引言

本文是圍繞Linux udp api 構建一個簡易的多人聊天室.重點看思路,幫助我們加深

對udp開發中一些api瞭解.相對而言udp socket開發相比tcp socket開發注意的細節要少很多.

但是水也很深. 本文就當是一個demo整合幫助開發者回顧和繼續瞭解 linux udp開發的基本流程.

首先我們來看看 linux udp 和 tcp的異同.

/*
這裡簡單比較一下TCP和UDP在程式設計實現上的一些區別：

TCP流程
     建立一個TCP連線需要三次握手，而斷開一個TCP則需要四個分節。當某個應用程序呼叫close(主動端)後(可以是伺服器端，也可以是客戶 
端)，這一端的TCP傳送一個FIN，表示資料傳送完畢；另一端(被動端)傳送一個確認，當被動端待處理的應用程序都處理完畢後，傳送一個FIN到主動 
端，並關閉套介面，主動端接收到這個FIN後再發送一個確認，到此為止這個TCP連線被斷開。 

UDP套介面 
　　UDP套介面是無連線的、不可靠的資料報協議；既然他不可靠為什麼還要用呢？
　　其一：當應用程式使用廣播或多播是隻能使用UDP協議；
　　其二：由於它是無連線的，所以速度快。因為UDP套介面是無連線的，如果一方的資料報丟失，那另一方將無限等待，解決辦法是設定一個超時。 
　　　　　在編寫UDP套介面程式時，有幾點要注意：建立套介面時socket函式的第二個引數應該是SOCK_DGRAM，說明是建立一個UDP套介面；
  　　由於UDP是無連線的，所以伺服器端並不需要listen或accept函式；
  　　當UDP套介面呼叫connect函式時，核心只記錄連線放的IP地址 和埠，並立即返回給呼叫程序.
 
*/

 參照

    linux udp api簡介   http://blog.csdn.net/wocjj/article/details/8315559

tcp 和udp區別    http://www.cnblogs.com/Jessy/p/3536163.html

這裡簡單引述一下 udp相比tcp 用到的兩個api .  recvfrom()/sendto() 具體細節如下

#include <sys/types.h>  
#include <sys/socket.h> 

/*
 * 這兩個函式基本等同於 一個 send 和 recv . 詳細引數解釋如下
 * s        : 檔案描述符,等同於 socket返回的值
 * buf        : 資料其實地址
 * len        : 傳送資料長度或接受資料緩衝區最大長度
 * flags    : 傳送標識,預設就用O.帶外資料使用 MSG_OOB, 偷窺用MSG_PEEK .....
 * addr     : 傳送的網路地址或接收的網路地址
 * alen     : sento標識地址長度做輸入引數, recvfrom表示輸入和輸出引數.可以為NULL此時addr也要為NULL
 *        : 返回0表示執行成功,否則返回<0 . 更多細節查詢man手冊
 
 
*/
extern int sendto (int s, const void *buf, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr *addr, int alen);  
extern int recvfrom(int s, void *buf, int len, unsigned int flags, struct sockaddr *addr, int *alen); 

上面就是兩個函式的大致用法. 具體可以檢視linux api幫助手冊. 最好就用 man sendto / man recvfrom 把那一系列函式都看看.

現在很多文章都是轉載,但是找不見轉載的地址, 下面會舉一個簡易的UDP回顯伺服器的demo加深理解.

前言

  首先看設計圖

有點low. 簡單看看吧. 那我們先看 客戶端程式碼  udpclt.c 程式碼

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/socket.h>

// 測試埠和網路地址
#define _INT_PORT (8088)
#define _INT_BUF 1024

// udp 伺服器主函式
int main(int argc, char* argv[]) {
    int sd, len;
    struct sockaddr_in addr = { AF_INET };
    socklen_t alen = sizeof addr;
    char msg[_INT_BUF];    
    
    //建立伺服器socket 地址,客戶端給它傳送資訊
    if((sd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("main socket ");
        exit(sd);
    }
    // 這裡簡單輸出連線資訊
    printf("udp server start [%d][0.0.0.0][%d] -------> \n", sd, _INT_PORT);    

    //拼接對方地址
    addr.sin_port = htons(_INT_PORT);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    if(bind(sd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof addr) < 0){
        perror("main bind ");
        exit(-1);
    }
    
