项目：UDP聊天室

2023-09-14 23:56:24

UDP

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接、不可靠、面向数据报的传输协议。与TCP相比，UDP更加轻量级，不提供像TCP那样的可靠性和流控制机制，但具备较低的通信延迟和较少的开销。

UDP具有以下几个特点：

1. 无连接性：UDP在通信之前不需要进行握手或建立连接，可以直接向目标主机发送数据报。这使得UDP的开销较低，适用于实时数据传输或需要快速响应的应用场景。

2. 不可靠性：UDP不保证数据报的可靠性传输，发送端一旦发送数据包就不会去确认是否到达目标主机。这意味着UDP数据包可能会在传输过程中丢失、重复、乱序，接收方需要自行处理这些问题。

3. 面向数据报：UDP将应用层交给它的数据封装成单个数据报发送，每个数据报都是独立的。接收方以数据报为单位进行处理，不会像TCP一样存在拆包和粘包的问题。

4. 快速：由于UDP没有连接的建立和断开过程，且不需要进行可靠性的保证，因此UDP的通信延迟较低。这使得UDP适用于需要实时性和高性能的应用，例如音视频传输、实时游戏等。

UDP常见的应用场景包括以下几个方面：

1. 实时数据传输：UDP适合用于实时数据传输，如音视频流、实时视频会议等。由于UDP的低延迟和快速性能，可以保证数据的及时到达，并避免了TCP的可靠性机制带来的可能的延迟。

2. DNS（Domain Name System）：UDP常用于DNS查询，客户端通过UDP向DNS服务器发送域名解析请求，DNS服务器返回响应信息。

3. 移动应用：UDP适合用于移动应用，如移动终端上的实时定位、实时数据传输等场景。由于UDP不需要进行连接的建立和断开，更加适应移动网络环境的不稳定性。

需要注意的是，由于UDP不提供可靠性保证，需要在应用层面上考虑数据的可靠性和完整性，例如通过应用层协议、数据校验和重传机制等手段来确保数据的正确传输。

要求

利用UDP协议，实现一套聊天室软件。服务器端记录客户端的地址，客户端发送消息后，服务器群发给各个客户端软件

问题思考：

l 客户端会不会知道其它客户端地址？
UDP客户端不会直接互连，所以不会获知其它客户端地址，所有客户端地址存储在服务器端。

l 有几种消息类型？
登录：服务器存储新的客户端的地址。把某个客户端登录的消息发给其它客户端。
聊天：服务器只需要把某个客户端的聊天消息转发给所有其它客户端。 退出：服务器删除退出客户端的地址，并把退出消息发送给其它客户端。

l 服务器如何存储客户端的地址？
数据结构使用链表最为简单

流程图

服务器

server.png

客户端

client.png

思路：

1.首先要实现客户端和服务器端的全双工通信，因此要用到多进程，多线程或IO多路复用，IO多路复用包括select，poll，epoll。其中epoll效率最高，支持百万级别的并发。

三种IO多路复用特点以及流程如下

2023-08-29T15:02:22.png

2.服务器采用有头单向链表，存储每个客户端的IP地址，链表节点结构体如下。

/* 链表结点结构体 */
typedef struct node_t
{
    struct sockaddr_in addr;   //IP地址结构体
    struct node_t *next;       //指针域
}node_t;

3.建立传送消息的结构体，结构体分为三部分，分别是消息类型，昵称和消息正文。服务器端根据判断消息类型进行不同的操作。消息结构体如下。
/ 消息对应的结构体(同一个协议) /

typedef struct msg_t
{
    int type;       //L登录  M聊天  Q退出
    char name[32];  //用户名
    char text[128]; //消息正文
} MSG_t;

4.客户端运行时，首先发送链接类型信息，进行链接。链接后发送信息，根据信息内容判断是否退出。

实现

此项目可以使用多进程，多线程，select，poll，epoll实现，此次我会用 多线程和epoll两种方式实现。其余方法相差不大。

多进程实现

head.h

#ifndef __HEAD_H__
#define __HEAD_H__
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

