引言
在前一篇文章中，我们详细介绍了UDP协议和TCP协议的特点以及它们之间的异同点。本文将延续上文内容，重点讨论简单的UDP网络程序模拟实现。通过本文的学习，读者将能够深入了解UDP协议的实际应用，并掌握如何编写简单的UDP网络程序。让我们一起深入探讨UDP网络程序的实现细节，为网络编程的学习之旅添上一份精彩的实践经验。
一、UDP协议
UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的、轻量级的网络传输协议，它提供了快速、简单的数据传输服务。下面是一个简单的UDP程序实现示例，包括一个UDP服务器和一个UDP客户端。详介绍可以看上一篇文章：UDP协议介绍 | TCP协议介绍 | UDP 和 TCP 的异同
二、UDP网络程序模拟实现
1. 预备代码
⭕makefile文件
.PHONY:all all:udpserver udpclient udpserver:Main.cc g++ -o $@ $^ -std=c++11 udpclient:UdpClient.cc g++ -o $@ $^ -lpthread -std=c++11 .PHONY:clean clean: rm -f udpserver udpclient
这段代码是一个简单的 Makefile 文件，用于编译 UDP 服务器（udpserver）和 UDP 客户端（udpclient）的程序。在这个 Makefile 中定义了两个规则：
- all：表示默认的目标，依赖于 udpserver 和 udpclient 目标，即执行 make 命令时会编译 udpserver 和 udpclient。
- clean：用于清理生成的可执行文件 udpserver 和 udpclient。
在 Makefile 中使用了一些特殊的关键字和变量：
- .PHONY：声明 all 和 clean 是伪目标，不是真正的文件名。
- $@：表示目标文件名。
- $^：表示所有依赖文件列表。
- -std=c++11：指定 C++ 的编译标准为 C++11。
- -lpthread：链接 pthread 库，用于多线程支持。
⭕打印日志文件
#pragma once #include <iostream> #include <time.h> #include <stdarg.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #define SIZE 1024 #define Info 0 #define Debug 1 #define Warning 2 #define Error 3 #define Fatal 4 #define Screen 1 #define Onefile 2 #define Classfile 3 #define LogFile "log.txt" class Log { public: Log() { printMethod = Screen; // 默认输出方式为屏幕打印 path = "./log/"; // 默认日志文件存放路径 } void Enable(int method) { printMethod = method; // 设置日志输出方式（屏幕、单个文件、分类文件） } std::string levelToString(int level) { switch (level) { case Info: return "Info"; case Debug: return "Debug"; case Warning: return "Warning"; case Error: return "Error"; case Fatal: return "Fatal"; default: return "None"; } } void printLog(int level, const std::string &logtxt) { switch (printMethod) { case Screen: std::cout << logtxt << std::endl; // 屏幕打印日志信息 break; case Onefile: printOneFile(LogFile, logtxt); // 将日志信息追加写入单个文件 break; case Classfile: printClassFile(level, logtxt); // 将日志信息追加写入分类文件 break; default: break; } } void printOneFile(const std::string &logname, const std::string &logtxt) { std::string _logname = path + logname; // 构建日志文件的完整路径 int fd = open(_logname.c_str(), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 打开文件，如果文件不存在则创建 if (fd < 0) return; write(fd, logtxt.c_str(), logtxt.size()); // 将日志信息写入文件 close(fd); } void printClassFile(int level, const std::string &logtxt) { std::string filename = LogFile; filename += "."; filename += levelToString(level); // 构建分类文件名，例如"log.txt.Debug/Warning/Fatal" printOneFile(filename, logtxt); // 将日志信息追加写入分类文件 } ~Log() { } void operator()(int level, const char *format, ...) { time_t t = time(nullptr); struct tm *ctime = localtime(&t); char leftbuffer[SIZE]; snprintf(leftbuffer, sizeof(leftbuffer), "[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]", levelToString(level).c_str(), ctime->tm_year + 1900, ctime->tm_mon + 1, ctime->tm_mday, ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec); va_list s; va_start(s, format); char rightbuffer[SIZE]; vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), format, s); va_end(s); // 格式：默认部分+自定义部分 char logtxt[SIZE * 2]; snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "%s %s", leftbuffer, rightbuffer); printLog(level, logtxt); // 打印日志信息 } private: int printMethod; // 日志输出方式 std::string path; // 日志文件存放路径 };
该代码实现了一个简单的日志记录类(Log)，其中包括设置日志输出方式（屏幕、单个文件、分类文件）和打印日志信息的功能。
Log类是一个用于记录日志的类。Enable函数用于设置日志输出方式，可以选择屏幕打印、单个文件或分类文件。printLog函数根据设置的日志输出方式，将日志信息打印到屏幕、追加写入单个文件或分类文件。printOneFile函数用于将日志信息追加写入单个文件。printClassFile函数用于将日志信息追加写入分类文件。levelToString函数将日志级别转换为对应的字符串表示。operator()函数是重载的函数调用运算符，用于打印日志信息。path是日志文件存放路径，默认为"./log/"。printMethod是日志输出方式，默认为屏幕打印。SIZE定义了缓冲区大小。Info、Debug、Warning、Error、Fatal是日志级别的定义。Screen、Onefile、Classfile是日志输出方式的定义。LogFile是单个文件名的定义。