    // 迴圈處理訊息讀取傳送到客戶端
    while((len = recvfrom(sd, msg, sizeof msg - 1, 0, (struct sockaddr*)&addr, &alen))>0){
        msg[len] = '\0';
        printf("read [%s:%d] mag-->%s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr), ntohs(addr.sin_port),  msg);
        //這裡傳送資訊過去, 也可以事先connect這裡就不綁定了
        sendto(sd, msg, len, 0, (struct sockaddr*)&addr, alen);
    }    

    close(sd);
    puts("udp server end ------------------------------<");

    return 0;
}

編譯是

gcc -g -Wall -o udpclt.out udpclt.c

udp 伺服器 udpsrv.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/socket.h>

// 測試埠和網路地址
#define _INT_PORT (8088)
#define _INT_BUF 1024

// udp 伺服器主函式
int main(int argc, char* argv[]) {
    int sd, len;
    struct sockaddr_in addr = { AF_INET };
    socklen_t alen = sizeof addr;
    char msg[_INT_BUF];    
    
    //建立伺服器socket 地址,客戶端給它傳送資訊
    if((sd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
        perror("main socket ");
        exit(sd);
    }
    // 這裡簡單輸出連線資訊
    printf("udp server start [%d][0.0.0.0][%d] -------> \n", sd, _INT_PORT);    

    //拼接對方地址
    addr.sin_port = htons(_INT_PORT);
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    if(bind(sd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof addr) < 0){
        perror("main bind ");
        exit(-1);
    }
    
    // 迴圈處理訊息讀取傳送到客戶端
    while((len = recvfrom(sd, msg, sizeof msg - 1, 0, (struct sockaddr*)&addr, &alen))>0){
        msg[len] = '\0';
        printf("read [%s:%d] mag-->%s\n",inet_ntoa(addr.sin_addr), ntohs(addr.sin_port),  msg);
        //這裡傳送資訊過去, 也可以事先connect這裡就不綁定了
        sendto(sd, msg, len, 0, (struct sockaddr*)&addr, alen);
    }    

    close(sd);
    puts("udp server end ------------------------------<");

    return 0;
}

編譯是

gcc -g -Wall -o udpsrv.out udpsrv.c

後面執行結果如下 udp伺服器如下 (Ctrl + C 退出)

udp 客戶端如下 (Ctrl + D 結束輸入)

到這裡將上面程式碼 敲一遍基本上udp 一套api就會使用了. 後面進入正題設計聊天室程式碼.

正文

首先看客戶端設計程式碼. 主要思路是子程序處理資料的輸出, 父程序處理伺服器資料的接收. 具體設計如下(畫的圖有點low就不畫了.../(ㄒoㄒ)/~~)

udpmulclt.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

// 名字長度包含'\0'
#define _INT_NAME (64)
// 報文最大長度,包含'\0'
#define _INT_TEXT (512)

//4.0 控制檯列印錯誤資訊, fmt必須是雙引號括起來的巨集
#define CERR(fmt, ...) \
    fprintf(stderr,"[%s:%s:%d][error %d:%s]" fmt "\r\n",\
         __FILE__, __func__, __LINE__, errno, strerror(errno),##__VA_ARGS__)

//4.1 控制檯列印錯誤資訊並退出, t同樣fmt必須是 ""括起來的字串常量
#define CERR_EXIT(fmt,...) \
    CERR(fmt,##__VA_ARGS__),exit(EXIT_FAILURE)
/*
 * 簡單的Linux上API錯誤判斷檢測巨集, 好用值得使用
 */
#define IF_CHECK(code) \
    if((code) < 0) \
        CERR_EXIT(#code)

// 傳送和接收的資訊體
struct umsg{
    char type;                //協議 '1' => 向伺服器傳送名字, '2' => 向伺服器傳送資訊, '3' => 向伺服器傳送退出資訊
    char name[_INT_NAME];    //儲存使用者名稱字
    char text[_INT_TEXT];    //得到文字資訊,空間換時間
};

/*
 * udp聊天室的客戶端, 子程序傳送資訊,父程序接受資訊
 */
int main(int argc, char* argv[]) {
    int sd, rt;
    struct sockaddr_in addr = { AF_INET };
    socklen_t alen = sizeof addr;
    pid_t pid;
    struct umsg msg = { '1' };    