/* 链表结点结构体 */
typedef struct node_t
{
    struct sockaddr_in addr;   //IP地址结构体
    struct node_t *next;       //指针域
}node_t;

/* 消息对应的结构体(同一个协议) */
typedef struct msg_t
{
    int type;       //L登录  M聊天  Q退出
    char name[32];  //用户名
    char text[128]; //消息正文
} MSG_t;


enum type_t
{
  login,      //枚举后面要用逗号隔开  ---0
  message,    // ---1
  quit,       // ---2 
};
#endif

server.c

#include "head.h"
struct sockaddr_in saddr, caddr;
//创建链表
node_t *CreateList()
{
    node_t *p = (node_t *)malloc(sizeof(node_t));
    if (NULL == p)
    {
        perror("CreateList is err");
        return NULL;
    }
    p->next = NULL;
    return p;
}

//客户端链接
void server_link(int socked, node_t *p, MSG_t *msg)
{
    sprintf(msg->text, "%s连接", msg->name);
    printf("%s\n", msg->text);
    while (p->next)
    {
        p = p->next;
        sendto(socked, msg, sizeof(*msg), 0, (struct sockaddr *)(&(p->addr)), sizeof(p->addr));
    }
    node_t *new = (node_t *)malloc(sizeof(node_t));
    new->next = NULL;
    new->addr=caddr;
    p->next = new;
}

//客户端发送正文消息
void server_message(int socked, node_t *p, MSG_t *msg)
{
    while (p->next)
    {
        p = p->next;
        if ((memcmp(&(p->addr), &caddr, sizeof(caddr))) == 0)
            continue;
        sendto(socked, msg, sizeof(*msg), 0, (struct sockaddr *)(&(p->addr)), sizeof(p->addr));
    }
}

//客户端退出
void server_quit(int socked, node_t *p, MSG_t *msg)
{
    node_t *pdel = NULL;
    sprintf(msg->text, "%s退出", msg->name);
    printf("%s\n", msg->text);
    while (p->next)
    {
        if ((memcmp(&(p->next->addr), &caddr, sizeof(caddr))) == 0)
        {
            pdel = p->next;
            p->next = pdel->next;
            free(pdel);
            pdel = NULL;
        }
        else
        {
            p = p->next;
            sendto(socked, msg, sizeof(*msg), 0, (struct sockaddr *)(&(p->addr)), sizeof(p->addr));
        }
    }
}

//6.服务器端发送消息,所有客户端接收
void *mypthread(void *socked)
{
    MSG_t msg;
    msg.type = message;
    strcpy(msg.name, "服务器");
    while (1)
    {

        fgets(msg.text, sizeof(msg.text), stdin);
        if (msg.text[strlen(msg.text) - 1] == '\n')
            msg.text[strlen(msg.text) - 1] = '\0';
        sendto(*(int *)(socked), &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //1.建立socket套接字
    int socked = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (socked < 0)
    {
        perror("socket is err");
        return -1;
    }

    //2.bind服务器端口号和ip地址
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
    int len = sizeof(caddr);
    if ((bind(socked, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr))) < 0)
    {
        perror("bind is err");
        return -1;
    }

    //3.建立多进程,主进程服务器接收,一个服务器发送
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid, NULL, mypthread, &socked);
    pthread_detach(pid);

    //4.主线程不断接收客户端发送的消息
    node_t *p = CreateList();
    MSG_t msg;
    while (1)
    {
        if ((recvfrom(socked, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)(&caddr), &len)) < 0)
        {
            perror("recvfrom is err");
            return -1;
        }

        //5.根据消息类型进行分类讨论
        switch (msg.type)
        {
        case login:
            server_link(socked, p, &msg);
            break;
        case message:
            server_message(socked, p, &msg);
            break;
        case quit:
            server_quit(socked, p, &msg);
            break;
        default:
            break;
        }
    }
    close(socked);
    return 0;
}

client.c

#include "head.h"
struct sockaddr_in saddr, caddr;
int len;
//5.子线程接收客户端数据
void *mypthread(void *socked)
{
    MSG_t msg;
    while (1)
    {
        int temp = recvfrom(*(int *)(socked), &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)(&caddr), &len);
        if (temp < 0)
        {
            perror("recvfrom err");
            exit(-1);
        }
        else
        {
            printf("\t\t\t\t%s(%s)\n",msg.text,msg.name);
        }
    }
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //1.建立socket套接字
    int socked = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (socked < 0)
    {
        perror("socket is err");
        return -1;
    }

