C++利用Socket实现主机间的UDP/TCP通信

时间:2023-02-02 cout丶shy 人气:0

前言

完整代码放到github上了：cppSocketDemo

服务器端的代码做了跨平台（POSIX和WINDOWS），基于POSIX平台（Linux、Mac OS X、PlayStation等）使用sys/socket.h库，windows平台使用winsock2.h库。

客户端代码因为基本都在windows运行，所以没做跨平台，需要的话你可以参考服务器端代码自己做一下。
文中写的函数原型均为windows平台，部分函数的返回类型或参数类型在POSIX会有不同。

头文件

根据_WIN32标志区分,导入头文件。

#include<iostream>
#include<cstring>
#ifdef _WIN32

#include<winsock2.h>

#else

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/types.h>
#include <netdb.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
typedef int SOCKET;

#endif

因为POSIX平台的socket库没有SOCKET类型，所以我们手动定义一下。

UDP Socket

服务器端

对于windows，使用socket前需要手动开启：

#ifdef _WIN32
    WSADATA wsd;
    if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsd)){
        std::cout << "WSAStartup Error" << std::endl;
        exit(-1);
    }   
#endif

WSAStartup第一个参数表示使用版本号。该函数会向第二个参数填入被激活的socket库的信息。

SOCKET函数

SOCKET socket(int af, int type, int protocol);

参数：

af:socket使用协议族，如AF_INET表示IPv4, AF_INET6表示IPv6等。

type:指明通过socket发送和接收分组的形式。如SOCK_STREAM表示有序、可靠的数据流分段；SOCK_DGRAM表示离散的报文；SOCK_RAW表示数据头部可以由应用层自定义。

protocol：指明发送数据使用什么协议。IPPROTO_UDP；IPPROTO_TCP;IPPROTO_IP;0表示根据socket类型选择默认协议。

通过socket函数创建并返回一个udp类型socket对象：

SOCKET udpSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

bind函数

将一个socket绑定到一个地址和端口号，使用bind函数：

int bind(SOCKET sock, const sockaddr *address, int address_len);

参数：

sock: 绑定socket

address：注意是指发送数据包的源地址，而不是发送目的地址

address_len：存储address的sockaddr结构体大小

bind成功时返回0，出现错误时返回-1

给端口号赋值0，将告诉socket库找一个未被使用的端口并绑定

如果一个进程试图使用一个未绑定的socket发送数据，网络库将自动为这个socket绑定一个可用的端口号。

所以对于服务器来说手动调用bind绑定是必须的，而对于客户端来说通常是没有必要的。

服务器端socket需要显式绑定地址和端口，以便客户端访问：

sockaddr_in sain;
sain.sin_family = AF_INET;    //使用IPv4
sain.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
sain.sin_port = htons(atoi("50002"));

if(bind(udpSocket, (sockaddr *)&sain, sizeof(sockaddr)) == -1){
    std::cout << "绑定失败" << std::endl;
}

recvfrom函数

从UDP Socket接收数据

int recvfrom(SOCKET s,char *buf,int len,int flags,struct sockaddr *from,int *fromlen);

参数：

s: 查询数据的socket。默认情况下，

buf：接收的数据包的缓冲区。

len: buf可以存储的最大字节数。到达的数据包的剩余字节将被丢弃。

flags: 同sendto flags。

from: 指向发送者的地址和端口号的指针，该值由recvfrom函数写入（每接收一个数据包写入一次）。不要手动填写。

fromlen: from所指向sockaddr的大小

如果recvfrom成功执行会返回复制到buf的字节数，发生错误返回-1。

服务器通过recvfrom函数接收客户端信息:

const size_t BufMaxSize = 1000;
char buf[BufMaxSize] = {}; 
sockaddr fromAddr;
#ifndef _WIN32
unsigned
#endif
int fromAddrLen = sizeof(sockaddr);
std::cout << "等待接收..." << std::endl;
while(true){
    if(recvfrom(udpSocket, buf, BufMaxSize, 0, &fromAddr, &fromAddrLen) != -1){
        std::cout << "接收到数据：" << buf << std::endl;
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
    }   
    else{
        std::cout << "接收失败或发生错误！" << std::endl;
        return -1; 
    }   
}

最后记得做关闭工作

#ifdef _WIN32
    WSACleanup();
    closesocket(udpSocket);
#else
    close(udpSocket);
#endif

客户端

和服务器一样的先激活:

WSADATA wsd;
if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsd)){
    std::cout << "WSAStartup Error" << std::endl;
    exit(-1);
}

