【计网】自定义协议与序列化(一) —— Socket封装于服务器端改写

🌎 应用层自定义协议与序列化

文章目录：

Tcp协议Socket编程

应用层简介

序列化和反序列化

重新理解read/write/recv/send及tcp的全双工

Socket封装

服务器端改写

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🚀应用层简介

我们程序员写的一个个解决我们实际问题，满足我们日常需求的网络程序, 都是在应用层。

不论是Udp Socket编程还是Tcp Socket编程，所传的数据都是字符串类型的的数据，但是如果我们想要传输结构化的数据呢？什么是结构化的数据？其实在我们第一次说计算机网络时就已经提到过，结构化的数据就是协议 ，其本质就是 双方约定好的结构化的数据。

比如，我们如果要实现一个网络版的计算器，我们需要客户把待计算的两个数发过去，由服务器进行计算，最后把结果返回给客户端。如果我们依旧采用传统的Socket编程，不论是Tcp还是Udp Socket编程，都无法保证所收到的数据是完整的，比如：客户端要发送 123 * 123，但是服务器此时缓冲区快满了，只能收到 123 * 1，这个时候服务器端就会以 123 * 1作为客户端的请求进行处理，如此以来就会导致客户端想得到的结果不匹配，更有甚者，剩下的23后一批发来会不会导致新的客户端数据出现问题呢？

所以这里我们准备了两套方案：

方案一：

客户端发送一个形如"1+1"的字符串，这个字符串中有两个操作数，都是整形，两个数字之间会有一个字符是运算符，运算符只能是 + ，数字和运算符之间没有空格。

方案二：

定义结构体来表示我们需要交互的信息，发送数据时将这个结构体按照一个规则转换成字符串, 接收到数据的时候再按照相同的规则把字符串转化回结构体。这个过程我们叫做 序列化 和 反序列化。

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🚀序列化和反序列化

首先先简单理解一下什么是序列化与反序列化，我们可以通过下图简单了解：

仅仅是上面一张图我认为理解还是不够的，要更好的理解序列化和反序列化需要从下面入手：

✈️重新理解read/write/recv/send及tcp的全双工

在重新理解这些接口之前，我们先来回顾一下进程向发消息到磁盘的过程：

首先，用户需要发送消息，那么OS就会从文件描述符表中把3号文件描述符通过进程pcb返回给用户，用户此时通过write()接口对文件进行写数据，字符串会从write接口通过文件描述符表找到struct file对象，从而找到内核缓冲区，将字符串拷贝到缓冲区当中。随后缓冲区就会定期的向磁盘文件中刷新数据。

这个我们在系统部分已经说过了，但是为什么要说这个呢？实际上，如果今天，我们把磁盘这个外设换为网络，实际上就变成了网络通信！我们之前说过，传输层和网络层协议属于操作系统内核的一部分! 如果今天主机想要通过网络进行Tcp协议通信，那么 在传输层OS会维护两个缓冲区，一个 发送缓冲区 ，一个 接收缓冲区：

在应用层，我们以双方约定好的协议，将数据进行序列化处理成一批字符串。我们前面在使用Socket编程的时候，直观上，我们都认为是send/sendto直接将数据发送给了对端，recv/recvfrom直接从对端接收数据。实际上双方的IO系统调用并不会直接作用于网络。如果是发送端，则调用write/send/sendto 接口发送到传输层的发送缓冲区 ，所以 write/send 本质是拷贝函数。将待发送的数据拷贝到发送缓冲区。

而发送数据则是由 Tcp 协议自主决定如何发送数据，而Tcp通过网络向对端发送数据，实际上就是 将自己发送缓冲区的内容通过网络拷贝到对方的接收缓冲区当中 ！所以 在传输层看来，是双方的操作系统在进行通信! 随后，对端的接收缓冲区就会通过 read/recv 等接口将数据拷贝到应用层 ，所以 read/recv 接口本质也是拷贝函数！最后将序列化的字符串交给上层，上层再根据协议进行反序列化，最终拿到相应的数据。

如果对端接收缓冲区内没有数据，那么 read/recv 接口就会阻塞等待，为什么会阻塞等待？因为缓冲区里没数据，而 本质上是因为调用read/recv接口的进程在等待数据的到来才会做下一步动作，从而将进程状态从运行态转变为阻塞态，当收到数据的时候再从阻塞态转为运行态 。同样，如果主机A通过write/send 接口没有数据需要发送，也会阻塞等待。如果我们单单看发送方，有人把数据往发送缓冲区内写，OS把发送缓冲区的内容发送走，这难道不就是一个简单的生产消费者模型吗 ？生产者是用户，消费者是OS，交易场所是发送缓冲区 。同样对于接收端来说，OS将数据通过网络拷贝到了接收缓冲区，上层用户需要通过 read/recv 来取出数据，那么对于接收方来说，也是一个生产消费者模型，只不过 生产者为 OS， 消费者为用户，交易场所为接收缓冲区。

