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[C++知识库]【并发编程七】C++进程通信——套接字（socket)_80行代码实现一个聊天软件

【并发编程七】进程通信——套接字（socket）_80行代码实现一个聊天软件

  • 前言：
    80行代码实现一个聊天软件。
    刚写完《【操作系统二】图解TCP/IP模型+实战》、和《【操作系统三】图解网络IO（bio\nio\slect\epoll）》，和网络通信相关的基本都介绍清楚了，所以原本这篇socket通信不想再写了，但是考虑到【并发编程】系列不完整，所以才写了下了这篇。所以本篇文章侧重Windows系统下socket的代码实战（写了一个简单的聊天软件），如果对什么是socket还没有清晰的印象，建议先读上面的两篇文章，然后再看本篇。

一、简介

套接字是什么？基于上面两篇文章，关于socket简单说两句。

  • 四元组
  • 近于应用层和传输控制层。
  • 通过系统调用，返回内核的文件描述符。
  • 阻塞和非阻塞在于，阻塞会在没有消息时会等待，非阻塞在没有消息时会返回一个错误，让程序继续向后运行。

二、相关知识介绍

1、winsock1.h、winsock2.h

WinSock（Windows Socket）编程依赖于系统提供的动态链接库(DLL)，有两个版本：

  • 较早的DLL是 wsock32.dll，对应的头文件为 winsock1.h；
  • 最新的DLL是 ws2_32.dll，对应的头文件为 winsock2.h。

2、如何使用ws2_32.dll

使用 DLL 之前必须把 DLL 链接到当前程序，你可以在编译时链接，也可以在程序运行时链接，我们已在cmake系列《【cmake实战六】如何使用编译的库（动态库dll）——windows系统》、《【cmake实战七】如何使用编译的库（动态库dll）2——windows系统》进行了讲解。

  • 运行时链接
这里使用#pragma命令，在编译时加载：
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")
  • 编译时链接
target_link_libraries(Client "Ws2_32")

备注：本文使用的是编译时链接。

3、WSAStartup() 函数

使用 DLL 之前，还需要调用 WSAStartup() 函数进行初始化，以指明 WinSock 规范的版本，它的原型为：

  • parm1:请求的socket版本 2.2、2.1、2.0 ；parm2:传出的参数
int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);

4、socket

socket:创建套接字

  • parm1: af 地址协议族 ipv4 ipv6
  • parm2:type 传输协议类型 流式套接字（SOCK_STREAM)，数据包套接字（SOCK_DGRAM)
  • parm3:ptotoc1 使用具体的某个传输协议
SOCKET WSAAPI socket(
  [in] int af,
  [in] int type,
  [in] int protocol
);

代码中我们使用的是ipv4,流式、TCP。

5、bind

  • 绑定ip端口号,绑定函数将本地地址与套接字相关联。
int WSAAPI bind(
  [in] SOCKET         s,
  [in] const sockaddr *name,
  [in] int            namelen
);

5、listen

  • 侦听函数将套接字置于侦听传入连接的状态。
int WSAAPI listen(
  [in] SOCKET s,
  [in] int    backlog
);

6、accept

  • accept 函数允许在套接字上尝试传入连接。
  • 等待客户都链接
SOCKET WSAAPI accept(
  [in]      SOCKET   s,
  [out]     sockaddr *addr,
  [in, out] int      *addrlen
);

7、connect

  • connect 函数建立与指定套接字的连接。
  • 客户端链接服务端。
int WSAAPI connect(
  [in] SOCKET         s,
  [in] const sockaddr *name,
  [in] int            namelen
);

