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UDP套接字简单通信

1、服务端

1、创建文件，写框架

接下来通过代码来理解套接字。先写一个echo server的代码，一个客户端，一个服务端，客户端发消息，服务端接收后再返回来。

创建套接字函数

domain用来表示要进行什么通信，传AF_INET AF_UNIX，type对应的套接字种类

其中第二个SOCK_DGRAM就是指数据报，第一个就是TCP协议，protocol默认为0，会自动推演出用什么协议，TCP或者UDP。返回值，成功返回文件描述符，失败返回-1并设置错误码

初始化时用这个接口。我们创建四个文件，两个client，两个server，udp_client.cc，udp_client.hpp，udp_server.cc，udp_server.hpp。

makefile

.PHONY: all
all:udp_client udp_server

udp_client:udp_client.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 

udp_server:udp_server.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 

.PHONY: clean
clean:
	rm -f udp_client udp_server

在server的头文件中

#pragma once

#include <iostream>
#include <memory>
#include <sys/type.h>
#include <sys/socket.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <cstdlib>

namespace ns_server
{
    enum
    {
        SOCKET_ERR=1,//返回时用枚举里的错误码，这样用户就知道是什么原因错误的
    };

    class UdpServer
    {
    public:
        UdpServer(){}
        void InitServer()
        {
            //1. 创建socket（套接字）接口，打开网络文件
            sock_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
            if(sock_ < 0)
            {
                std::cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            std::cout << "create socket succeed: " << sock_ << std::endl;//默认文件描述符应当是3
        }
        void Start()
        {}
        ~UdpServer(){}
    private:
        int sock_;
    };
}

接下来给服务器指明IP地址和端口号，用到bind函数。

sockfd就是刚才用socket函数创建的套接字。第二个参数addr，因为是网络通信，我们要用的是AF_INET。传参数前，我们需要填充一下IP地址和端口号。

in_port_t是重命名了uint16_t，sin_port就是端口号；sin_addr是IP地址，是一个in_addr结构体类型，其实这个结构体只有一个uint32_t类型的变量，32位的整数；剩下的sin_zero是一个填充字段。而AF_INET在最一开始的__SOCKADDR_COMMON里。

里面的双井号，传进来一个sin_后，sa_prefix就是sin_，双井号后是family，它们就会被组合起来，最终就是sa_family_t sin_family，sa_family_t是一个整数类型。

接下来要填充这个结构体，首先要清空，也可以不清空，清空用bzero，可以把缓冲区写为0。

我们在类内定义一个端口号port_，填充端口号时，不能直接给port_，因为这台主机不仅发消息，还得接收消息，接收消息的话，端口号就得在网络中，被其它主机知晓，而这个port_是在类内定义的，所以需要本地序列号转网络序列号。

#pragma once

#include <iostream>
#include <memory>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <strings.h>
#include <cstdlib>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

namespace ns_server
{
    enum
    {
        SOCKET_ERR=1,
        BIND_ERR,
    };

    const static int default_port = 8080;

    class UdpServer
    {
    public:
        UdpServer(std::string ip, uint16_t port = default_port): ip_(ip), port_(port)
        {
            std::cout << "server addr: " << ip << " : " << port_ << std::endl;
        }
        void InitServer()
        {
            //1. 创建socket（套接字）接口，打开网络文件
            sock_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
            if(sock_ < 0)
            {
                std::cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            std::cout << "create socket succeed: " << sock_ << std::endl;//默认文件描述符应当是3
            //2. 给服务器指明IP地址Port号
            struct sockaddr_in local;//网络通信要引入头文件<netinet/in.h>, <arpa/inet.h>
            bzero(&local, sizeof(local));
            local.sin_family = AF_INET;//上面的AF_INET用来创建套接字，这个用来初始化sockaddr_in结构体
            local.sin_port = htons(port_);//端口号的主机转网络序列的接口
            //字符串转为4字节int，不能强转，需要转化，并且转化完后要再变成网络序列
            //in_addr_t inet_addr函数就可以解决这个问题，它的作用就是字符串转4字节int并转网络序列，传一个const char*的就行
            local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str());
            //现在要把这个local绑定到套接字中，但这个local是在函数内的，也就是临时变量，它在用户空间的特定函数的栈帧上，不在内核中
            if(bind(sock_, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)))
            {
                std::cerr << "bind socket error: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }
            std::cout << "bind socket succeed: " << sock_ << std::endl;
        }
        void Start()
        {}
        ~UdpServer(){}
    private:
        int sock_;
        unit16_t port_;
        std::string ip_;
    };
} 