    // 這裡簡單檢測
    if(argc != 4) {
        fprintf(stderr, "uage : %s [ip] [port] [name]\n", argv[0]);
        exit(-1);
    }    
    // 下面對接資料
    if((rt = atoi(argv[2]))<1024 || rt > 65535)
        CERR("atoi port = %s is error!", argv[2]);
    // 接著判斷ip資料
    IF_CHECK(inet_aton(argv[1], &addr.sin_addr));
    addr.sin_port = htons(rt);
    // 這裡拼接使用者名稱字
    strncpy(msg.name, argv[3], _INT_NAME - 1);
    
    //建立socket 連線
    IF_CHECK(sd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0));
    // 這裡就是傳送登入資訊給udp聊天伺服器了
    IF_CHECK(sendto(sd, &msg, sizeof msg, 0, (struct sockaddr*)&addr, alen));    
    
    //開啟一個程序, 子程序處理髮送資訊, 父程序接收資訊
    IF_CHECK(pid = fork());
    if(pid == 0) { //子程序,先忽略退出處理防止成為殭屍程序
        signal(SIGCHLD, SIG_IGN);                
        while(fgets(msg.text, _INT_TEXT, stdin)){
            if(strcasecmp(msg.text, "quit\n") == 0){ //表示退出
                msg.type = '3';
                // 傳送資料並檢測
                IF_CHECK(sendto(sd, &msg, sizeof msg, 0, (struct sockaddr*)&addr, alen));
                break;
            }
            // 洗嘜按傳送普通訊息
            msg.type = '2';
            IF_CHECK(sendto(sd, &msg, sizeof msg, 0, (struct sockaddr*)&addr, alen));
        }
        // 處理結算操作,並殺死父程序
        close(sd);
        kill(getppid(), SIGKILL);
        exit(0);
    }
    // 這裡是父程序處理資料的讀取
    for(;;){
        bzero(&msg, sizeof msg);
        IF_CHECK(recvfrom(sd, &msg, sizeof msg, 0, (struct sockaddr*)&addr, &alen));
        msg.name[_INT_NAME-1] = msg.text[_INT_TEXT-1] = '\0';
        switch(msg.type){
        case '1':printf("%s 登入了聊天室!\n", msg.name);break;
        case '2':printf("%s 說了: %s\n", msg.name, msg.text);break;
        case '3':printf("%s 退出了聊天室!\n", msg.name);break;
        default://未識別的異常報文,程式直接退出
            fprintf(stderr, "msg is error! [%s:%d] => [%c:%s:%s]\n", inet_ntoa(addr.sin_addr),
                    ntohs(addr.sin_port), msg.type, msg.name, msg.text);
            goto __exit;
        }
    }    

__exit:    
    // 殺死並等待子程序退出
    close(sd);
    kill(pid, SIGKILL);
    waitpid(pid, NULL, -1);    

    return 0;
}

這裡主要需要注意的是

// 傳送和接收的資訊體
struct umsg{
    char type;                //協議 '1' => 向伺服器傳送名字, '2' => 向伺服器傳送資訊, '3' => 向伺服器傳送退出資訊
    char name[_INT_NAME];    //儲存使用者名稱字
    char text[_INT_TEXT];    //得到文字資訊,空間換時間
};

傳輸和接收的資料格式, type表示協議或行為. 我這裡細心了處理 name, text最後一個字元必須是 '\0'. 其它都是業務程式碼.再扯一點

struct sockaddr_in addr = { AF_INET };

等價於

struct sockaddr_in addr;
memset(&addr, 0, sizeof addr);
addr.sin_family = AF_INET;

也是一個C開發中技巧吧. 再扯一點linux上提供 bzero函式, 但是window上沒有. 寫了個通用的如下

//7.0 置空操作
#ifndef BZERO
//v必須是個變數
#define BZERO(v) \
    memset(&v,0,sizeof(v))
#endif/* !BZERO */    

可以試試吧畢竟跨平臺....

好了那我們說 udp 聊天室的伺服器設計思路. 就是伺服器會維護一個客戶端連結串列. 有資訊來就廣播. 好簡單吧.就是這樣.正常的事都簡單.