    //2.绑定服务器ip和端口号
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    saddr.sin_family = AF_INET;
    len = sizeof(caddr);

    //3.连接服务器
    MSG_t msg;
    msg.type = login;
    printf("请输入名称:\n");
    fgets(msg.name, sizeof(msg.name), stdin);
    if (msg.name[strlen(msg.name) - 1] == '\n')
        msg.name[strlen(msg.name) - 1] = '\0';
    sendto(socked, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));

    //4.创建子进程接收服务器数据,主进程发送数据
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid, NULL, mypthread, &socked);
    pthread_detach(pid);

    //5.主线程发送客户端数据
    while (1)
    {
        fgets(msg.text, sizeof(msg.text), stdin);
        if (msg.text[strlen(msg.text) - 1] == '\n')
            msg.text[strlen(msg.text) - 1] = '\0';
        if (strcmp(msg.text, "quit") == 0)
            msg.type = quit;
        else
            msg.type = message;
        sendto(socked, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));
    }
    close(socked);
    return 0;
}

Makefile

all:
    gcc client.c -o client -lpthread
    gcc server.c -o server -lpthread
.PHONY:clean
clean:
    rm *.o

epoll实现

head.h

#ifndef __HEAD_H__
#define __HEAD_H__
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/epoll.h>

/* 链表结点结构体 */
typedef struct node_t
{
    struct sockaddr_in addr;   //IP地址结构体
    struct node_t *next;       //指针域
}node_t;

/* 消息对应的结构体(同一个协议) */
typedef struct msg_t
{
    int type;       //L登录  M聊天  Q退出
    char name[32];  //用户名
    char text[128]; //消息正文
} MSG_t;


enum type_t
{
  login,      //枚举后面要用逗号隔开  ---0
  message,    // ---1
  quit,       // ---2 
};
#endif

server.c

#include "head.h"
struct sockaddr_in saddr, caddr;
//创建链表
node_t *CreateList()
{
    node_t *p = (node_t *)malloc(sizeof(node_t));
    if (NULL == p)
    {
        perror("CreateList is err");
        return NULL;
    }
    p->next = NULL;
    return p;
}

//客户端链接
void server_link(int socked, node_t *p, MSG_t *msg)
{
    sprintf(msg->text, "%s连接", msg->name);
    printf("%s\n", msg->text);
    while (p->next)
    {
        p = p->next;
        sendto(socked, msg, sizeof(*msg), 0, (struct sockaddr *)(&(p->addr)), sizeof(p->addr));
    }
    node_t *new = (node_t *)malloc(sizeof(node_t));
    new->next = NULL;
    new->addr = caddr;
    p->next = new;
}

//客户端发送正文消息
void server_message(int socked, node_t *p, MSG_t *msg)
{
    while (p->next)
    {
        p = p->next;
        if ((memcmp(&(p->addr), &caddr, sizeof(caddr))) == 0)
            continue;
        sendto(socked, msg, sizeof(*msg), 0, (struct sockaddr *)(&(p->addr)), sizeof(p->addr));
    }
}

//客户端退出
void server_quit(int socked, node_t *p, MSG_t *msg)
{
    node_t *pdel = NULL;
    sprintf(msg->text, "%s退出", msg->name);
    printf("%s\n", msg->text);
    while (p->next)
    {
        if ((memcmp(&(p->next->addr), &caddr, sizeof(caddr))) == 0)
        {
            pdel = p->next;
            p->next = pdel->next;
            free(pdel);
            pdel = NULL;
        }
        else
        {
            p = p->next;
            sendto(socked, msg, sizeof(*msg), 0, (struct sockaddr *)(&(p->addr)), sizeof(p->addr));
        }
    }
}


int main(int argc, char const *argv[])
{
    //1.建立socket套接字
    int socked = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (socked < 0)
    {
        perror("socket is err");
        return -1;
    }