udp_server.cc文件里这样写

#include "udp_server.hpp"
using namespace std;
using namespace ns_server;

int main()
{
    unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer("1.1.1.1", 8082));
    usvr->InitServer();
    usvr->Start();
    return 0;
}

但是运行起来后会出现绑定错误。我们把1.1.1.1换成自己的云服务器的公网IP后，它依旧报错：Cannot assign requested address。

2、用命令行参数调起程序

云服务器不需要绑定IP地址，我们要让云服务器自己去指向IP地址。而自己本地装的虚拟机或者物理机器是允许用户去绑定IP地址的。这样的话我们就写成命令行参数的形式，main里只用端口号，UdpServer这个类里就不去初始化ip地址。为了方便，把报的错误统一放到一个头文件中。这样改动后，UdpServer的类里还需要绑定IP地址，现在已经没有ip_这个成员变量了，那么如何去绑定？云服务器不应当绑定某一个IP，因为云服务器可能有多个IP地址，如果只绑定一个，那就只能收到这一个的数据报，我们应当接收所有发送到这个主机的数据，根据端口，发到这个端口的数据会被使用。

err.hpp

#pragma once

enum
{
    USAGE_ERR=1,
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR, 
};

udp_server.cc

#include "udp_server.hpp"
#include <string>
using namespace std;
using namespace ns_server;

static void usage(string proc)
{
    std::cout << "Usage:\n\t" << proc << " port\n"  << std::endl;
}

//既然不传IP地址，那就将main变成带参的，我们手动写上端口号，里面也需要做改动
//像这样写来启动程序 ./udp_server port
int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc != 2)//上面写启动程序那里，是两个命令行参数，所以这里是2
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    uint16_t port = atoi(argv[1]);
    //unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer("1.1.1.1", 8082));
    unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer(port));
    usvr->InitServer();
    usvr->Start();
    return 0;
}

udp_server.hpp

这样改完后，我们写./udp_server 8080就可以接收8080这个端口号的数据。只是现在服务器还没写运行逻辑，所以只是能绑定成功，并没有看到数据处理的过程，接下来写这部分。

3、服务端运行逻辑

recvfrom接口，从一个套接字获取数据。

sockfd就是我们代码中的sock_，用socket接口创建好后返回的东西。buf是自己定义的缓冲区，把数据放在这里，len是缓冲区长度，flags是读取方式，默认设为0，阻塞方式。接口返回值是实际读了多少数据，len是整个长度。src_addr和addrlen是输入输出型参数，这个接口既然是接收数据用的，那么就得知道是谁发过来数据的，在网络中，网络间通信就是进程间通信，要标识是哪一个进程，就得知道它所在的主机，这需要IP地址，还要知道是哪一个进程，这需要端口号（Port），所以src_addr这个参数，我们用这个接口的时候就得传入客户端的IP和Port号，因为是服务端调用这个接口，这个接口输出时得返回一个结构体，里面有客户端的IP和Port号，addrlen就是实际结构体的大小。

        void Start()
        {
            char buffer[1024];
            while(true)//服务端得一直运行来保证客户端随时发送请求都能被处理，就和操作系统一样
            {
                //接收
                struct sockaddr_in peer;
                socklen_t len = sizeof(peer);//这里一定要写清楚未来传入的缓冲区大小
                int n = recvfrom(sock_, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);
                if(n > 0) buffer[n] = '\0';
                else continue;
            }
        }

recvfrom那里写sizeof(buffer) - 1，是因为考虑到这些原因。数据具体是什么形式的，由程序员定义，这里不涉及这些，因为这些系统接口是C写的，我们要把数据当作字符串使用，就需要最后一个位置是\0，这个位置得我们自己写上，所以得预留出这个位置，所以要-1。后面返回值大于0时，接口调用没有错误，那么就在最后一个位置加上\0结尾，整体就是一个字符串了。

