Linux之socket编程(七)----序列化与反序列化(1)

协议

再谈 "协议" 协议是一种 "约定". socket api的接口, 在读写数据时, 都是按 "字符串" 的方式来发送接收的. 如果我们要传输一些 "结构化的数据" 怎么办呢?

协议就是双方约定好的结构化的数据

重新理解tcp为什么支持全双工

write,read里面到底再做什么吗??

我们之前在 C 语言中学习过 read、write 等系统调用，它们本质上是对文件描述符的读写操作。为了提高数据传输效率，系统在发送和接收数据时都会引入相应的缓冲区机制。因此，当进程通过 write 发送数据时，数据并不是直接立刻发送到另一台主机，而是先写入发送缓冲区；当进程通过 read 接收数据时，也不是直接从网络中读取数据，而是从接收缓冲区中读取数据。

在主机之间进行数据读写的过程中，也存在一些类似 "管道" 的问题。例如，如果一方发送数据的速度较快，而另一方接收数据的速度较慢，接收方的缓冲区可能会被填满，此时发送方继续发送数据就会受到阻塞。反之，如果接收方读取数据的速度较快，而发送方发送数据的速度较慢，接收方也可能因为缓冲区中没有数据而进入等待状态。

这种现象类似于现实生活中的生产者 --- 消费者模型：发送方相当于生产者，接收方相当于消费者，而缓冲区则相当于一个临时存放数据的队列。当生产者生产速度过快时，队列会被填满；当消费者消费速度过快时，队列又可能为空。网络通信中的缓冲区机制，本质上就是在协调发送方和接收方之间的数据速度差异。

对于任意一台主机上的 TCP 连接，内核会同时维护一套发送缓冲区和接收缓冲区。依靠这两套独立缓冲区，TCP 能够做到一边发送数据、一边接收数据，该特性称为全双工。

正是因为存在两套独立缓冲区，同一个 TCPsockfd文件描述符，既能调用read/recv读取对端发来的数据，也能调用write/send向外发送数据。

应用层只需要把数据交给内核缓冲区即可，至于数据包什么时候发、一次发多大、丢包之后如何重传，全部由 TCP 协议负责控制，这就是 "传输控制协议" 名字的含义。

对于之前实现的tcp,有没有考虑过通过网络去进行传输的时候,如果没有一次性将我们的字符串穿过去要怎么办呢???,发生粘包现象该如何处理

TCP 粘包问题：一次 send 不一定一次 read 读完

TCP 是字节流协议 ，没有消息边界。你调用一次send("hello world")，对端recv()不一定一次就把完整字符串读出来；也可能多次 send 的数据粘在一起被一次读到，这就是粘包。

send/write：只是把数据拷贝到内核发送缓冲区，不代表数据立刻全部发出去；
recv/read：只是从内核接收缓冲区拿字节，不对应发送方的一次 send 调用；
应用层没有消息边界，内核不知道你的一条消息到底多长。

我们要设计报文和解包的逻辑进行解决

代码

要求

网络版计算器例如, 我们需要实现一个服务器版的加法器. 我们需要客户端把要计算的两个加数发过去, 然后由服务器进行计算, 最后再把结果返回给客户端

约定方案一：直接约定文本格式

• 客户端发送一个形如"1+2"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;

约定方案二:

• 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;

• 这个过程叫做 "序列化" 和 "反序列化"

用方案一,不用处理大小端对齐，但字符串解析繁琐，数据量大时效率低。

用方案二的化,传输结构体,会有**内存对齐的问题,**不同编译器、编译选项，结构体中间填充的占位字节不一样，两边结构体内存布局不一样。

我们采用两者相互结合的方式

文件	作用说明
Socket.hpp	对原生 socket 系统调用做 C++ 面向对象封装。封装`socket/bind/listen/accept/connect`，封装文件描述符管理、地址结构体，对外提供类接口，不用到处写原生 C 系统调用。
TcpServer.hpp	TCP 服务端高层封装。内部持有 listen 监听 socket，提供`Init()`、`Start()`启动服务；循环 accept 获取新连接，对接业务逻辑。
Calculate.hpp	计算器业务逻辑。接收运算请求，完成加减等计算，返回运算结果，只做数学计算，不碰网络。
Protocol.hpp	自定义通信协议（核心！序列化 / 反序列化在这里）。1. 定义消息结构体；2. 实现序列化：结构体转字节流；3. 实现反序列化：字节流还原结构体；4. 实现`ReadN/WriteN`循环读写，处理长度头，解决 TCP 粘包拆包；网络两端共用这一份协议头，保证客户端、服务端报文格式完全一致。

socket

整体设计：

Socket：抽象基类，把 socket 所有行为定义成虚函数。把监听、连接的通用逻辑写在基类普通成员函数。
TcpSocket：继承Socket，重写全部虚函数，完成 TCP 真正系统调用。

在这里我们就只实现TCP的部分

socket 能干什么？

创建 socket 文件描述符 socket()
bind 绑定端口
listen 监听（服务端用）
accept 接收新连接（服务端用）
connect 连接服务器（客户端用）
获取 / 设置 fd，关闭 fd
recv 接收数据、send 发送数据

先一步一步来

基类

Tpc派生类实现

cpp 复制代码

void CreateSocketOrDie() override
    {
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
        if (_sockfd < 0)
        {
            LOG(LogLevel::FATAL) << "socket false";
            exit(10);
        }
        else
        {
            LOG(LogLevel::INFO) << "socket success !!!  fd:" << _sockfd;
        }
    }
    void BindSocketOrDie(uint16_t port) override
    {
        struct sockaddr_in local;
        bzero(&local, sizeof(local));
        local.sin_port = htons(port);
        local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        local.sin_family = AF_INET;
        int n = bind(_sockfd, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local));
        if (n < 0)
        {
            LOG(LogLevel::FATAL) << "bind false";
            cerr << "bind error->" << strerror(errno) << " (errno: " << errno << ")" << endl;
            exit(10);   
        }
        else
        {
            LOG(LogLevel::INFO) << "bind success ";
        }
        
    }
    void ListenSocketOrDie(int backlog=defaultval) override
    {
        int n=listen(_sockfd, backlog);
        if(n<0)
        {
            LOG(LogLevel::FATAL) << "listen false";
            exit(10);
        }
        else
        {
            LOG(LogLevel::INFO) << "listen success";
        }
    }

Linux之socket编程(七)----序列化与反序列化(1)

协议

重新理解tcp为什么支持全双 工

TCP 粘包问题：一次 send 不一定一次 read 读完

代码

要求

socket

Protocol

Calculate

重新理解tcp为什么支持全双工