⭕打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符
#include <iostream> #include <string> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> // 定义要打开的终端设备文件路径 std::string terminal = "/dev/pts/6"; // 打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符 int OpenTerminal() { // 使用open函数以只写方式打开终端设备文件 int fd = open(terminal.c_str(), O_WRONLY); if(fd < 0) { // 如果打开终端设备文件失败，则输出错误信息到标准错误输出 std::cerr << "open terminal error" << std::endl; return 1; // 返回错误代码 } // 将终端设备文件的文件描述符复制给标准错误输出的文件描述符 // 这样标准错误输出就会重定向到指定的终端设备上 dup2(fd, 2); // 如果需要在此处输出信息到标准错误输出，可以使用printf等函数 // 关闭文件描述符 // close(fd); return 0; // 返回成功代码 }
这段代码的作用是打开一个终端设备文件 “/dev/pts/6”，将其作为标准错误输出（stderr）的目标文件描述符，实现将错误信息输出到指定的终端设备上。
terminal变量存储了要打开的终端设备文件路径 “/dev/pts/6”。OpenTerminal函数尝试打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符。- 首先使用
open函数打开终端设备文件，以只写方式（O_WRONLY）。 - 如果成功打开终端设备文件，则将其文件描述符复制给标准错误输出的文件描述符（2），即
dup2(fd, 2)，这样标准错误输出就会重定向到该终端设备上。
- 如果打开终端设备文件失败，则输出错误信息到标准错误输出，并返回错误代码 1。
- 最后函数返回0表示成功。
2. UDP 服务器端实现（UdpServer.hpp）
#pragma once #include <iostream> #include <string> #include <strings.h> #include <cstring> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <functional> #include <unordered_map> #include "Log.hpp" // 使用Log类记录日志信息 Log lg; enum { SOCKET_ERR = 1, BIND_ERR }; uint16_t defaultport = 8080; std::string defaultip = "0.0.0.0"; const int size = 1024; class UdpServer { public: UdpServer(const uint16_t& port = defaultport, const std::string& ip = defaultip) : sockfd_(0), port_(port), ip_(ip), isrunning_(false) {} void Init() { // 1. 创建UDP socket sockfd_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // PF_INET if (sockfd_ < 0) { lg(Fatal, "socket create error, sockfd: %d", sockfd_); exit(SOCKET_ERR); } lg(Info, "socket create success, sockfd: %d", sockfd_); // 2. 绑定socket struct sockaddr_in local; bzero(&local, sizeof(local)); local.sin_family = AF_INET; local.sin_port = htons(port_); // 端口号需要转换为网络字节序 local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str()); // 将IP地址转换为网络字节序 if (bind(sockfd_, (const struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0) { lg(Fatal, "bind error, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno)); exit(BIND_ERR); } lg(Info, "bind success, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno)); } void CheckUser(const struct sockaddr_in& client, const std::string clientip, uint16_t clientport) { // 检查用户是否已经存在在线用户列表中 auto iter = online_user_.find(clientip); if (iter == online_user_.end()) { online_user_.insert({clientip, client}); std::cout << "[" << clientip << ":" << clientport << "] add to online user." << std::endl; } } void Broadcast(const std::string& info, const std::string clientip, uint16_t clientport) { // 广播消息给所有在线用户 for (const auto& user : online_user_) { std::string message = "["; message += clientip; message += ":"; message += std::to_string(clientport); message += "]# "; message += info; socklen_t len = sizeof(user.second); sendto(sockfd_, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)(&user.second), len); } } void Run() { isrunning_ = true; char inbuffer[size]; while (isrunning_) { struct sockaddr_in client; socklen_t len = sizeof(client); // 接收客户端发送的消息 ssize_t n = recvfrom(sockfd_, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&client, &len); if (n < 0) { lg(Warning, "recvfrom error, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno)); continue; } // 获取客户端的IP地址和端口号 uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port); std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr); // 检查用户是否已经存在在线用户列表中 CheckUser(client, clientip, clientport); std::string info = inbuffer; // 将接收到的消息广播给所有在线用户 Broadcast(info, clientip, clientport); } } ~UdpServer() { if (sockfd_ > 0) close(sockfd_); } private: int sockfd_; // 网络文件描述符 std::string ip_; // 服务器IP地址 uint16_t port_; // 服务器端口号 bool isrunning_; // 服务器运行状态 std::unordered_map<std::string, struct sockaddr_in> online_user_; // 在线用户列表 };