由上面的例子，你认为 阻塞的本质是什么 ？是在进行同步！ 为什么会是同步？因为通信双方需要等待数据的发送或者接收，而他们接收的过程无非就是发送端将数据拷贝到发送缓冲区，tcp再通过网络将将数据拷贝到对方的接收缓冲区中，对端用户需要调用 read/recv 拷贝接收缓冲区的数据到应用层。由此观之，通信的本质就是拷贝！ 那么我们主机 A 在通过发送缓冲区给主机B的接收缓冲区发消息的时候，主机B不也可以通过自己的发送缓冲区给主机A的接收缓冲区发消息吗？它们之间互不干扰，所以这就是Tcp支持全双工的原因! 在Socket编程中我们说，一个 sockfd 也是支持全双工的，也是因为，sockfd既可以向发送缓冲区中发数据，也可以从接收缓冲区中拷贝数据！

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✈️Socket封装

我们对Socket进行封装，使其以后无论是tcp协议还是udp协议，变得更加简洁，更加有条理性，这是因为创建一个套接字的方式方法是比较套路化的，所以我们可以对其进行封装，我们把创建套接字，绑定ip和端口，网络监听，网络接收，发起链接，分别封装为五个 纯虚函数，将来让子类进行强制重写:

class Socket
{
public:
    virtual void CreateSocketOrDie() = 0;             // 创建套接字
    virtual void BindSocketOrDie(InetAddr &addr) = 0; // 绑定套接字
    virtual void ListenSocketOrDie() = 0;             // 监听套接字
    virtual socket_sptr Accepter(InetAddr *addr) = 0;
    virtual bool Connector(InetAddr &addr) = 0;

public:
};

如果我们想要创建服务器端与客户端的tcp socket通信，我们只需要调用不同的虚函数即可，当然也可以通过这些虚函数来组成udp socket通信，不过这里我们就不再实现udp的socket了：

class Socket
{
public:
    virtual void CreateSocketOrDie() = 0;             // 创建套接字
    virtual void BindSocketOrDie(InetAddr &addr) = 0; // 绑定套接字
    virtual void ListenSocketOrDie() = 0;             // 监听套接字
    virtual socket_sptr Accepter(InetAddr *addr) = 0; // 接收链接
    virtual bool Connector(InetAddr &addr) = 0;		  // 发起链接

public:
    void BuildListenSocket(InetAddr &addr)// 创建tcp套接字，绑定并监听
    {
        CreateSocketOrDie();
        BindSocketOrDie(addr);
        ListenSocketOrDie();
    }

    bool BuildClientSocket(InetAddr &addr)// 创建客户端套接字
    {
        CreateSocketOrDie();
        return Connector(addr);
    }
};

那么，我们如果想要建立Tcp连接，我们就可以在TcpSocket类当中继承Socket类，这样我们就可以对基类成员虚函数进行重写，而重写的所有内容实际上就是我们之前写的TcpSocket的内容，这里我就不再过多赘述:

const static int gbacklog = 8;
using socket_sptr = std::shared_ptr<Socket>;// 重命名 Socket 类型的智能指针

enum
{
    SOCKET_ERROR = 1,
    BIND_ERROR,
    LISTEN_ERROR,
    USAGE_ERROR,
};

class TcpSocket : public Socket
{
public:
    TcpSocket(int fd) : _sockfd(fd)
    {
    }

    void CreateSocketOrDie() override
    {
        // 创建链式套接字
        _sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_sockfd < 0)
        {
            LOG(FATAL, "socket error");
            exit(SOCKET_ERROR);
        }
        LOG(DEBUG, "socket create success, sockfd is: %d", _sockfd);
    }

    void BindSocketOrDie(InetAddr &addr) override
    {
        struct sockaddr_in local;
        memset(&local, 0, sizeof(local));
        local.sin_family = AF_INET;
        local.sin_port = htons(addr.Port());
        local.sin_addr.s_addr = inet_addr(addr.IP().c_str());

        int n = ::bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));
        if (n < 0)
        {
            LOG(FATAL, "bind error");
            exit(BIND_ERROR);
        }
        LOG(DEBUG, "bind success, sockfd is: %d", _sockfd);
    }

    void ListenSocketOrDie() override
    {
        int n = ::listen(_sockfd, gbacklog);
        if (n < 0)
        {
            LOG(FATAL, "listen error");
            exit(LISTEN_ERROR);
        }
        LOG(DEBUG, "listen success, sockfd is: %d", _sockfd);
    }

    socket_sptr Accepter(InetAddr *addr) override// 返回一个智能指针，以便于将来可以通过智能指针对基类成员方法进行调用
    {
        struct sockaddr_in peer;
        socklen_t len = sizeof(peer);
        int sockfd = ::accept(_sockfd, (struct sockaddr *)&peer, &len);
        if (sockfd < 0)
        {
            LOG(WARNNING, "accept error");
            return nullptr;
        }
		// accpet成功
        *addr = peer;
        socket_sptr sock = std::make_shared<TcpSocket>(sockfd);
        return sock;
    }

    bool Connector(InetAddr &addr) override
    {
        struct sockaddr_in server;
        memset(&server, 0, sizeof(server));
        server.sin_family = AF_INET;
        server.sin_port = htons(addr.Port());
        server.sin_addr.s_addr = inet_addr(addr.IP().c_str());
        int n = connect(_sockfd, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));
        if (n < 0)
        {
            std::cerr << "connect error" << std::endl;
            return false;
        }
        return true;
    }

private:
    int _sockfd;
};