创建socket：

SOCKET udpSocket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

将目标远程主机的IP和端口信息填入sockaddr：

先写一个工具函数:

sockaddr GetSockAddr(uint8_t b1, uint8_t b2, uint8_t b3, uint8_t b4, uint16_t inPort){
    sockaddr addr;
    sockaddr_in *addrin = reinterpret_cast<sockaddr_in*>(&addr);
    addrin->sin_family = AF_INET;
    addrin->sin_addr.S_un.S_un_b.s_b1 = b1;
    addrin->sin_addr.S_un.S_un_b.s_b2 = b2;
    addrin->sin_addr.S_un.S_un_b.s_b3 = b3;
    addrin->sin_addr.S_un.S_un_b.s_b4 = b4;
    addrin->sin_port = htons(inPort);
    
    return addr;
}

sockaddr toAddr = GetSockAddr(127, 0, 0, 1, 50002);

sendTo函数

从UDP Socket发送数据

int sendto(SOCKET s,const char *buf,int len,int flags,const struct sockaddr *to,int tolen);

参数：

s: 数据包应该使用的socket，如果没有绑定，socket库将自动绑定一个可用的端口。

buf: 待发送数据的起始地址的指针。可以是任何能够被转为char*的数据类型。

len: 待发送数据的大小。尽量避免发送数据大于1300字节的数据包，详见p75。

flags: 对控制发送的标志进行按位或运算的结果，该值通常取0即可。

to: 目标接收者的sockaddr。注意to的地址族必须和用于创建socket的地址族一致。

tolen:to的sockaddr的大小。对于IPv4,传入sizeof(sockaddr_in)即可。

sendto操作成功返回等待发送的数据长度（说明成功进入发送队列），否则返回-1。

通过senTo函数发送数据：

const size_t BufMaxSize = 1000;
char buf[BufMaxSize] = {};
sockaddr toAddr = GetSockAddr(127, 0, 0, 1, 50002); 
int toAddrLen = sizeof(sockaddr);
std::cout << ">>> ";
while(true){
    if(std::cin >> buf){
        sendto(udpSocket, buf, strlen(buf), 0, &toAddr, toAddrLen);
        std::cout << "已发送!" <<std::endl;
        std::cout << ">>> ";
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
    }
}

注意，这样发送给linux服务器带中文的字符串的话，可能出现乱码，因为linux通常为UTF-8编码，而windows通常为gb2312编码，所以我们可以在客户端实现两个编码转换函数，并在恰当时机转换：

//UTF-8转GB2312
char* U2G(const char* utf8){
    int len = MultiByteToWideChar(CP_UTF8, 0, utf8, -1, NULL, 0);
    wchar_t* wstr = new wchar_t[len+1];
    memset(wstr, 0, len+1);
    MultiByteToWideChar(CP_UTF8, 0, utf8, -1, wstr, len);
    len = WideCharToMultiByte(CP_ACP, 0, wstr, -1, NULL, 0, NULL, NULL);
    char* str = new char[len+1];
    memset(str, 0, len+1);
    WideCharToMultiByte(CP_ACP, 0, wstr, -1, str, len, NULL, NULL);
    if(wstr) delete[] wstr;
    return str;
}
//GB2312转UTF-8
char* G2U(const char* gb2312){
    int len = MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, gb2312, -1, NULL, 0);
    wchar_t* wstr = new wchar_t[len+1];
    memset(wstr, 0, len+1);
    MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, gb2312, -1, wstr, len);
    len = WideCharToMultiByte(CP_UTF8, 0, wstr, -1, NULL, 0, NULL, NULL);
    char* str = new char[len+1];
    memset(str, 0, len+1);
    WideCharToMultiByte(CP_UTF8, 0, wstr, -1, str, len, NULL, NULL);
    if(wstr) delete[] wstr;
    return str;
}

发送改为:

char *buf_UTF8 = G2U(buf);
sendto(udpSocket, buf_UTF8, strlen(buf_UTF8), 0, &toAddr, toAddrLen);

最后同样的关闭操作:

closesocket(udpSocket);
WSACleanup();

测试

注意，如果把服务器代码放到windows下执行，记得把客户端的转编码代码改下。

注意，编译使用C++11以上编译，链接时加入库:

-lwsock32

将udpServer.cpp放到服务器上,服务器防火墙记得放行目标端口或暂时关闭防火墙。

udpClient.cpp在本地（windows）。

udpClient中的目标远程主机地址改为服务器ip地址,编译运行：

服务器:

客户端：

TCP Socket（单客户端连接）

服务器

同样先激活winsock：

#ifdef _WIN32
    WSADATA wsd;
    if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsd)){
        std::cout << "WSAStartup Error" << std::endl;
        return -1;
    }
#endif