接收后服务端也不知道这是谁的IP和Port号，我们需要提取出来。

                //提取client信息
                std::string clientip = inet_ntoa(peer.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(peer.sin_port);
                std::cout << clientip << "-" << clientport << "# " << buffer << std::endl;

接收完后要发送数据，用sendto接口。

buf就是发送的数据所在的缓冲区。服务端接收客户端的数据，然后再发送给客户端，所以dest_addr也是客户端的IP和Port号。

sendto(sock_, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&peer, sizeof(peer));

这里的strlen(buffer)这样写是因为，无论是向谁写，比如这里是向套接字，Linux下一切皆文件，文件中存储的可不是C语言中的字符串形式，所以不需要最后的\0。

程序运行起来后，服务端一直在运行中，我们可以用netstat -naup来查看，n是把所有能显示成数字的显示出来，u是显示udp，p显示进程信息，a代表所有进程。进行查看时，会发现一个新建立的PID，端口号就是调用程序时自己写的端口号，前面有一个随机绑定的IP地址，是全0的，就相当于给这个IP地址做了一个定义，只要发到这个端口号的数据，都会发到这个主机上。

hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <memory>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <string>
#include <strings.h>
#include <cstdlib>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "err.hpp"

namespace ns_server
{
    const static int default_port = 8080;

    class UdpServer
    {
    public:
        UdpServer(uint16_t port = default_port): port_(port)
        {
            std::cout << "server addr: " << port_ << std::endl;
        }
        void InitServer()
        {
            //1. 创建socket（套接字）接口，打开网络文件
            sock_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
            if(sock_ < 0)
            {
                std::cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            std::cout << "create socket succeed: " << sock_ << std::endl;//默认文件描述符应当是3
            //2. 给服务器指明IP地址Port号
            struct sockaddr_in local;//网络通信要引入头文件<netinet/in.h>, <arpa/inet.h>
            bzero(&local, sizeof(local));
            local.sin_family = AF_INET;//上面的AF_INET用来创建套接字，这个用来初始化sockaddr_in结构体
            local.sin_port = htons(port_);
            //字符串转为4字节int，不能强转，需要转化，并且转化完后要再变成网络序列
            //in_addr_t inet_addr函数就可以解决这个问题，它的作用就是字符串转4字节int并转网络序列，传一个const char*的就行
            //local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str());
            //云服务器，或者一款服务器，一般不要指明某一个确定的IP
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//让我们的udpserver在启动的时候，绑定本主机上的任意一个IP地址
            //现在要把这个local绑定到套接字中，但这个local是在函数内的，也就是临时变量，它在用户空间的特定函数的栈帧上，不在内核中
            if(bind(sock_, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
            {
                std::cerr << "bind socket error: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }
            std::cout << "bind socket succeed: " << sock_ << std::endl;
        }
        void Start()
        {
            char buffer[1024];
            while(true)//服务端得一直运行来保证客户端随时发送请求都能被处理，就和操作系统一样
            {
                //接收
                struct sockaddr_in peer;
                socklen_t len = sizeof(peer);//这里一定要写清楚未来传入的缓冲区大小
                int n = recvfrom(sock_, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);
                if(n > 0) buffer[n] = '\0';
                else continue;
                
                //提取client信息
                std::string clientip = inet_ntoa(peer.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(peer.sin_port);
                std::cout << clientip << "-" << clientport << "# " << buffer << std::endl;

                //发送
                sendto(sock_, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr*)&peer, sizeof(peer));
            }
        }
        ~UdpServer(){}
    private:
        int sock_;
        uint16_t port_;
        //std::string ip_;
    };
} 

cc

#include "udp_server.hpp"
#include <string>
using namespace std;
using namespace ns_server;

static void usage(string proc)
{
    std::cout << "Usage:\n\t" << proc << " port\n"  << std::endl;
}