簡單的是美的. 好了看程式碼總設計和實現. udpmulsrv.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

// 名字長度包含'\0'
#define _INT_NAME (64)
// 報文最大長度,包含'\0'
#define _INT_TEXT (512)

//4.0 控制檯列印錯誤資訊, fmt必須是雙引號括起來的巨集
#define CERR(fmt, ...) \
    fprintf(stderr,"[%s:%s:%d][error %d:%s]" fmt "\r\n",\
         __FILE__, __func__, __LINE__, errno, strerror(errno),##__VA_ARGS__)

//4.1 控制檯列印錯誤資訊並退出, t同樣fmt必須是 ""括起來的字串常量
#define CERR_EXIT(fmt,...) \
    CERR(fmt,##__VA_ARGS__),exit(EXIT_FAILURE)
/*
 * 簡單的Linux上API錯誤判斷檢測巨集, 好用值得使用
 */
#define IF_CHECK(code) \
    if((code) < 0) \
        CERR_EXIT(#code)

// 傳送和接收的資訊體
struct umsg{
    char type;                //協議 '1' => 向伺服器傳送名字, '2' => 向伺服器傳送資訊, '3' => 向伺服器傳送退出資訊
    char name[_INT_NAME];    //儲存使用者名稱字
    char text[_INT_TEXT];    //得到文字資訊,空間換時間
};

// 維護一個客戶端連結串列資訊,記錄登入資訊
typedef struct ucnode {
    struct sockaddr_in addr;
    struct ucnode* next;
} *ucnode_t ;


// 新建一個結點物件
static inline ucnode_t _new_ucnode(struct sockaddr_in* pa){
    ucnode_t node = calloc(sizeof(struct ucnode), 1);    
    if(NULL == node)
        CERR_EXIT("calloc sizeof struct ucnode is error. ");
    node->addr = *pa;
    return node;
}

// 插入資料,這裡head預設頭結點是當前伺服器結點
static inline void _insert_ucnode(ucnode_t head, struct sockaddr_in* pa) {
    ucnode_t node = _new_ucnode(pa);
    node->next = head->next;
    head->next = node;    
}

// 這裡是有使用者登入處理
static void _login_ucnode(ucnode_t head, int sd, struct sockaddr_in* pa, struct umsg* msg) {
    _insert_ucnode(head, pa);
    head = head->next;
    // 從此之後才為以前的連結串列
    while(head->next){
        head = head->next;
        IF_CHECK(sendto(sd, msg, sizeof(*msg), 0, (struct sockaddr*)&head->addr, sizeof(struct sockaddr_in)));
    }
}

// 資訊廣播
static void _broadcast_ucnode(ucnode_t head, int sd, struct sockaddr_in* pa, struct umsg* msg) {
    int flag = 0; //1表示已經找到了
    while(head->next) {
        head = head->next;
        if((flag) || !(flag=memcmp(pa, &head->addr, sizeof(struct sockaddr_in))==0)){
            IF_CHECK(sendto(sd, msg, sizeof(*msg), 0, (struct sockaddr*)&head->addr, sizeof(struct sockaddr_in)));
        }
    }
}

// 有人退出群聊
static void _quit_ucnode(ucnode_t head, int sd, struct sockaddr_in* pa, struct umsg* msg) {
    int flag = 0;//1表示已經找到
    while(head->next) {
        if((flag) || !(flag = memcmp(pa, &head->next->addr, sizeof(struct sockaddr_in))==0)){
            IF_CHECK(sendto(sd, msg, sizeof(*msg), 0, (struct sockaddr*)&head->next->addr, sizeof(struct sockaddr_in)));
            head = head->next;
        }        
        else { //刪除這個退出的使用者
            ucnode_t tmp = head->next;
            head->next = tmp->next;
            free(tmp);
        }
    }        
}

// 銷燬維護的物件池,沒有往復雜的考慮了簡單處理退出了
static void _destroy_ucnode(ucnode_t* phead) {
    ucnode_t head;
    if((!phead) || !(head=*phead)) return;    
    while(head){
        ucnode_t tmp = head->next;
        free(head);
        head = tmp;
    }    