创建tcp类型socket：

SOCKET tcpsocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

绑定本机地址和指定端口号:

sockaddr_in sain;
sain.sin_family = AF_INET;
sain.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
sain.sin_port = htons(atoi("50002"));
if(bind(tcpsocket, (sockaddr*)&sain, sizeof(sockaddr)) == -1){
    std::cout << "bind Error" <<  std::endl;
    return -1;
}

listen函数

用listen函数启动监听，等待客户端的连接：

int listen(SOCKET sock, int backlog);

backlog指队列允许传入的最大连接数，超过最大值的连接都将被丢弃。可以使用SOMAXCONN表示默认的backlog值。

函数执行成功返回0，失败返回-1。

使用listen函数开启监听：

listen(tcpsocket, 10);

主机针对每个保持的TCP连接，都需要一个独立的socket存储连接状态。

这里先做只能连接单个客户端，创建连接客户端的socket：

sockaddr clientAddr;        //
    
#ifndef _WIN32
    unsigned
#endif
    int clientAddrLen = sizeof(sockaddr);

accept函数

接受传入的连接并继续TCP握手过程，调用accept函数：

SOCKET accept(SOCKET sock, sockaddr* addr, int* addrlen);

参数:

sock: 接收传入连接的监听socket

addr: 将被写入请求连接的远程主机地址。同样不要手动填写

addrlen: 指向addr缓冲区大小的指针。当真正写入地址之后，accept会更新该值。

如果accept执行成功，将创建并返回一个可以与远程主机通信的新socket。

接受传入的连接并继续TCP握手过程：

SOCKET linkSocket = accept(tcpsocket, &clientAddr, &clientAddrLen);

recv函数

调用recv函数从一个连接的TCP socket接收数据：

int recv(SOCKET s,char *buf,int len,int flags);

参数：

s: 待接收数据的socket

buf: 数据接收缓冲区。

len: 拷贝到buf中的数据的最大数量。

flags: 标志位，大多数情况填0。

调用成功返回接收的数据大小。如果返回0，说明连接的另一端发送了一个FIN数据包，承诺没有更多需要发送的数据。

如果发生错误，返回-1

默认情况下，如果socket的接收缓冲区中没有数据，recv函数将阻塞调用线程，直到数据流中的下一组数据到达或超时。

send函数

通过连接的socket使用send函数发送数据：

因为连接的socket存储了远程主机地址信息，所以不需要传入地址参数：

int send(SOCKET s,const char *buf,int len,int flags);

参数：

s: 用于发送数据的socket

buf: 写入缓冲区。注意：和UDP不同，是将数据放到socket的输出缓冲区中，由socket库来决定在将来某一时刻发出。

len: 传输的字节数量。注意：与UDP不同，不需要保持这个值低于链路层的MTU。

flags:标志位，大多数情况下填0即可。

send调用成功返回发送数据的大小，如果发送错误返回-1.

默认情况下该函数会阻塞线程，直到调用超时或发送了足够的数据。

非0的返回值不代表成功发送出去了，只说明数据被存入队列中等待发送。

使用recv函数和send函数接收和响应客户端信息:

const size_t BufMaxLen = 1000;
char buf[BufMaxLen] = {};
char sendBuf[BufMaxLen] = "服务器成功接收!";
while(true){
    int ret = recv(linkSocket, buf, BufMaxLen, 0);
    if(ret > 0){
        std::cout << "从客户端接收到数据:" << buf << std::endl;
        memset(buf, 0, BufMaxLen);
        send(linkSocket, sendBuf, strlen(sendBuf), 0);
    }
    else if(ret == 0){
        std::cout << "客户端停止发送数据，准备关闭连接..." << std::endl;
        break;
    }
    else{
        std::cout << "recv发生错误！" << std::endl;
    }
}

最后关闭:

#ifdef _WIN32
    closesocket(tcpsocket);
    closesocket(linkSocket);
    WSACleanup();
#else
    close(tcpsocket);
    close(linkSocket);
#endif
    std::cout << "已关闭服务器Socket..." << std::endl;

客户端

客户端没有新函数，直接看代码吧！

TCPSocketClient.cpp:

#include<iostream>
#include<winsock2.h>
#include<windows.h>
#include<memory>
#include<cstring>

using namespace std;

//UTF-8转GB2312
char* U2G(const char* utf8){
	int len = MultiByteToWideChar(CP_UTF8, 0, utf8, -1, NULL, 0);
	wchar_t* wstr = new wchar_t[len+1];
	memset(wstr, 0, len+1);
	MultiByteToWideChar(CP_UTF8, 0, utf8, -1, wstr, len);
	len = WideCharToMultiByte(CP_ACP, 0, wstr, -1, NULL, 0, NULL, NULL);
	char* str = new char[len+1];
	memset(str, 0, len+1);
	WideCharToMultiByte(CP_ACP, 0, wstr, -1, str, len, NULL, NULL);
	if(wstr) delete[] wstr;
	return str;
}
//GB2312转UTF-8
char* G2U(const char* gb2312){
	int len = MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, gb2312, -1, NULL, 0);
	wchar_t* wstr = new wchar_t[len+1];
	memset(wstr, 0, len+1);
	MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, gb2312, -1, wstr, len);
	len = WideCharToMultiByte(CP_UTF8, 0, wstr, -1, NULL, 0, NULL, NULL);
	char* str = new char[len+1];
	memset(str, 0, len+1);
	WideCharToMultiByte(CP_UTF8, 0, wstr, -1, str, len, NULL, NULL);
	if(wstr) delete[] wstr;
	return str;
}