//既然不传IP地址，那就将main变成带参的，我们手动写上端口号，里面也需要做改动
//像这样写来启动程序 ./udp_server port
int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc != 2)//上面写启动程序那里，是两个命令行参数，所以这里是2
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    uint16_t port = atoi(argv[1]);
    //unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer("1.1.1.1", 8082));
    unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer(port));
    usvr->InitServer();
    usvr->Start();
    return 0;
}

err.hpp

#pragma once

enum
{
    USAGE_ERR=1,
    SOCKET_ERR,
    BIND_ERR, 
};

2、客户端

1、创建套接字

udp_client.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <cstring>
#include <string>

udp_client.cc

#include "udp_client.hpp"
#include "err.hpp"

int main() 
{
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sock < 0)
    {
        std::cerr << "create socket error" << std::endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }
    return 0;
}

客户端也需要绑定，因为网络通信就是客户端和服务端互相标识对方唯一的进程后，进行网络版本的进程间通信，所以需要标识，但不用我们自己去标识。绑定是一个系统调用，客户端的端口号绑定由操作系统来自动绑定，防止客户端自己绑定端口号会导致两个软件绑定同一个端口号，那就不能同时打开。

既然这样，为什么服务端要自己绑定端口号？服务器的端口号不能自己改变，它要服务于众多客户，就像一个官方一样，它不能随便更改。但服务端也有很多，为什么可以自己定端口号？客户端来自众多源头，但是服务端由一家公司自己制定的，所以公司自己来规定好不冲突就行。

2、发送数据

套接字创建完，客户端就可以开始发送数据了。用sendto来发消息，但是这时候我们需要知道服务端的IP和Port号。服务端是临时的一个IP地址，这如何获取？客户端在调起运行时，也是写命令行参数，要写ip和端口号，ip其实用服务器的公网IP就可以传送过去数据，端口号就是我们自己定的那个。

udp_client.cc

#include "udp_client.hpp"
#include "err.hpp"

static void usage(std::string proc)
{
    std::cout << "Usage:\n\t" << proc << " serverip  serverport\n"  << std::endl;
}

int main(int argc, char* argv[]) 
{
    if(argc != 3)
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    std::string serverip = argv[1];
    uint16_t serverport = atoi(argv[2]);

    int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); 
    if(sock < 0)
    {
        std::cerr << "create socket error" << std::endl;
        exit(SOCKET_ERR);
    }
    //客户端由系统自己来绑定端口号
    //明确服务器是谁，填充sockaddr这个结构体
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof(server));//就和bzero一样
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(serverport);
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str());

    while(true)
    {
        //用户输入
        std::string message;
        std::cout << "Please Enter# ";
        std::cin >> message;
        //发送
        sendto(sock, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));
        //接收
        char buffer[2048];
        struct sockaddr_in temp;//temp就是上面server结构体的结果
        socklen_t len = sizeof(temp);
        int n = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&temp, &len);
        //recvfrom通常用于udp套接字的接收数据，具体用法man一下
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            std::cout << buffer << std::endl;
        }
    }
    return 0;
}

操作系统什么时候绑定客户端？在我们首次系统调用发送数据的时候，操作系统会在底层随机选择客户端端口号，加上自己的ip，绑定并构建要发送的数据报文。

3、测试

测试的时候要开两个窗口，在客户端写./udp_client 127.0.0.1 8081，127.0.0.1是本地环回，表达的是当前主机，通常用来进行本地通信或者测试。也是每一台机器默认的IP地址，用它来测试的时候，就走网络协议栈，但不会把数据发送到网络中。

测试的时候客户端发送消息，服务端能接收消息，那么软件没问题，如果实际中没有通过，那就说明是网络问题。

sz udp_client，也就是sz后面跟上客户端可执行文件，就可以把客户端放到桌面上。

4、通信

想通过现在写的代码来进行通信，sz udp_client就会弹出一个窗口，可以选择把这个客户端下载到哪里，然后启动另一个云服务器，输入指令rz加上一个空格，按回车，就可以选择客户端把它下载到当前云服务器中，但是我们还需要chmod +x udp_client，因为默认没有运行权限。想要启用这个客户端，我们先./udp_client，如果打印出来语句后，说明能正常运行，之后需要服务端的IP地址和端口号，输入指令./udp_client IP Port就可以运行客户端了，在客户端输入消息，服务端就会出现对应的消息，服务端在每条信息前面也会打印出来客户端的IP地址和随机分配给该客户端的端口号。让服务端停止运行，服务就挂掉了，客户端发信息就没用了。

