sockfd,string name)
{
    //version 1
    int fd=OpenDev("/dev/pts/0",O_WRONLY);
    while(true)
    {
        struct sockaddr_in peer;
        socklen_t len=sizeof(peer);
        char buffer[1024];
        ssize_t n=recvfrom(sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,&len);
        if(n>0)
        {
            buffer[n]=0;
            write(fd,buffer,strlen(buffer));
        }
    }

    //version 2
    // while(true)
    // {
    //     struct sockaddr_in peer;
    //     socklen_t len=sizeof(peer);
    //     char buffer[1024];
    //     ssize_t n=recvfrom(sockfd,buffer,sizeof(buffer)-1,0,(struct sockaddr*)&peer,&len);
    //     if(n>0)
    //     {
    //         buffer[n]=0;
    //         fprintf(stderr,"%s | %s\n",name.c_str(),buffer);
    //             //此时运行指令变为./udpclient + ip + port + 2>/dev/pts/2
    //     }
    // }
}

void sendmessage(int sockfd,struct sockaddr_in& server,string name)
{
    string message;
    while(true)
    {
        printf("%s | Enter# ",name.c_str());
        fflush(stdout);
        getline(cin,message);
        sendto(sockfd,message.c_str(),message.size(),0,(struct sockaddr*)&server,sizeof(server));
    }
}

void Usage(string proc)
{
    cout<<"Usage:\n\t"<<proc<<" serverip serverport\n"<<endl;
}

int InitClient(string& serverip,uint16_t serverport,struct sockaddr_in *server)
{
    //1.创建socket
    int sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
    if(sockfd<0)
    {
        cerr<<"socket error"<<endl;
        return -1;
    }

    //2.client一定要bind，client也有自己的ip和port，但是不建议显示(和server一样用bind函数)bind
    //a.那如何bind呢？当udp client首次发送数据的时候，os会自动随机的给client进行bind--为什么？要bind，必然要和port关联！防止client port冲突
    //b.什么时候bind？首次发送数据的时候

    //构建目标主机的socket信息
    memset(server,0,sizeof(struct sockaddr_in));
    server->sin_family=AF_INET;
    server->sin_port=htons(serverport);
    server->sin_addr.s_addr=inet_addr(serverip.c_str());
    return sockfd;
}

// ./udpclient serverip serverport
int main(int argc,char *argv[])
{
    if(argc!=3)
    {
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
    }
    string serverip=argv[1];
    uint16_t serverport=stoi(argv[2]);
    struct sockaddr_in serveraddr;
    int sockfd=InitClient(serverip,serverport,&serveraddr);
    if(sockfd==-1) return 1;

    func_t r=bind(&recvmessage,sockfd,placeholders::_1);
    func_t s=bind(&sendmessage,sockfd,serveraddr,placeholders::_1);


    //创建两个线程，分别用来接收消息和发消息，使其两个互不受影响
    Thread Recver(r,"recver");//recver在前面，还是sender在前面，都行
    Thread Sender(s,"sender");

    Sender.Start();
    Recver.Start();

    Recver.Join();
    Sender.Join();
    
    
    return 0;
}

同样用的是自己封装的线程。

值得注意的是这里接收消息模块有两个版本。此处的终端文件（/dev/pts）可以根据自己实际情况修改。

五. 效果展示

分别来看看两个版本都是怎么样的吧。

version 1：

version 2：

总结：

好了，到这里今天的知识就讲完了，大家有错误一点要在评论指出，我怕我一人搁这瞎bb，没人告诉我错误就寄了。

祝大家越来越好，不用关注我（疯狂暗示）

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