【网络编程】WebSocket 实现简易Web多人聊天室

Antonio9152025-08-04 20:32

一、实现思路

  • Web端就是使用html + JavaScript来实现页面，通过WebSocket长连接和服务器保持通讯，协议的payload使用JSON格式封装

  • 服务端使用C++配合第三方库WebSocket++和nlonlohmann库来实现

二、Web端

2.1 界面显示

首先，使用html来设计一个简单的静态框架：

  • 有一个聊天室的标题
  • 然后一个文本框加上一个发送按钮
html 复制代码 
<body>
    <h1>WebSocket简易聊天室</h1>
    <div id="app">
        <input id="sendMsg" type="text" />
        <button id="sendBtn">发送</button>
    </div>
</body>

然后我们还需要显示聊天信息，我们可以利用脚本每次有信息的时候，就把这个信息嵌入到<body>里面，这个信息本身存放在<div>里面，如下：

  • 加入房间显示蓝色
  • 离开房间显示红色
  • 聊天信息显示黑色
js 复制代码 
function showMessage(str, type) {
	var div = document.createElement("div");
	div.innerHTML = str;
	if (type == "enter") div.style.color = "blue";
	else if (type == "leave") div.style.color = "red";
	document.body.appendChild(div);
}

2.2 WebSocket 连接

接下来我们配合JavaScript脚本，先连接服务端的WebSocket服务器

js 复制代码 
var websocket = new WebSocket('ws://192.168.217.128:9002');

我们需要实现WebSocket的几个回调函数：

  1. onopen
  • 这个回调函数在连接服务器成功时触发，我们在连接成功的时候，绑定上发送按钮的点击事件
js 复制代码 
// 连接成功
websocket.onopen = function () {
	console.log("连接服务器成功");
	document.getElementById("sendBtn").onclick = function () {
		var msg = document.getElementById("sendMsg").value;
		if (msg) {
			websocket.send(msg);
		}
	};
};
  1. onmessage
  • 这个回调函数在接收到服务端的消息后触发，这里是JSON格式，我们服务端定义了data为key，对应的消息就是data后面的value了
js 复制代码 
websocket.onmessage = function (e) {
	var mes = JSON.parse(e.data);
	showMessage(mes.data, mes.type);
};
  1. onclose
  • 这个回调函数在连接断开的时候触发，在这里我们简单的打印一下即可：
js 复制代码 
// 连接关闭
websocket.onclose = function (event) {
	console.log("连接已关闭", "代码：", event.code, "原因：", event.reason);
};

2.3 完整代码

完整的Web代码如下：

html 复制代码 
<!DOCTYPE html>
<html>

<body>
    <h1>WebSocket简易聊天室</h1>
    <div id="app">
        <input id="sendMsg" type="text" />
        <button id="sendBtn">发送</button>
    </div>
</body>
<script>
    function showMessage(str, type) {
        var div = document.createElement("div");
        div.innerHTML = str;
        if (type == "enter") div.style.color = "blue";
        else if (type == "leave") div.style.color = "red";
        document.body.appendChild(div);
    }

    var websocket = new WebSocket('ws://192.168.217.128:9002');

    // 连接成功
    websocket.onopen = function () {
        console.log("连接服务器成功");
        document.getElementById("sendBtn").onclick = function () {
            var msg = document.getElementById("sendMsg").value;
            if (msg) {
                websocket.send(msg);
            }
        };
    };

    // 接收消息
    websocket.onmessage = function (e) {
        var mes = JSON.parse(e.data);
        showMessage(mes.data, mes.type);
    };

    // 连接关闭
    websocket.onclose = function (event) {
        console.log("连接已关闭", "代码：", event.code, "原因：", event.reason);
    };

    // 错误处理
    websocket.onerror = function (error) {
        console.error("WebSocket错误:", error);
    };

