【计网】从零开始使用UDP进行socket编程 --- 服务端业务实现

1 前情提要

上一篇文章中，我们通过UDP协议实现了客户端和服务端的通信：客户端与服务端通信实现

1. 通过socket接口创建socket文件，注意服务端可以主动绑定端口，客户端只可以进行被动绑定!!!
2. 通过sendto接口根据目标IP地址以及端口号进行发送数据，发送的数据会讲发送者的IP地址和端口一并发送！
3. 通过recvfrom接口从socket文件中进行获取信息，并得到发送者信息！

通过这三个接口我们实现了服务端和客户端之间的通信过程，接下来我们就来添加一些业务逻辑，让我们的客户端与服务端的通信更加实用！！！

下面我们将进行两个小项目：

• 模拟实现单词翻译交互
• 模拟实现多人聊天室

2 单词翻译

2.1 业务需求

我们需要实现的是：

1. 服务端根据配置文件形成字典数据结构，可以通过单词快速检索汉语翻译
2. 客户端可以向服务端发送单词，服务端获取到单词后，在字典数据结构中搜索释义，然后处理之后传送给客户端
3. 客户端获取到单词释义，进行打印操作，将释义展示出来！

这就是一个单词翻译的基本逻辑，接下来我们来实现一下：

2.2 设计字典类

现在我们从零设计字典类：

1. 字典内部需要一个数据结构来储存单词与翻译的映射关系，可以使用哈希表来进行！
2. 字典内部还需要配置文件的路径，方便创建时主动传入配置文件路径
3. 构造时，根据配置文件中的内容快速建立映射关系
4. 使用一个核心翻译接口，通过单词寻找到汉语释义

这里的配置文件可以是各式各样的，我这里使用的是如下格式的.txt文件：

hello: 你好，用作见面时的礼貌问候语
goodbye: 再见，分别时说的告别语 
summer: 夏天，一年四季中的第二个季节，通常气候炎热 
winter:冬天，一年四季中的最后一个季节，通常气候寒冷
...

代码实现中会使用到文件流操作，这里使用的是C++风格的流操作，按行读取配置文件中的数据！
翻译接口使用的是简单的哈希表查询，不再赘述！

#include<unordered_map>
#include<string>
#include<fstream>

#include"Log.hpp"

using namespace log_ns;

//默认配置文件路径
const std::string gpath = "./dict.txt";
//文件间隔符
const std::string sep = ": ";

class Dict
{
private:
    void LoadDict()
    {
    	//建立文件流对象
        std::fstream in(_path , std::ios_base::in);
        if(!in.is_open())
        {
            LOG(FATAL , "The configuration file failed ! \n");
            exit(0);
        }
        //进行读取
        std::string line;
        while(std::getline(in , line))
        {
           if(line.empty()) continue;
           auto pos = line.find(sep);
           if (pos == std::string::npos) continue;

           std::string key = line.substr(0 , pos); 
           if(key.empty()) continue;
            
           std::string value = line.substr(pos + sep.size());
           if(value.empty()) continue;

           _dict[key] = value;

            LOG(DEBUG , "%s : %s load success\n", key.c_str() , value.c_str());
        }   
    }
public:
    Dict(const std::string& path = gpath) :_path(path)
    {
        LOG(DEBUG , "Dictionaries are being created! \n");
        LoadDict();
    }
    std::string Translate(std::string str)
    {
        auto ret = _dict.find(str);
        if(ret != _dict.end())
        {
            return ret->second;
        }
        else
        {
            return "我不会 , 你换个词问吧!";
        }
    }
    ~Dict()
    {
    }
private:
    std::unordered_map<std::string , std::string> _dict;
    std::string _path;
};

2.3 服务端与客户端逻辑

首先，为了服务端可以实现核心函数的运行，需要在服务器类中加入回调函数，这里我们使用function包装器来进行优化：

// 数据处理的核心 --- 回调函数
using func_t = std::function<std::string(std::string)>;