    *phead = NULL;
}

/*
 * udp聊天室的伺服器, 子程序廣播資訊,父程序接受資訊
 */
int main(int argc, char* argv[]) {
    int sd, rt;
    struct sockaddr_in addr = { AF_INET };
    socklen_t alen = sizeof addr;
    struct umsg msg;    
    ucnode_t head;

    // 這裡簡單檢測
    if(argc != 3) {
        fprintf(stderr, "uage : %s [ip] [port]\n", argv[0]);
        exit(-1);
    }    
    // 下面對接資料
    if((rt = atoi(argv[2]))<1024 || rt > 65535)
        CERR("atoi port = %s is error!", argv[2]);
    // 接著判斷ip資料
    IF_CHECK(inet_aton(argv[1], &addr.sin_addr));
    addr.sin_port = htons(rt); //埠要採用網路位元組序
    // 建立socket
    IF_CHECK(sd = socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, 0));
    // 這裡bind繫結設定的地址
    IF_CHECK(bind(sd, (struct sockaddr*)&addr, alen));
    
    //開始監聽了
    head = _new_ucnode(&addr);    
    for(;;){
        bzero(&msg, sizeof msg);
        IF_CHECK(recvfrom(sd, &msg, sizeof msg, 0, (struct sockaddr*)&addr, &alen));
        msg.name[_INT_NAME-1] = msg.text[_INT_TEXT-1] = '\0';
        fprintf(stdout, "msg is [%s:%d] => [%c:%s:%s]\n", inet_ntoa(addr.sin_addr),
                    ntohs(addr.sin_port), msg.type, msg.name, msg.text);
        // 開始判斷處理
        switch(msg.type) {
        case '1':_login_ucnode(head, sd, &addr, &msg);break;
        case '2':_broadcast_ucnode(head, sd, &addr, &msg);break;
        case '3':_quit_ucnode(head, sd, &addr, &msg);break;
        default://未識別的異常報文,程式把其踢走
            fprintf(stderr, "msg is error! [%s:%d] => [%c:%s:%s]\n", inet_ntoa(addr.sin_addr),
                    ntohs(addr.sin_port), msg.type, msg.name, msg.text);
            _quit_ucnode(head, sd, &addr, &msg);
            break;
        }        
    }
        
    // 這段程式碼是不會執行到這的, 可以加一些控制讓其走到這. 看人
    close(sd);
    _destroy_ucnode(&head);    
    return 0;
}

這裡主要圍繞的結構就是

// 維護一個客戶端連結串列資訊,記錄登入資訊
typedef struct ucnode {
    struct sockaddr_in addr;
    struct ucnode* next;
} *ucnode_t ;

註冊新增登入廣播退出等.這裡再扯一下. 關於C static開發技巧. C中有一種 *.h 開發模式, 全部採用static 內嵌程式碼段. 這樣

可以省略*.c 檔案. 小巧的封裝可以使用. 繼續扯一點. 開發也寫C++,雖然鄙視. C++ 中有個 *.hpp檔案. 比較好. 它表達的意思

是這個程式碼是開源的. 全部採用充血模型. 類中程式碼都放在類中實現.非常值得提倡. 這也是學boost的時候學到的. 很實在.

好了說程式碼吧. 也比較隨大流. 看看也都明白了. 簡單分析一處吧

// 這裡是有使用者登入處理
static void _login_ucnode(ucnode_t head, int sd, struct sockaddr_in* pa, struct umsg* msg) {
    _insert_ucnode(head, pa);
    head = head->next;
    // 從此之後才為以前的連結串列
    while(head->next){
        head = head->next;
        IF_CHECK(sendto(sd, msg, sizeof(*msg), 0, (struct sockaddr*)&head->addr, sizeof(struct sockaddr_in)));
    }
}

因為我採用的頭查法. 那就除了剛插入的頭的下一個結點都需要傳送登入資訊. 比較精巧.

好看編譯命令

gcc -g -Wall -o udpmulsrv.out udpmulsrv.c
gcc -g -Wall -o udpmulclt.out udpmulclt.c

最後測試截圖如下

很好玩,歡迎嘗試.到這裡基本上udp基礎api 應該都瞭解了.從上面程式碼也許能看出來. 設計比較重要. 設計決定大思路.

下次有機會 要麼分享開源的網路庫,要麼分享資料庫開發.