</script>

</html>

三、服务端代码

确保你已经配置好了第三方库，下面我们开始讲解服务端代码：

3.1 echo_server改造

首先这里我们是使用WebSocket++这个第三方库的配套示例echo_server.cpp改造的，因此我们只讲解改造的部分，未修改源代码echo_server.cpp如下：

cpp 复制代码 
// examples目录是官方的一些例子 本次使用的是echo_server\echo_server.cpp
// 该原程序只支持一对一发送后回复
// 改造后可以通知所有连接上来的客户端。
// 编译 g++ main.cpp -o main -lboost_system -lboost_chrono
 
#include <websocketpp/config/asio_no_tls.hpp>
 
#include <websocketpp/server.hpp>
 
#include <iostream>
#include <list>
 
#include <functional> 
 
typedef websocketpp::server<websocketpp::config::asio> server;
 
using websocketpp::lib::bind;
using websocketpp::lib::placeholders::_1;
using websocketpp::lib::placeholders::_2;
 
// pull out the type of messages sent by our config
typedef server::message_ptr message_ptr;
 
std::list<websocketpp::connection_hdl> vgdl;
 
// Define a callback to handle incoming messages
void on_message(server *s, websocketpp::connection_hdl hdl, message_ptr msg)
{
    // std::cout << "on_message called with hdl: " << hdl.lock().get()
    //           << " and message: " << msg->get_payload()
    //           << std::endl;
 
    // check for a special command to instruct the server to stop listening so
    // it can be cleanly exited.
    if (msg->get_payload() == "stop-listening")
    {
        s->stop_listening();
        return;
    }
 
    for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); it++)
    {
        if (it->expired())//移除连接断开的
        {
            it = vgdl.erase(it);
            continue;
        }
        if (it != vgdl.end())
            s->send(*it, msg->get_payload(), msg->get_opcode());
        // t.wait();
    }
 
    // try {
    //     s->send(hdl, msg->get_payload()+std::string("aaaaa"), msg->get_opcode());
    // } catch (websocketpp::exception const & e) {
    //     std::cout << "Echo failed because: "
    //               << "(" << e.what() << ")" << std::endl;
    // }
}
//将每个连接存入容器
void on_open(websocketpp::connection_hdl hdl)
{
    std::string msg = "link OK";
    printf("%s\n", msg.c_str());
    // printf("fd %d\n",(int)hdl._M_ptr());
    vgdl.push_back(hdl);
}
 
void on_close(websocketpp::connection_hdl hdl)
{
    std::string msg = "close OK";
    printf("%s\n", msg.c_str());
}
int main()
{
    // Create a server endpoint
    server echo_server;
 
    try
    {
        // Set logging settings 设置log
        echo_server.set_access_channels(websocketpp::log::alevel::all);
        echo_server.clear_access_channels(websocketpp::log::alevel::frame_payload);
 
        // Initialize Asio 初始化asio
        echo_server.init_asio();
 
        // Register our message handler
        // 绑定收到消息后的回调
        echo_server.set_message_handler(bind(&on_message, &echo_server, ::_1, ::_2));
        //当有客户端连接时触发的回调
        std::function<void(websocketpp::connection_hdl)> f_open;
        f_open = on_open;
        echo_server.set_open_handler(websocketpp::open_handler(f_open));
        //关闭是触发
        std::function<void(websocketpp::connection_hdl)> f_close(on_close);
        echo_server.set_close_handler(f_close);
        // Listen on port 9002
        echo_server.listen(9002);//监听端口
 
        // Start the server accept loop
        echo_server.start_accept();
 
        // Start the ASIO io_service run loop
        echo_server.run();
    }
    catch (websocketpp::exception const &e)
    {
        std::cout << e.what() << std::endl;
    }
    catch (...)
    {
        std::cout << "other exception" << std::endl;
    }
}

3.2 管理用户名

  • 对于每一个连接上来的用户，对应唯一的connection_hdl类型的值，是一个用于标识和跟踪 WebSocket 连接的句柄类型，其本质是对连接对象的弱引用（封装了 std::weak_ptr）