详细可以参考微软的官方文档winsock2.h 标头

三、聊天软件的代码如下

客户端和服务端分属于两个进程。（当然，本代码只是仅仅实现了socket客户端和服务端的聊天通信，并不设计到用户信息的注册、多客户端链接等。）

1、服务端

  • 过程
    • 初始化
    • 创建socket
    • 绑定端口号和IP
    • 监听端口
    • 接收服务端的链接
    • 接收数据
  • main.cpp
#include <winsock2.h>
#include<windows.h>
#include <iostream>
//#pragma comment (lib,"ws2_32.lib") 因为cmake里面我们使用了target_link_libraries(Server "Ws2_32"),所以，在次我们不需要使用静态链接了。否则你需要把这行放开
using namespace std;
int main()
{
	int errCode = 0;
	cout << "==============socket server begin start.=============="<<endl;
	
	{
		// step1:初始化套接字版本
		cout << "begin init socket." << endl;
		WSADATA wsadata;//wsa 即windows socket async 异步套接字
		errCode = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsadata);   // parm1:请求的socket版本 2.2、2.1、2.0 ；parm2:传出的参数
		if(0 != errCode)
		{
			cout << "init socket version faile" << endl;
			return -1;
		}
		cout << "init socket version sucess" << endl;
	}
	SOCKET fd;
	{
		// setp2:创建套接字 ,我们使用的是ipv4,流式、TCP
		//parm1: af 地址协议族 ipv4 ipv6
		//parm2:type 传输协议类型 流式套接字（SOCK_STREAM)，数据包套接字（SOCK_DGRAM)
		//parm3:ptotoc1 使用具体的某个传输协议
		fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
		if (INVALID_SOCKET == fd)
		{
			cout << "create socket faile,get a invalid socket fd." << endl;
		}
		cout << "create socket sucess,get a valid socket fd." << endl;

		//setp2.1需要绑定的参数，主要是本地的socket的一些信息。
		SOCKADDR_IN addr;
		addr.sin_family = AF_INET;                           //地址协议族，和创建codket时必须一样。
		addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //127.0.0.1
		//addr.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;            //INADDR_ANY:绑定到本地网卡的任意地址
		addr.sin_port = htons(8888);                         //端口 htons将无符号短整型转化为网络字节序

		//绑定ip端口号
		errCode = bind(fd, (SOCKADDR*)&addr, sizeof(SOCKADDR));
		if (SOCKET_ERROR == errCode)
		{
			cout << "bind ip port faile" << endl;
		}
		cout << "bind ip port sucess" << endl;

		//step2.3监听
		listen(fd, 5);
		cout << "create socket sucess!" << endl << "begin listen..." << endl << endl;
	}
	SOCKET fd_server;
	{
		//setp3，链接服务端
		fd_server = accept(fd, NULL, NULL);//于客户端建立链接
		if (INVALID_SOCKET == fd_server)
		{
			cout << "fd_server is invalid." << endl;
		}
		cout << "fd_server is valid." << endl<<endl;
	}
	
	cout << "==============begin talking.server ==============" << endl;
	while (1)
	{
		//step3.1,接收数据
		char receiveBuf[1024] = { 0 };
		errCode = recv(fd_server, receiveBuf, 1024, 0);
		if (errCode <= 0)
		{
			cout << "receive data faile" << endl;
		}
		cout << "receive>: "<<receiveBuf<<endl;

		char sendBuf[1024] = { 0 };
		cout << "send>: ";
		cin.getline(sendBuf, 1024);
		send(fd_server, sendBuf, 1024, 0);
	}
	//关闭服务端的socket
	closesocket(fd_server);//关闭
	closesocket(fd);//关闭
	WSACleanup();//释放资源
	return 0;
}
  • cmakelist
CMAKE_MINIMUM_REQUIRED(VERSION 3.8.0)

PROJECT(qq)

ADD_EXECUTABLE(Server main.cpp)

target_link_libraries(Server "Ws2_32")

ADD_SUBDIRECTORY(Client)

SET(EXECUTABLE_OUTPUT_PATH "${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib")

2、客户端

  • 过程
    • 初始化
    • 创建socket
    • 链接服务端
    • 发送数据
  • main.cpp
#include <winsock2.h>
#include<windows.h>
#include <iostream>
//#pragma comment (lib,"ws2_32.lib") 因为cmake里面我们使用了target_link_libraries(Server "Ws2_32"),所以，在次我们不需要使用静态链接了。否则你需要把这行放开
using namespace std;
int main()
{
	int errCode = 0;
	cout << "==============socket client begin start.==============" << endl;
	