    //2.bind服务器端口号和ip地址
    saddr.sin_family = AF_INET;
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("0.0.0.0");
    int len = sizeof(caddr);
    if ((bind(socked, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr))) < 0)
    {
        perror("bind is err");
        return -1;
    }

   
    //3.主线程不断接收客户端发送的消息
    node_t *p = CreateList();
    MSG_t msg;

    //1).创建红黑树以及链表
    //树的跟节点/树的句柄
    int epfd = epoll_create(1);
    //2).上树
    struct epoll_event event;
    struct epoll_event events[32];
    event.events = EPOLLET | EPOLLIN;

    event.data.fd = 0;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, 0, &event);

    event.data.fd = socked;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, socked, &event);

    while (1)
    {

        //3).阻塞等待文件描述符产生事件
        int ret = epoll_wait(epfd, events, 32, -1);
        if (ret < 0)
        {
            perror("epoll err");
            return -1;
        }
        //4).根据文件描述符号,进行处理
        for (int i = 0; i < ret; ++i)
        {
            if (events[i].data.fd == 0)
            {

                msg.type = message;
                strcpy(msg.name, "客户端");
                fgets(msg.text, sizeof(msg.text), stdin);
                if (msg.text[strlen(msg.text) - 1] == '\n')
                    msg.text[strlen(msg.text) - 1] = '\0';
                sendto(*(int *)(socked), &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));
            }
            else if (events[i].data.fd == socked)
            {
                if ((recvfrom(socked, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)(&caddr), &len)) < 0)
                {
                    perror("recvfrom is err");
                    return -1;
                }

                //4.根据消息类型进行分类讨论
                switch (msg.type)
                {
                case login:
                    server_link(socked, p, &msg);
                    break;
                case message:
                    server_message(socked, p, &msg);
                    break;
                case quit:
                    server_quit(socked, p, &msg);
                    break;
                default:
                    break;
                }
            }
        }
    }
    close(socked);
    return 0;
}

client.c

#include "head.h"
struct sockaddr_in saddr, caddr;
int len;
//5.子线程接收客户端数据
void *mypthread(void *socked)
{
    MSG_t msg;
    while (1)
    {
        int temp = recvfrom(*(int *)(socked), &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)(&caddr), &len);
        if (temp < 0)
        {
            perror("recvfrom err");
            exit(-1);
        }
        else
        {
            printf("\t\t\t\t%s(%s)\n", msg.text, msg.name);
        }
    }
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //1.建立socket套接字
    int socked = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (socked < 0)
    {
        perror("socket is err");
        return -1;
    }

    //2.绑定服务器ip和端口号
    saddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
    saddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    saddr.sin_family = AF_INET;
    len = sizeof(caddr);

    //3.连接服务器
    MSG_t msg;
    msg.type = login;
    printf("请输入名称:\n");
    fgets(msg.name, sizeof(msg.name), stdin);
    if (msg.name[strlen(msg.name) - 1] == '\n')
        msg.name[strlen(msg.name) - 1] = '\0';
    sendto(socked, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));

    //4.创建子进程接收服务器数据,主进程发送数据
    pthread_t pid;
    pthread_create(&pid, NULL, mypthread, &socked);
    pthread_detach(pid);

    //5.主线程发送客户端数据
    while (1)
    {
        fgets(msg.text, sizeof(msg.text), stdin);
        if (msg.text[strlen(msg.text) - 1] == '\n')
            msg.text[strlen(msg.text) - 1] = '\0';
        if (strcmp(msg.text, "quit") == 0)
        {
            msg.type = quit;
            sendto(socked, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));
            break;
        }

        else
            msg.type = message;
        sendto(socked, &msg, sizeof(msg), 0, (struct sockaddr *)(&saddr), sizeof(saddr));
    }

    return 0;
}

Makefile

all: 
    gcc client.c -o client -lpthread 
    gcc server.c -o server -lpthread
 .PHONY:clean 
    clean: rm *.o

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