  • 因此我们可以把它映射到每一个用户名，这样我们就知道发送过来的连接句柄对应是哪个用户了，实际这里我们每次连接都分配了一个用户名：

cpp 复制代码 
std::string username = "user:" + std::to_string(++totalUser);

这里我们使用std::map进行映射，由于websocketpp::connection_hdl类型不具备运算符<，因此我们自己写一个仿函数，里面用它内部的weak_ptr进行比较

cpp 复制代码 
struct ConnectionHdlCompare {
    bool operator()(const websocketpp::connection_hdl& a, const websocketpp::connection_hdl& b) const {
        // 通过获取底层的弱指针的原始指针进行比较
        return a.lock() < b.lock();
    }
};

然后这样定义std::map：

cpp 复制代码 
std::map<websocketpp::connection_hdl, std::string, ConnectionHdlCompare> user_map;

3.3 连接事件

  • 每个用户连接的时候，需要分配一个唯一的用户名，然后广播给全部用户，该用户加入房间了，我们使用JSON进行序列化，类型是enter，同时，把这个连接句柄加入全局的链表中
cpp 复制代码 
void on_open(websocketpp::connection_hdl hdl)
{
    std::string msg = "link OK";
    printf("%s\n", msg.c_str());
    
    vgdl.push_back(hdl);

    // 生成唯一用户名
    std::string username = "user:" + std::to_string(++totalUser);
    user_map[hdl] = username;  // 记录连接对应的用户名

    // 广播用户加入消息
    json j;
    j["type"] = "enter";
    j["data"] = username + "加入房间";
    std::string json_str = j.dump();

    std::cout << "json_str = " << json_str << std::endl;
    send_msg(&echo_server, json_str);
}

  • 广播函数send_msg我们重载了两个版本，其中一个版本是字符串std::string发送，另一个则是使用message_ptr类型，其内部封装了消息帧的数据，比如payload负载、opcode操作码，它本质也是一个weak_ptr

  • 创建文本帧如下，我们发送JSON，使用的是text

    • 0x0：延续帧（用于分片传输大消息，当前帧是消息的中间部分）；
    • 0x1：文本帧（payload 是 UTF-8 编码的文本数据）；
    • 0x2：二进制帧（payload 是任意二进制数据，如图片、protobuf 等）；
    • 0x8：关闭帧（通知对方关闭连接，payload 可包含关闭原因）；
    • 0x9：Ping 帧（心跳检测，用于确认连接活性）；
    • 0xA：Pong 帧（响应 Ping 帧的心跳回复）。

  • 遍历的时候，需要判断是否指针失效了，因为weak_ptr本身并不能管理对象，需要转换为shared_ptr来查看，可以调用expire()函数来看看是否为nullptr，我们只对有效的连接发送消息，无效的连接直接从链表删除这个句柄

cpp 复制代码 
void send_msg(server *s, message_ptr msg){
    for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); )
    {
        if (it->expired())
        {
            it = vgdl.erase(it);  // 正确处理迭代器失效：连接断开
        }
        else
        {
            try {
                s->send(*it, msg->get_payload(), msg->get_opcode());
            } catch (websocketpp::exception const & e) {
                std::cout << "Broadcast failed because: " << e.what() << std::endl;
            }
            ++it;  // 只有在未删除元素时才递增迭代器
        }
    }
}

void send_msg(server *s,std::string msg){
    for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); )
    {
        if (it->expired())
        {
            it = vgdl.erase(it);  // 正确处理迭代器失效：连接断开
        }
        else
        {
            try {
                s->send(*it, msg, websocketpp::frame::opcode::text);
            } catch (websocketpp::exception const & e) {
                std::cout << "Broadcast failed because: " << e.what() << std::endl;
            }
            ++it;  // 只有在未删除元素时才递增迭代器
        }
    }
}