sockaddr GetSockAddr(uint8_t b1, uint8_t b2, uint8_t b3, uint8_t b4, uint16_t inPort){
	sockaddr addr;
	sockaddr_in *addrin = reinterpret_cast<sockaddr_in*>(&addr);
	addrin->sin_family = AF_INET;
	addrin->sin_addr.S_un.S_un_b.s_b1 = b1;
	addrin->sin_addr.S_un.S_un_b.s_b2 = b2;
	addrin->sin_addr.S_un.S_un_b.s_b3 = b3;
	addrin->sin_addr.S_un.S_un_b.s_b4 = b4;
	addrin->sin_port = htons(inPort);
	
	return addr;
}


int main(){
	WSADATA wsd;
	if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsd)){
		std::cout << "WSAStartup Error" << std::endl;
		return -1;
	}
	SOCKET tcpSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
	sockaddr serverAddr = GetSockAddr(127, 0, 0, 1, 50002);   
	int serverAddrLen = sizeof(sockaddr);
	if(connect(tcpSocket, &serverAddr, serverAddrLen) == -1){
		std::cout << "connect Error!" << std::endl;
		return -1;
	}
	std::cout << "已成功连接到服务器" << std::endl;
	//客户端的socket就是用于连接的socket
	const int BufMaxLen = 1000;
	char sendBuf[BufMaxLen] = {};
	char buf[BufMaxLen] = {};
	std::cout << ">>> ";
	while(true){
		if(std::cin >> sendBuf){
			if(strcmp(sendBuf, "exit") == 0){
				std::cout << "正在关闭连接..." << std::endl;
				break;
			}
			char *sendBuf_UTF8 = G2U(sendBuf);
			send(tcpSocket, sendBuf_UTF8, strlen(sendBuf_UTF8), 0);
			memset(sendBuf, 0, BufMaxLen);
			int ret = recv(tcpSocket, buf, BufMaxLen, 0);
			if(ret > 0){
				std::cout << "从服务器接收到回应：" << U2G(buf) << std::endl;
				memset(buf, 0, BufMaxLen);
			}
			std::cout << ">>> ";
		}
	}
	
	
	shutdown(tcpSocket, SB_BOTH);
	closesocket(tcpSocket);
	WSACleanup();
	std::cout << "已关闭客户端Socket..." << std::endl;
	
	return 0;
}

测试

注意，如果把服务器代码放到windows下执行，记得把客户端的转编码代码改下。

测试方式同上面UDP。

客户端：

服务器:

TCP Socket（多客户端连接）

服务端

使用多线程，每响应一个客户端连接为它创建一个线程。

多线程头文件：

#include<thread>

将之前的响应代码搬到函数中作为线程入口：

void linkClientThread(SOCKET linkSocket, unsigned int linkId){
    printf("客户端(id:%d) 已连接！\n", linkId);
    const size_t BufMaxLen = 1000;
    char buf[BufMaxLen] = {};
    char sendBuf[BufMaxLen] = "服务器成功接收!";
    while(true){
        int ret = recv(linkSocket, buf, BufMaxLen, 0);
        if(ret > 0){
            printf("从客户端(id:%d)接收到数据:%s\n", linkId, buf);
            memset(buf, 0, BufMaxLen);
            send(linkSocket, sendBuf, strlen(sendBuf), 0);
        }
        else if(ret == 0){
            printf("客户端(id:%d)停止发送数据，关闭连接...\n", linkId);
            break;
        }
        else{
            printf("recv发生错误！\n");
            break;
        }
    }
    
#ifdef _WIN32
    closesocket(linkSocket);
#else
    close(linkSocket);
#endif
    
}

当接收到连接请求，为它单独创建一个线程服务：

while(true){
    SOCKET linkSocket = accept(tcpsocket, &clientAddr, &clientAddrLen);
    std::thread linkThread(linkClientThread, linkSocket, ++linkId);
    linkThread.detach();
}

客户端

客户端直接继续使用之前的tcpClient.cpp即可，没有区别。

测试

同样的注意，如果把服务器代码放到windows下执行，记得把客户端的转编码代码改下。

服务器还是使用linux系统的，所有客户端在本地的windows执行：
注意：server代码在linux编译时要加入-lpthread.h选项:

g++ -g tcpServer_multiConnection.cpp -o tcpServer_multiConnection -std=c++11 -lpthread

客户端1:

客户端2：

服务器:

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