5、加功能

1、处理数据

加上一个包装器functional，把函数作为类内成员初始化，服务端发送经过函数处理过的数据，而这个函数要在类外传进来，此时这个函数就不需要考虑网络，只考虑数据就行。

udp_server.hpp

#include <cstdio>

    const static int default_port = 8080;
    using func_t = std::function<std::string(std::string)>;

    class UdpServer
    {
    public:
        UdpServer(func_t cb, uint16_t port = default_port): service_(cb), port_(port)
        {
            std::cout << "server addr: " << port_ << std::endl;
        }
    //......
    //做业务处理
    std::string response = service_(buffer);

    //发送
    sendto(sock_, response.c_str(), response.size(), 0, (struct sockaddr*)&peer, sizeof(peer));
    //......
    private:
        int sock_;
        uint16_t port_;
        func_t service_;//网络服务器要进行业务处理
        //std::string ip_;
    };

udp_server.cc

//上层的业务处理，不关系网络发送，只负责信息处理即可
std::string transactionString(std::string request)//request就是一个string
{
    std::string result;
    char c;
    for(auto &r : request)
    {
        if(islower(r))
        {
            c = toupper(r);
            result.push_back(c);
        }
        else
            result.push_back(r);;
    }
    return result;
}

//既然不传IP地址，那就将main变成带参的，我们手动写上端口号，里面也需要做改动
//像这样写来启动程序 ./udp_server port
int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc != 2)//上面写启动程序那里，是两个命令行参数，所以这里是2
    {
        usage(argv[0]);
        exit(USAGE_ERR);
    }
    uint16_t port = atoi(argv[1]);
    //unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer("1.1.1.1", 8082));
    unique_ptr<UdpServer> usvr(new UdpServer(transactionString, port));//这里就要传这个函数
    usvr->InitServer();
    usvr->Start();
    return 0;
}

这个功能比较简单。写一个服务端执行客户端命令的函数

这个接口会执行command参数指定的命令，执行完后以文件指针的类型返回，所以调用者要用文件操作才行，type则是用什么类型的文件操作，读写，追加。调用这个函数后，函数内部会创建管道，创建子进程，把处理后的结果定向到要返回的文件指针，让用户能够以读的方式来获取结果。用fgets函数来获取结果，从文件流中获取数据，并且因为是c接口，所以读取的数据自动转换成字符串形式。

在这之前，我们要先防止一些命令的实现。

static bool isPass(const std::string &command)
{
    bool pass = true;
    auto pos = command.find("rm");
    if(pos != std::string::npos) pass = false;
    pos = command.find("mv");
    if(pos != std::string::npos) pass = false;
    return pass;
}

//客户端传过来命令，服务端执行
std::string excuteCommand(std::string command)
{
    //1. 安全检查
    if(!isPass(command)) return "Error!";
    //2. 业务逻辑处理
    FILE* fp = popen(command.c_str(), "r");
    if(fp == nullptr) return "None";
    //3. 获取结果
    char line[1024];
    std::string result;
    while(fgets(line, sizeof(line), fp) != NULL)
    {
        result += line;
    }
    pclose(fp);
    return result;
}

这样客户端就可以给服务端发命令了，发过来的命令会被执行。但是还有问题，ls -a -l不会正确显示结果，这是因为udp_client.cc文件里用户输入部分不够完善，cin会以空格为分隔符。

        //用户输入
        std::string message;
        std::cout << "Please Enter# ";
        std::cin >> message;

换成getline就好

std::getline(std::cin, message);

现在只能执行单进程的命令，加上多个进程的。

    pos = command.find("while");
    if(pos != std::string::npos) pass = false;

加上防止被杀。

    pos = command.find("kill");
    if(pos != std::string::npos) pass = false;

2、群聊

服务端收到一个信息就把信息给所有的客户端。客户端给消息，服务端作为中间人，经过处理后再把消息发给所有客户端，其实这就是生产消费模型。要发给所有人，就需要所有人的套接字信息。 分成两个线程，一个收消息，另一个发消息，消息放在环形队列中，再给客户端。这里用到之前的RingQueue.hpp文件。