之后我们就加入一个回调函数成员变量，并在构造函数中进行初始化！

之后就要考虑如何将字典类中的Translate函数传给服务器类中了，首先类函数默认都有一个参数this，这里使用bind包装器进行绑定：

#include "UdpServer.hpp"

int main(int argc , char *argv[])
{
    if(argc != 2)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " server-ip " << std::endl;
        exit(0);
    }
    EnableScreen();
    uint16_t port = std::stoi(argv[1]);
    //创建字典
    Dict d;
    func_t func = std::bind( &Dict::Translate , &d , std::placeholders::_1);
    std::unique_ptr<UdpServer> ptr = std::make_unique<UdpServer>(func , port);
    
    ptr->InitServer();
    ptr->Start();
    return 0;
}

这样服务器端的运行逻辑就写好了！接下来看客户端，客户端其实并不需要进行改变，因为客户端只是进行一个数据的发送操作和数据的获取操作，客户端要做的就是将用户输入的单词传给服务器端，剩下的就不需要进行额外操作了！

2.4 运行效果

现在一切都已经写好，我们来看看我们的单词翻译软件可不可以进行单词翻译的工作：

服务器加载配置文件成功：

启动客户端程序，进行单词查询，效果良好！！！

这样单词翻译的程序就写好了！！！接下来我们来实现更加有意思的多人聊天室！！！

3 多人聊天室

3.1 业务需求

多人聊天室的需求是比较直观的，就是通过创建一个类似微信群聊的聊天室。只有两个基础需求

1. 用户可以接受群中其他人的消息，并且可以知道发送者的信息！
2. 用户可以发送消息，发送的消息经过服务器转发给其他用户！

只要实现这俩个功能，聊天室的基础需求就已经完成了！！！为了实现这个功能我们需要：

1. 在线用户列表：可以知道有哪些用户在线
2. 路由转发函数：可以根据在线用户列表发送消息

我们可以直接设计一个路由转发类进行这样的功能！

3.2 路由转发Route类

我们来使用一个路由转发类：

1. 使用vetcor容器来管理用户信息InetAddr，只要知道了用户的IP地址和端口就可发送回去消息
2. 设计检查是否在线函数，在线就直接进行转发，不在线就进行插入。
3. 用户可以输入指定的内容退出聊天，这里设计一个删除函数
4. 我们可以加入线程池并发执行转发任务！这样可以快速实现多个用户的转发工作，效率就提升上来了！

线程池参考自之前的文章:【Linux】线程池项目详解

#include <vector>

#include "UdpServer.hpp"
#include "ThreadPool.hpp"

using namespace ThreadMouble;

using task_t = std::function<void()>;

class Route
{
private:
    void CheckOnlineUser(InetAddr &who)
    {
        LockGuard lock(&_mtx);
        auto it = _online_user.begin();
        for (; it < _online_user.end(); it++)
        {
            if (who == *it)
                return;
        }
        // 没有就进行插入
        _online_user.push_back(who);
    }
    void Remove(InetAddr &who)
    {
        auto it = _online_user.begin();
        for (; it < _online_user.end(); it++)
        {
            if (who == *it)
            {
                _online_user.erase(it);
                break;
            }
        }
    }
    //                 发送
    void ForwardHelper(int sockfd, const std::string &message)
    {
        LockGuard lock(&_mtx);
        // 遍历一遍在线用户列表进行发送消息
        for (auto &user : _online_user)
        {
            struct sockaddr_in peer = user.Addr();
            // ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
            ::sendto(sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr *)&peer, sizeof(peer));
        }
    }
public:
    Route()
    {
    }
    void Foward(int sockfd, const std::string &message, InetAddr &who)
    {
        
        // 1.先对用户进行检查
        CheckOnlineUser(who); // 现在一定是在用户列表中
        // 2.检查信息内容是否是退出信息
        if (message == "QUIT" || message == "Q")
        {
            // 从用户列表中移除
            Remove(who);
        }
        // 3.进行群发消息 ForwardHelper(sockfd , message );
        // 4.使用线程池进行并发操作
        task_t t = std::bind( &Route::ForwardHelper, this , sockfd, message);
        ThreadPool<task_t>::GetInstance()->Equeue(t);
    }
    ~Route()
    {
    }

private:
    std::vector<InetAddr> _online_user; // 在线用户列表
    pthread_mutex_t _mtx;
};