3.4 关闭事件

在触发关闭连接的回调函数中，我们要删除对应map里面的用户名，并且我们将这个用户离开房间的消息转发给所有人，JSON序列化的type为leave

cpp 复制代码 
void on_close(websocketpp::connection_hdl hdl)
{
	for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); )
    {
        if (it->expired())
        {
            it = vgdl.erase(it);  // 正确处理迭代器失效：连接断开
        }
    }
    std::string msg = "close OK";
    printf("%s\n", msg.c_str());
    
    // 清理用户映射表并广播离开消息
    if (user_map.find(hdl) != user_map.end()) {
        std::string username = user_map[hdl];
        user_map.erase(hdl);  // 删除映射记录

        json j;
        j["type"] = "leave";
        j["data"] = username + "离开房间";
        std::string json_str = j.dump();
        send_msg(&echo_server, json_str);
    }
}

3.5 发送消息事件

  • 在收到客户端的消息之后，我们需要将这个消息转发给所有人，JSON序列化的type为message，发送的时候需要加上用户名，这样前端显示才有用户名：

  • 这里是通过修改message_ptr的payload的形式来发送消息的，因此我们调用send_msg是第一个重载版本

cpp 复制代码 
void on_message(server *s, websocketpp::connection_hdl hdl, message_ptr msg)
{
    std::cout << "on_message called with hdl: " << hdl.lock().get()
              << " and message: " << msg->get_payload()
              << std::endl;
 
    // check for a special command to instruct the server to stop listening so
    // it can be cleanly exited.
    if (msg->get_payload() == "stop-listening")
    {
        s->stop_listening();
        return;
    }

    //转发消息
    json j;
    j["type"] = "message";
    j["data"] =  user_map[hdl] + "说:" + msg->get_payload();
    std::string json_str = j.dump();

    msg->set_payload(json_str);
    std::cout << "msg = " << msg->get_payload() << std::endl;
    send_msg(s, msg);
}

3.6 完整代码

完整的服务端代码如下：

cpp 复制代码 
// examples目录是官方的一些例子 本次使用的是echo_server\echo_server.cpp
// 该原程序只支持一对一发送后回复
// 改造后可以通知所有连接上来的客户端。
// 编译 g++ main.cpp -o main -lboost_system -lboost_chrono
 
#include <websocketpp/config/asio_no_tls.hpp>
 
#include <websocketpp/server.hpp>
 
#include <iostream>
#include <list>
#include <functional> 
#include <mutex>  // 添加互斥锁头文件

//json解析
#include<nlohmann/json.hpp>
using json = nlohmann::json;


typedef websocketpp::server<websocketpp::config::asio> server;
 
using websocketpp::lib::bind;
using websocketpp::lib::placeholders::_1;
using websocketpp::lib::placeholders::_2;
 
// pull out the type of messages sent by our config
typedef server::message_ptr message_ptr;
 
std::list<websocketpp::connection_hdl> vgdl;
std::mutex vgdl_mutex;  // 添加互斥锁保护连接列表

// 自定义比较函数对象
struct ConnectionHdlCompare {
    bool operator()(const websocketpp::connection_hdl& a, const websocketpp::connection_hdl& b) const {
        // 通过获取底层的弱指针的原始指针进行比较
        return a.lock() < b.lock();
    }
};

// 使用自定义比较函数对象的连接-用户名映射表
std::map<websocketpp::connection_hdl, std::string, ConnectionHdlCompare> user_map;  // 新增：连接-用户名映射表
 
// Define a callback to handle incoming messages

// Create a server endpoint
server echo_server;

int totalUser = 0;
void send_msg(server *s, message_ptr msg){
    for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); )
    {
        if (it->expired())
        {
            it = vgdl.erase(it);  // 正确处理迭代器失效：连接断开
        }
        else
        {
            try {
                s->send(*it, msg->get_payload(), msg->get_opcode());
            } catch (websocketpp::exception const & e) {
                std::cout << "Broadcast failed because: " << e.what() << std::endl;
            }
            ++it;  // 只有在未删除元素时才递增迭代器
        }
    }
}