#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>
#include <pthread.h>
#include <ctime>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
#include <string>
#include <cstring>

static const int N = 50;//从5改成了50

template<class T>
class RingQueue
{
private:
    void P(sem_t &s) {sem_wait(&s); }
    void V(sem_t &s) {sem_post(&s); }//发布信号量的接口
    void Lock(pthread_mutex_t& m) {pthread_mutex_lock(&m); }
    void Unlock(pthread_mutex_t& m) {pthread_mutex_unlock(&m); }
public:
    RingQueue(int num = N): _ring(num), _cap(num)
    {
        sem_init(&_data_sem, 0, 0);
        sem_init(&_space_sem, 0, num);
        _c_step = _p_step = 0;
        pthread_mutex_init(&_c_mutex, nullptr);
        pthread_mutex_init(&_p_mutex, nullptr);
    }

    //生产
    void push(const T& in)
    {
        P(_space_sem);//P操作，生产者需要看看空间信号量是否不为空，不空才可以继续
        Lock(_p_mutex);
        //不需要判断，一定有对应的空间资源给我
        //因为信号量本身就是描述临界资源的，它可以在临界区外去申请，P成功就说明可以继续执行了
        _ring[_p_step] = in;//_p_step是生产者的位置
        ++_p_step;
        _p_step %= _cap;
        Unlock(_p_mutex);
        //V操作
        V(_data_sem);//一个数据放进去了，那么数据信号量就增加
    }

    //消费
    void pop(T* out)
    {
        P(_data_sem);//P操作，消费者需要看看数据信号量是否不为空，不空才可以继续
        Lock(_c_mutex);
        *out = _ring[_c_step];//_c_step是消费者的位置
        ++_c_step;
        _c_step %= _cap;
        Unlock(_p_mutex);
        V(_space_sem);//一个数据被拿走，消费者往后走一步，空间信号量就减少
    }

    ~RingQueue()
    {
        sem_destroy(&_data_sem);
        sem_destroy(&_space_sem);
        pthread_mutex_destroy(&_c_mutex);
        pthread_mutex_destroy(&_p_mutex);
    }
private:
    std::vector<T> _ring;
    int _cap;//环形队列大小
    sem_t _data_sem;//只有消费者关心
    sem_t _space_sem;//只有生产者关心
    int _c_step;//消费者位置
    int _p_step;//生产者位置
    pthread_mutex_t _c_mutex;//消费者之间的锁
    pthread_mutex_t _p_mutex;//生产者之间的锁
};

让原先的Start函数改名成Recv，它来接收消息，创建一个Broadcast的函数来发消息。定义一个map来存储客户端，将接收客户端的套接字结构体和客户端的IP、Port绑定在一起。处理数据前先查明是否存在于map，存在就不做什么，不存在就插入，然后再去处理数据。不过这里就不处理数据，把接收到的客户端数据放到环形队列中。发送数据就放到一个别的函数中来做。

    //类前面
    const static int default_port = 8080;
    using func_t = std::function<std::string(std::string)>;
    //....

        void addUser(const std::string &name, const struct sockaddr_in &peer)
        {
            auto iter = onlineuser.find(name);
            if(iter != onlineuser.end()) return;
            onlineuser.insert(std::pair<const std::string, const struct sockaddr_in>(name, peer));
        }

        void Recv()
        {
            char buffer[1024];
            while(true)//服务端得一直运行来保证客户端随时发送请求都能被处理，就和操作系统一样
            {
                //接收
                struct sockaddr_in peer;
                socklen_t len = sizeof(peer);//这里一定要写清楚未来传入的缓冲区大小
                int n = recvfrom(sock_, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&peer, &len);
                if(n > 0) buffer[n] = '\0';
                else continue;
                
                //提取client信息
                std::string clientip = inet_ntoa(peer.sin_addr);
                uint16_t clientport = ntohs(peer.sin_port);
                std::cout << clientip << "-" << clientport << "# " << buffer << std::endl;