Log.hpp是用于记录日志信息的头文件。lg是一个Log类的对象，用于输出日志信息。enum定义了两个错误类型：SOCKET_ERR和BIND_ERR，分别表示 socket 创建错误和绑定错误。defaultport和defaultip分别设置默认的端口号和 IP 地址。size定义接收缓冲区的大小为 1024 字节。UdpServer类封装了一个 UDP 服务器。- 构造函数
UdpServer接受端口号和 IP 地址作为参数，并初始化成员变量。
Init函数用于初始化 UDP 服务器，其中：
- 创建 UDP socket，并检查创建是否成功。
- 绑定 socket 到指定的 IP 地址和端口号，并检查绑定是否成功。
CheckUser函数用于检查用户是否已经存在在线用户列表中，如果不存在则将其添加到列表中。Broadcast函数用于向所有在线用户广播消息，其中：
- 消息格式为
[发送者IP:发送者端口号]# 消息内容。
- 使用
sendto函数发送消息给每个在线用户。
Run函数是 UDP 服务器的主循环，其中：
- 循环接收客户端发送的消息，并将其广播给所有在线用户。
- 对每个客户端，获取其 IP 地址和端口号，并进行用户检查和消息广播。
~UdpServer析构函数关闭网络文件描述符。sockfd_是网络文件描述符，用于创建和管理网络连接。ip_是服务器的 IP 地址。
port_是服务器的端口号。isrunning_表示服务器的运行状态，用于控制循环退出。online_user_是一个无序映射，用于保存在线用户的 IP 地址和对应的sockaddr_in结构体。
3. UDP 客户端实现（main函数）
#include <iostream> #include <cstdlib> #include <unistd.h> #include <strings.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> #include <pthread.h> #include "Terminal.hpp" using namespace std; // 函数声明：打印程序的使用方法 void Usage(std::string proc); // 结构体：用于传递线程参数 struct ThreadData { struct sockaddr_in server; // 服务器地址结构体 int sockfd; // socket 文件描述符 std::string serverip; // 服务器 IP 地址 }; // 线程函数：接收消息 void *recv_message(void *args); // 线程函数：发送消息 void *send_message(void *args); // 主函数 int main(int argc, char *argv[]) { if (argc != 3) { Usage(argv[0]); // 打印使用方法 exit(0); } // 解析命令行参数 std::string serverip = argv[1]; // 服务器 IP 地址 uint16_t serverport = std::stoi(argv[2]); // 服务器端口号 // 初始化 ThreadData 结构体 struct ThreadData td; bzero(&td.server, sizeof(td.server)); // 清零服务器地址结构体 td.server.sin_family = AF_INET; // 设置地址族为 IPv4 td.server.sin_port = htons(serverport); // 设置端口号（转换为网络字节序） td.server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str()); // 设置服务器 IP 地址（转换为网络字节序） // 创建 UDP socket td.sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); if (td.sockfd < 0) { cout << "socket error" << endl; return 1; } td.serverip = serverip; // 存储服务器 IP 地址 pthread_t recvr, sender; // 定义接收消息和发送消息的线程 pthread_create(&recvr, nullptr, recv_message, &td); // 创建接收消息线程 pthread_create(&sender, nullptr, send_message, &td); // 创建发送消息线程 // 等待接收消息和发送消息的线程退出 pthread_join(recvr, nullptr); pthread_join(sender, nullptr); close(td.sockfd); // 关闭 socket return 0; } // 函数实现：打印程序的使用方法 void Usage(std::string proc) { std::cout << "\n\rUsage: " << proc << " serverip serverport\n" << std::endl; } // 线程函数实现：接收消息 void *recv_message(void *args) { ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args); // 强制类型转换为 ThreadData 结构体指针 char buffer[1024]; // 接收消息的缓冲区 while (true) { memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); // 清空缓冲区 struct sockaddr_in temp; socklen_t len = sizeof(temp); ssize_t s = recvfrom(td->sockfd, buffer, 1023, 0, (struct sockaddr *)&temp, &len); // 接收消息 if (s > 0) { buffer[s] = 0; cerr << buffer << endl; // 输出接收到的消息 } } } // 线程函数实现：发送消息 void *send_message(void *args) { ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args); // 强制类型转换为 ThreadData 结构体指针 string message; // 存储用户输入的消息 socklen_t len = sizeof(td->server); // 服务器地址的长度 // 发送欢迎消息 std::string welcome = td->serverip + " comming..."; sendto(td->sockfd, welcome.c_str(), welcome.size(), 0, (struct sockaddr *)&(td->server), len); while (true) { cout << "Please Enter@ "; getline(cin, message); // 获取用户输入的消息 sendto(td->sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr *)&(td->server), len); // 发送消息给服务器 } }
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