void send_msg(server *s,std::string msg){
    for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); )
    {
        if (it->expired())
        {
            it = vgdl.erase(it);  // 正确处理迭代器失效：连接断开
        }
        else
        {
            try {
                s->send(*it, msg, websocketpp::frame::opcode::text);
            } catch (websocketpp::exception const & e) {
                std::cout << "Broadcast failed because: " << e.what() << std::endl;
            }
            ++it;  // 只有在未删除元素时才递增迭代器
        }
    }
}
void on_message(server *s, websocketpp::connection_hdl hdl, message_ptr msg)
{
    std::cout << "on_message called with hdl: " << hdl.lock().get()
              << " and message: " << msg->get_payload()
              << std::endl;
 
    // check for a special command to instruct the server to stop listening so
    // it can be cleanly exited.
    if (msg->get_payload() == "stop-listening")
    {
        s->stop_listening();
        return;
    }

    //转发消息
    json j;
    j["type"] = "message";
    j["data"] =  user_map[hdl] + "说:" + msg->get_payload();
    std::string json_str = j.dump();

    msg->set_payload(json_str);
    std::cout << "msg = " << msg->get_payload() << std::endl;
    send_msg(s, msg);
}

//将每个连接存入容器
void on_open(websocketpp::connection_hdl hdl)
{
    std::string msg = "link OK";
    printf("%s\n", msg.c_str());
    
    vgdl.push_back(hdl);

    // 生成唯一用户名
    std::string username = "user:" + std::to_string(++totalUser);
    user_map[hdl] = username;  // 记录连接对应的用户名

    // 广播用户加入消息
    json j;
    j["type"] = "enter";
    j["data"] = username + "加入房间";
    std::string json_str = j.dump();

    std::cout << "json_str = " << json_str << std::endl;
    send_msg(&echo_server, json_str);
}
 
void on_close(websocketpp::connection_hdl hdl)
{
	for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); )
    {
        if (it->expired())
        {
            it = vgdl.erase(it);  // 正确处理迭代器失效：连接断开
        }
    }
    std::string msg = "close OK";
    printf("%s\n", msg.c_str());
    
    // 清理用户映射表并广播离开消息
    if (user_map.find(hdl) != user_map.end()) {
        std::string username = user_map[hdl];
        user_map.erase(hdl);  // 删除映射记录

        json j;
        j["type"] = "leave";
        j["data"] = username + "离开房间";
        std::string json_str = j.dump();
        send_msg(&echo_server, json_str);
    }
}

int main()
{
    try
    {
        // Set logging settings 设置log
        echo_server.set_access_channels(websocketpp::log::alevel::all);
        echo_server.clear_access_channels(websocketpp::log::alevel::frame_payload);
 
        // Initialize Asio 初始化asio
        echo_server.init_asio();
 
        // Register our message handler
        // 绑定收到消息后的回调
        echo_server.set_message_handler(bind(&on_message, &echo_server, ::_1, ::_2));
        //当有客户端连接时触发的回调
        std::function<void(websocketpp::connection_hdl)> f_open;
        f_open = on_open;
        echo_server.set_open_handler(websocketpp::open_handler(f_open));
        //关闭是触发
        std::function<void(websocketpp::connection_hdl)> f_close(on_close);
        echo_server.set_close_handler(f_close);
        // Listen on port 9002
        echo_server.listen(9002);//监听端口
 
        // Start the server accept loop
        echo_server.start_accept();
 
        // Start the ASIO io_service run loop
        echo_server.run();
    }
    catch (websocketpp::exception const &e)
    {
        std::cout << e.what() << std::endl;
    }
    catch (...)
    {
        std::cout << "other exception" << std::endl;
    }
}

四、运行结果

编译服务端并启动：

shell 复制代码 
g++ main.cpp -o main -lboost_system -lboost_chrono
./main

在两个浏览器中打开我们的Web服务端，这里是本地的，所以是

http 复制代码 
http://127.0.0.1:5500/chatClient.html

两个用户加入房间、聊天、离开的效果有不同的颜色，如下所示

更多资料：https://github.com/0voice

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