C++实现即时通信软件

最新推荐文章于 2025-10-17 10:47:08 发布

原创

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1.1 实验内容

本实验使用 C++ 实现一个具备服务器端和客户端的即时通信聊天室。

这个项目会学习C++网络开发的基本概念，同时可以熟悉Linux下的C++程序编译方法及简单的Makefile编写。

1.2 实验知识点

C++语言基本语法
基本的Makefile
C++面向对象程序设计
epoll 网络编程

1.3 实验环境

g++
Xfce 终端

2.1 需求分析

在这个聊天室软件中我们有下面两个程序：

服务器：能够接受新的客户端连接，并将每个客户端发过来的消息发给所有其他的客户端
客户端：能够连接服务器，并向服务器发送消息，同时接收服务器发过来的任何消息

这个需求是最简单的聊天室需求，我们目前只实现了群聊，未来大家可以扩展到单独的两个客户端之间的私聊。为了降低学习的难度，突出重点，我们尽量将代码修改的简单，项目中复杂功能都去掉了，**线程池、多线程编程、超时重传、确认收包等等都不会涉及。**让大家真正了解C/S模型，以及epoll的使用。

2.2 抽象与细化

根据上面的需求分析，设计所需的类。

需求中的角色非常简单，同时功能也很简单，所以我们只需要根据功能角色设计客户端类和服务端类。

其中客户端类我们需要支持下面几个功能：

连接服务器
支持用户输入聊天消息，发送消息给服务器
接收并显示服务器的消息
退出连接

针对上述需求，客户端的实现需要两个进程分别支持下面的功能：

子进程的功能：

等待用户输入聊天信息
将聊天信息写到管道（pipe），并发送给父进程

父进程的功能：

使用epoll机制接受服务端发来的信息，并显示给用户，使用户看到其他用户的聊天信息
将子进程发给的聊天信息从管道（pipe）中读取, 并发送给服务端

服务端类需要支持：

支持多个客户端接入，实现聊天室基本功能
启动服务建立监听端口等待客户端连接
使用epoll机制实现并发，增加效率
客户端连接时发送欢迎消息并存储连接记录
客户端发送消息时广播给其他所有客户端
客户端请求退出时对连接信息进行清理

如果实现这两个类，我们需要先学习一些网络编程的基础知识。

2.3 C/S模型

首先介绍下模型。服务端和客户端采用经典的C/S模型，并且使用TCP连接，模型如下：

2.3-1

解释如下：

服务器端：

socket()创建监听Socket
bind()绑定服务器端口
listen()监听客户端连接
accept()接受连接
recv/send接收及发送数据
close()关闭socket

客户端：

socket()创建监听Socket
connect()连接服务器
recv/send接收及发送数据
close()关闭socket

2.3.1 TCP服务端通信的常规步骤

使用socket()创建TCP套接字（socket）
将创建的套接字绑定到一个本地地址和端口上（Bind）
将套接字设为监听模式，准备接收客户端请求（listen）
等待客户请求到来: 当请求到来后，接受连接请求，返回一个对应于此次连接的新的套接字（accept）
用accept返回的套接字和客户端进行通信（使用write()/send()或send()/recv() )
返回，等待另一个客户请求
关闭套接字

服务端流程示例代码：

//Server.cpp代码（通信模块）：
//服务端地址 ip地址 + 端口号
struct sockaddr_in serverAddr;
serverAddr.sin_family = PF_INET;
serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_HOST);

//服务端创建监听socket
int listener = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(listener < 0) {
   
    perror("listener"); exit(-1);}
printf("listen socket created \n");

//将服务端地址与监听socket绑定
if( bind(listener, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) {
   
   
    perror("bind error");
    exit(-1);
}
//开始监听
int ret = listen(listener, 5);
if(ret < 0) {
   
    perror("listen error"); exit(-1);}
printf("Start to listen: %s\n", SERVER_HOST);

2.3.2 TCP客户端通信的常规步骤

创建套接字（socket）
使用connect()建立到达服务器的连接（connect)
客户端进行通信（使用write()/send()或send()/recv())
使用close()关闭客户连接