	{
		// step1:初始化套接字版本
		cout << "begin init socket." << endl;
		WSADATA wsadata;//wsa 即windows socket async 异步套接字
		errCode = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsadata);   // parm1:请求的socket版本 2.2、2.1、2.0 ；parm2:传出的参数
		if (0 != errCode)
		{
			cout << "init socket version faile" << endl;
			return -1;
		}
		cout << "init socket version sucess" << endl;
	}
	SOCKET fd;
	{
		// setp2:创建套接字 ,我们使用的是ipv4,流式、TCP
		//parm1: af 地址协议族 ipv4 ipv6
		//parm2:type 传输协议类型 流式套接字（SOCK_STREAM)，数据包套接字（SOCK_DGRAM)
		//parm3:ptotoc1 使用具体的某个传输协议
		fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
		if (INVALID_SOCKET == fd)
		{
			cout << "create socket faile,get a invalid socket fd." << endl;
		}
		cout << "create socket sucess,get a valid socket fd." << endl;

		//setp2.1需要绑定的参数，主要是本地的socket的一些信息。
		SOCKADDR_IN addr;
		addr.sin_family = AF_INET;                           //地址协议族，和创建codket时必须一样。
		addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //127.0.0.1
		//addr.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;            //INADDR_ANY:绑定到本地网卡的任意地址
		addr.sin_port = htons(8888);                         //端口 htons将无符号短整型转化为网络字节序

		//setp3，接收客户端的链接
		errCode = connect(fd, (SOCKADDR*)&addr, sizeof(SOCKADDR));
		if (SOCKET_ERROR == errCode)
		{
			cout << "connect faile" << endl;
			return -1;
		}
		cout << "connect sucess" << endl<<endl;
	}

	cout << "==============begin talking.client==============" << endl;
	while (1)
	{
		//step3.1,发送数据
		cout << "send>: ";
		char sendBuf[1024] = {0};
		cin.getline(sendBuf,1024);
		if (SOCKET_ERROR == send(fd, sendBuf, 1024, 0))
		{
			cout << "send data error" << endl;
			return -1;
		}

		// step3.2,接收数据
		char receiveBuf[1024];
		errCode = recv(fd, receiveBuf, 1024, 0);
		if (errCode <= 0)
		{
			cout << "receive data faile" << endl;
		}
		cout << "receive>" << receiveBuf << endl;
	}

	//关闭客户端的socket
	closesocket(fd);//关闭
	WSACleanup();//释放资源
	return 0;
}
  • cmakelist
CMAKE_MINIMUM_REQUIRED(VERSION 3.8.0)

SET(TARGET "Client")

ADD_EXECUTABLE(Client main.cpp)

target_link_libraries(Client "Ws2_32")

SET(LIBRARY_OUTPUT_PATH "${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib")
SET(EXECUTABLE_OUTPUT_PATH "${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib")

四、cmake构建、编译、运行

文件目录如下
在这里插入图片描述

1、构建

cmake -B build

2、编译
当然，你也可以使用vs手动编译

cmake --build build

3、生成的项目组下图
在这里插入图片描述

五、输出

  • 客户端
    在这里插入图片描述

  • 服务端
    在这里插入图片描述

  • 客户端、服务端
    在这里插入图片描述

六、c++网络通信的库

  • 1、c++用途这么广泛的语言，竟然没有一个标准的c++库。
  • 2、之前在某位大佬的文章看到，说是c++23或者c++26,可能会把网络通信引入c++标准库。
  • 3、除了本文说的调用系统函数，还可以使用第三方库来实现网络通信。
  • 4、第三方网络库对各个系统的兼容性、和性能未知，所以如果要做跨平台开发的化，可以再多做些调研。
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