这样Route类就完成了，在对Route进行使用时进bind绑定，以匹配服务器中回调函数的类型。不得不说bind包装器和function包装器真的太好用了！！！简直是天才的设计！！！

int main(int argc , char *argv[])
{
	//...
    //转发功能
    Route temp;
    //进行绑定     void Foward(int sockfd, const std::string &message, InetAddr &who)
    service_t func = std::bind(&Route::Foward , &temp , std::placeholders::_1 , std::placeholders::_2 , std::placeholders::_3);
    std::unique_ptr<UdpServer> ptr = std::make_unique<UdpServer>(func , port);
    ptr->InitServer();
    ptr->Start();
    
    return 0;
}

这样在服务器端就可以使用多线程并发进行消息的路由转发任务！！！

3.3 客户端的改造

客户端需要为用户提供一个输入栏，允许用户可以输入信息！并且客户端需要实时接收其他用户发送的消息，并及时的打印出来。
如果按照单词翻译的代码逻辑来进行，会出现问题。单词翻译中的接收与发送是一对一进行的，只有发送了消息才会收到一个信息。但是聊天室的不管发没发消息都应该收到其他人发送的消息！所以需要对接收和发送进行解耦，让两个任务通过两个不同的线程进行运行，达到并发执行的效果！

下面是改造后的代码：

代码中创建了两个单独的线程来执行发送和接收任务！
但是接收和发送函数与线程内部的回调函数类型不匹配！怎么办？直接进行一手bind绑定!!!bind绑定简直是神!!!
这样就实现了发送和接收的解耦，互不影响，完全做到同时并发进行！！！
这样的解耦操作实在是太优雅了！！！

#include <aio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <memory>
#include <string>
#include <cstring>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <iostream>

#include "Log.hpp"
#include "Thread.hpp"

enum
{
    SOCKER_FD = 1,
    SOCKET_BIND
};

using namespace log_ns;
using namespace ThreadMouble;

int InitClient()
{
    // 建立套接字socket
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0)
    {
        LOG(FATAL, "socket failed!\n");
        exit(SOCKER_FD);
    }
    LOG(DEBUG, "Client create socket success , _sockfd:%d \n", sockfd);
    return sockfd;
}

void SenderMessage(int sockfd, std::string ip, int port, std::string &name)
{
    // //设置服务器结构体
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof(server)); // 数据归零
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(port);                  // 端口号
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip.c_str()); // ip地址
    while (1)
    {
        // 发送数据
        std::string line;
        std::cout << "Please Enter: ";
        std::getline(std::cin, line);

        // ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags, const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);
        int n = sendto(sockfd, line.c_str(), line.size(), 0, (struct sockaddr *)&server, sizeof(server));
        if(n <= 0) break;
    }
}

void RecverMessage(int sockfd, std::string &name)
{
    while (true)
    {
        // 进行获取数据
        struct sockaddr_in temp;
        socklen_t len = sizeof(temp);
        char buffer[512];
        // ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
        ssize_t n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr *)&temp, &len);
        if (n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            std::cerr << buffer << std::endl;
        }
        else
        {
            std::cerr << "m < 0 程序退出 !" << std::endl;
            break;
        }
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{

    if (argc != 3)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " server-ip server-port" << std::endl;
        exit(0);
    }
    // 根据传入的参数获取服务端的IP和端口号
    std::string ip = argv[1];
    int port = std::stoi(argv[2]);
    int sockfd = InitClient();

    // 客户端使用两个线程分别执行发送和接收
    func_t sendfunc = std::bind(SenderMessage, sockfd, ip, port, std::placeholders::_1);
    func_t recvfunc = std::bind(RecverMessage, sockfd, std::placeholders::_1);
    Thread Sender("Sender-Thread", sendfunc);
    Thread Recver("Sender-Thread", recvfunc);

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

    Sender.Join();
    Recver.Join();

    ::close(sockfd);

    return 0;
}

客户端的代码逻辑就实现了，接下来就可以进行运行测试了，让我们看看多人聊天室是否可以运行起来

3.4 运行测试

接下来我们创建两个终端来测试是否可以做到多人聊天！
首先我们先解决一个问题：我们现在的输入和输出是在一个终端下，这样会显的比较混乱。

所以这里通过管道文件来进行解决，我们即将客户端接收的信息写入到管道中，这样就可以将输入栏和对话框分离，观感更好！！！
来看效果：

多人聊天系统这样就完成了！！！
欧耶欧耶欧耶~~~

4 总结

通过两篇文章我们熟悉了UDP协议下的的通信过程，认识了主机信息结构体，使用这个结构体可以通过sendto和recvfrom进行不同主机的通信！！！

实现了基础的通信之后，我们加入了业务逻辑。毕竟通信的根本目的是进行数据的处理。服务器将数据处理完再传回对应的数据，这样完整的通信过程就完成了！！！