这样写的好处是main函数和客户端的工作量就降低了很多，我们可以通过多态式的调用来完成Socket通信：

// 多态式调用
std::unique_ptr<Socket> listensock = std::make_unique<TcpSocket()>;
listensock->BuildListenSocket();// 直接建立起了连接

std::unique_ptr<Socket> clientsock = std::make_unique<TcpSocket()>;
clientsock->BuildClientSocket();// 客户端Socket套接字建立

这样，listensock或者clientsock虽然表面调用的是Socket基类，但是由于基类内的纯虚函数都在子类实现，所以会间接调用子类对父类纯虚函数的重写，这就是多态式调用。而以上对于Socket的封装，内置抽象函数(纯虚函数)，需要子类强制重新实现的这种方式，是一种设计模式 ，称为 模版方法模式。

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✈️服务器端改写

除此之外，我们把Socket进行了封装，那么TcpServer也就不需要像Tcp Socket编程那样进行写了，为了松耦合，我们把TcpServer类冗余部分全部删除，TcpServer帮我们的目的是：创建套接字，获取客户端链接，再去处理请求 三个部分，至于如何处理请求，就不该是TcpServer类所关心的了。

首先，我们不再需要原本的初始化部分，因为我们对Socket进行了封装，我们只需要在TcpServer构造函数中进行调用即可：

TcpServer(int port)
    : _localaddr("0", port)// 0表示接收任意地址
    , _listensock(std::make_unique<TcpSocket>())// 子类对象构造父类指针，以便于多态式调用
    , _isrunning(false)
{
    _listensock->BuildListenSocket(_localaddr);// 多态式调用, 构建了ListenSocket, 一步到位
}

private:
    InetAddr _localaddr;
    std::unique_ptr<Socket> _listensock;
    bool _isrunning;

一个Socket的智能指针就可以实现多态式调用进行初始化Tcp套接字部分，对于具体的任务是如何处理的虽然TcpServer不该关心，但是如何分配任务以及分配任务的方式是我们需要操心的，在上一篇文章中我们有四种分配方式，后面三种选择任何一种都可，在这里我选择多线程的方式分配任务。

不需要知道具体的任务细节，只需要TcpServer其提供一个可调用的任务接口即可，我们使用function将Service接口封装为一个新的类型 io_service_t类型，在初始化部分与线程回调函数部分我们都可以对其进行调用：

using namespace socket_ns;
// socket_ns exists: using socket_sptr = std::shared_ptr<Socket>;

class TcpServer;

// 对任务进行封装
using io_service_t = std::function<void (socket_sptr sockfd, InetAddr client)>;

class ThreadData
{
public:
    ThreadData(socket_sptr fd, InetAddr addr, TcpServer* s)
        :sockfd(fd)
        ,clientaddr(addr)
        ,self(s)
    {}
public:
    socket_sptr sockfd;// using socket_sptr = std::shared_ptr<Socket>;
    InetAddr clientaddr;
    TcpServer *self;
};

// TcpServer的目的是为了创建套接字，获取链接，再去处理，具体如何处理，就不需要TcpServer关心了
class TcpServer
{
public:
    TcpServer(int port, io_service_t service)
        : _localaddr("0", port)
        , _listensock(std::make_unique<TcpSocket>())
        , _service(service)
        , _isrunning(false)
    {
        _listensock->BuildListenSocket(_localaddr);
    }

    // 线程回调函数
    static void* HandlerSock(void* args)
    {
        pthread_detach(pthread_self());
        ThreadData* td = static_cast<ThreadData*>(args);
        td->self->_service(td->sockfd, td->clientaddr);
        delete td;
        return nullptr;
    }

    void Loop()
    {
        _isrunning = true;
        // 不能直接收数据，必须先获取连链接
        while(_isrunning)
        {
            InetAddr peeraddr;
            socket_sptr normalsock = _listensock->Accepter(&peeraddr);// // using socket_sptr = std::shared_ptr<Socket>;
            if(normalsock == nullptr) continue;

            pthread_t t;
            ThreadData *td = new ThreadData(normalsock, peeraddr, this);
            pthread_create(&t, nullptr, HandlerSock, td);// 将线程分离
        }
        _isrunning = false;
    }

    ~TcpServer()
    {}
private:
    InetAddr _localaddr;// 本地ip + port
    std::unique_ptr<Socket> _listensock;
    bool _isrunning;

    io_service_t _service;
};

在Loop函数中，由于在TcpServer中，我们重写了Accept()方法，所以我们不需要在Loop中写裸的accept()原生接口了，我们直接使用_listensock进行调用Accept()方法，会返回一个TcpSocket的对象，对象中本就存在sockfd。这样我们就可以成功获取连接了，再将其交给线程去处理即可。

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