客户端流程示例代码：

//Client.cpp代码（通信模块）：
//客户要连接的服务端地址（ ip地址 + 端口号）
struct sockaddr_in serverAddr;
serverAddr.sin_family = PF_INET;
serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

// 创建套接字（socket）
int sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if(sock < 0) {
   
    perror("sock error"); exit(-1); }
//向服务器发出连接请求（connect）
if(connect(sock, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) {
   
   
    perror("connect error");
    exit(-1);
}

客户端如何实现管道之间的通信，以及与服务端之间的通信，在后面会详细介绍。

完成这步后, 我们需要学习下几个比较重要的概念。

2.4 基本技术介绍

2.4.1 阻塞与非阻塞socket

通常的，对一个文件描述符指定的文件或设备, 有两种工作方式: 阻塞与非阻塞方式。

阻塞方式是指：当试图对该文件描述符进行读写时，如果当时没有数据可读，或者暂时不可写，程序就进入等待状态，直到有东西可读或者可写为止。
非阻塞方式是指：如果没有数据可读，或者不可写，读写函数马上返回，而不会等待。

举个例子来说，比如说小明去找一个女神聊天，女神却不在。如果小明舍不得走，只能在女神大门口死等着，当然小明可以休息。当女神来了，她会把你唤醒（囧，因为挡着她门了），这就是阻塞方式。如果小明发现女神不在，立即离开，以后每隔十分钟回来看一下（采用轮询方式），不在的话仍然立即离开，这就是非阻塞方式，在他离开的十分钟内可以干别的事情。

阻塞方式和非阻塞方式唯一的区别：是否立即返回。本项目采用更高效的做法，所以应该将socket设置为非阻塞方式。这样能充分利用服务器资源，效率得到了很大提高。

非阻塞设置方式示例代码：

//将文件描述符设置为非阻塞方式（利用fcntl函数）
fcntl(sockfd, F_SETFL, fcntl(sockfd, F_GETFD, 0)| O_NONBLOCK);

2.4.2 epoll

前面介绍了阻塞和非阻塞方式，现在该介绍下epoll机制了。epoll真的是一个特别重要的概念，互联网公司面试后台开发，或者系统开发等相关职位都会问epoll机制。当服务端的在线人数越来越多，会导致系统资源吃紧，I/O效率越来越慢，这时候就应该考虑epoll了。epoll是Linux内核为处理大批句柄而作改进的poll，是Linux特有的I/O函数。其特点如下：

epoll是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本。其实现和使用方式与select/poll有很多不同，epoll通过一组函数来完成有关任务，而不是一个函数。
epoll之所以高效，是因为**epoll将用户关心的文件描述符放到内核里的一个事件表中，**而不是像select/poll每次调用都需要重复传入文件描述符集或事件集。比如当一个事件发生（比如说读事件），epoll无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入就绪队列的描述符集合就行了。
epoll有两种工作方式，LT(level triggered)：水平触发和ET(edge-triggered)：边沿触发。LT是select/poll使用的触发方式，比较低效；而ET是epoll的高速工作方式（本项目使用epoll的ET方式）。

通俗理解就是，比如说有一堆女孩，有的很漂亮，有的很凤姐。现在你想找漂亮的女孩聊天，LT就是你需要把这一堆女孩全都看一遍，才可以找到其中的漂亮的（就绪事件）；而ET是你的小弟（内核）将N个漂亮的女孩编号告诉你，你直接去看就好，所以epoll很高效。另外，还记得小明找女神聊天的例子吗？采用非阻塞方式，小明还需要每隔十分钟回来看一下（select）；如果小明有小弟（内核）帮他守在大门口，女神回来了，小弟会主动打电话，告诉小明女神回来了，快来处理吧！这就是epoll。

epoll 共3个函数, 如下:

创建一个epoll句柄：

// 创建一个epoll句柄，参数size用来告诉内核监听的数目，size为epoll所支持的最大句柄数，我们这里暂时忽略内核升级的问题。
int epoll_create(int size)

epoll事件注册函数：

/*
函数功能：epoll事件注册函数
　 参数epfd为epoll的句柄，即epoll_create返回值
　 参数op表示动作，用3个宏来表示：
　　  EPOLL_CTL_ADD(注册新的fd到epfd)， 
      EPOLL_CTL_MOD(修改已经注册的fd的监听事件)，
　　  EPOLL_CTL_DEL(从epfd删除一个fd)；
　　  其中参数fd为需要监听的标示符；
　 参数event告诉内核需要监听的事件，event的结构如下：
struct epoll_event {
  __uint32_t events; //Epoll events
  epoll_data_t data; //User data variable
};
其中介绍events是宏的集合，本项目主要使用EPOLLIN(表示对应的文件描述符可以读，即读事件发生)，其他宏类型，可以google之！
*/
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)

等待事件的产生：

// 等待事件的产生，函数返回需要处理的事件数目（该数目是就绪事件的数目，就是前面所说漂亮女孩的个数N）
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout)

因此服务端使用epoll的时候，步骤如下：

调用epoll_create函数在Linux内核中创建一个事件表；
然后将文件描述符（监听套接字listener）添加到所创建的事件表中；
在主循环中，调用epoll_wait等待返回就绪的文件描述符集合；
分别处理就绪的事件集合，本项目中一共有两类事件：新用户连接事件和用户发来消息事件（epoll还有很多其他事件，本项目为简洁明了，不介绍）。

下面介绍如何将一个socket添加到事件表中，如下：

//将文件描述符fd添加到epollfd标示的内核事件表中， 并注册EPOLLIN和EPOOLET事件，EPOLLIN是数据可读事件；EPOOLET表明是ET工作方式。最后将文件描述符设置非阻塞方式
/**
  * @param epollfd: epoll句柄
  * @param fd: 文件描述符
  * @param enable_et : enable_et = true, 
     采用epoll的ET工作方式；否则采用LT工作方式
**/
void addfd(int epollfd, int fd, bool enable_et )
{
   
   
    struct epoll_event ev;
    ev.data.fd = fd;
    ev.events = EPOLLIN;
    if( enable_et )
        ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);
    setnonblocking(fd);
    printf("fd added to epoll!\n\n");
}

2.5 代码结构

根据上述细化需求，我们先创建必要的程序文件。

首先为要实现的程序命名为chatroom:

# 创建代码目录
cd /home/shiyanlou
mkdir chatroom && cd chatroom

# 创建所需的文件
touch Common.h Client.h Client.cpp ClientMain.cpp
touch Server.h Server.cpp ServerMain.cpp
touch Makefile

每个文件的作用：

Common.h：公共头文件，包含所需的所有宏定义及socket网络编程头文件
Client.h， Client.cpp：客户端类实现。
Server.h，Server.cpp：服务端类实现。
ClientMain.cpp，ServerMain.cpp：客户端及服务端的主函数。

下面我们将开始实现需要的类。

2.6 Common.h

在这个项目中，我们只需要定义一个单独的函数被类成员函数调用即可，这个功能函数的作用就是2.4最后提到的将文件描述符fd添加到epollfd标示的内核事件表中。因此我们将函数定义放在头文件 Common.h 中。

除了这个功能函数之外，我们还需要把客户端和服务器端共用的宏定义放在 Common.h中，例如：

服务器地址
服务器端口号
消息缓存大小
服务器端默认的欢迎及退出消息

根据上面描述请独立实现 Common.h 文件，可以参考课程提供的示例代码。

#ifndef  CHATROOM_COMMON_H
#define CHATROOM_COMMON_H

#include <iostream>
#include <list>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 默认服务器端IP地址
#define SERVER_IP "127.0.0.1"

// 服务器端口号
#define SERVER_PORT 8888

// int epoll_create(int size)中的size
// 为epoll支持的最大句柄数
#define EPOLL_SIZE 5000

// 缓冲区大小65535
#define BUF_SIZE 0xFFFF
    
// 新用户登录后的欢迎信息
#define SERVER_WELCOME "Welcome you join to the chat room! Your chat ID is: Client #%d"

// 其他用户收到消