                //构建一个用户，并检查
                std::string name = clientip;
                name += "-";
                name += std::to_string(clientport);
                //如果不存在，就插入；如果存在就什么都不做
                addUser(name, peer);
                rq.push(buffer);
                //做业务处理
                //std::string message = service_(buffer);
            }
        }

        void Broadcast()//接收消息是while(true)来死循环接收，发送消息也要这样
        {
            while(true)
            {
                std::string sendstring;
                rq.pop(&sendstring);
                for(auto user : onlineuser)
                {
                    std::cout << "Broadcast message to " << user.first << sendstring << std::endl;
                    sendto(sock_, sendstring.c_str(), sendstring.size(), 0, (struct sockaddr*)&(user.second), sizeof(user.second));
                }
            }
        }
        ~UdpServer(){}
    private:
        int sock_;
        uint16_t port_;
        func_t service_;//网络服务器要进行业务处理
        std::unordered_map<std::string, struct sockaddr_in> onlineuser;
        RingQueue<std::string> rq;
        //std::string ip_;
    };
} 

onlineuser需要受到保护，防止被不知名的客户端插入给更改，所以加锁，引入之前写的LockGuard.hpp。

LockGuard.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <pthread.h>

class Mutex//自己不维护锁，由外部传入
{
public:
    Mutex(pthread_mutex_t *mutex):_pmutex(mutex)
    {} 
    
    void lock()
    {
        pthread_mutex_lock(_pmutex);
    }
    
    void unlock()
    {
        pthread_mutex_unlock(_pmutex);
    }
 
    ~Mutex()
    {}
private:
    pthread_mutex_t *_pmutex;
};

class LockGuard//自己不维护锁，由外部传入
{
public:
    LockGuard(pthread_mutex_t *mutex):_mutex(mutex)
    {
        _mutex.lock();
    }
    
    ~LockGuard()
    {
        _mutex.unlock();
    }
private:
     Mutex _mutex;
};

        UdpServer(func_t cb, uint16_t port = default_port): service_(cb), port_(port)
        {
            std::cout << "server addr: " << port_ << std::endl;
            pthread_mutex_init(&lock, nullptr);
        }
        void addUser(const std::string &name, const struct sockaddr_in &peer)
        {
            LockGuard lockguard(&lock);
            auto iter = onlineuser.find(name);
            if(iter != onlineuser.end()) return;
            onlineuser.insert(std::pair<const std::string, const struct sockaddr_in>(name, peer));
        }
        void Broadcast()
        {
            std::string sendstring;
            rq.pop(&sendstring);
            LockGuard lockguard(&lock);
            for(auto user : onlineuser)
            {
                std::cout << "Broadcast message to " << user.first << sendstring << std::endl;
                sendto(sock_, sendstring.c_str(), sendstring.size(), 0, (struct sockaddr*)&(user.second), sizeof(user.second));
            }
        }
        ~UdpServer()
        {
            pthread_mutex_destroy(&lock);
        }
    private:
        int sock_;
        uint16_t port_;
        func_t service_;//网络服务器要进行业务处理
        std::unordered_map<std::string, struct sockaddr_in> onlineuser;
        RingQueue<std::string> rq;
        pthread_mutex_t lock;
        //std::string ip_;
    };

但Broadcast函数那里加锁并不是最优解。我们需要保护的是客户端的套接字，而不是发送的这个过程，这里可以这样写

        void Broadcast()
        {
            while(true)
            {
                std::string sendstring;
                rq.pop(&sendstring);
                std::vector<struct sockaddr_in> v;
                {
                    LockGuard lockguard(&lock);
                    for(auto user: onlineuser)
                    {
                        v.push_back(user.second);
                    }
                }
                for(auto user : v)
                {
                    //std::cout << "Broadcast message to " << user.first << sendstring << std::endl;
                    sendto(sock_, sendstring.c_str(), sendstring.size(), 0, (struct sockaddr*)&(user), sizeof(user));
                }
            }
        }

拷贝到v里是用范围for，是内存级拷贝，是STL容器进行的拷贝，消耗少。而sendto是系统调用接口，有IO开销。

写完这些后，还要支持多线程，引入之前写的Thread.hpp，并且还要改一下多线程执行的方法。

以前的Thread.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string>
#include <cstdlib>
using namespace std;

typedef void (*func_t)();

class Thread
{
public:
    typedef enum
    {
        NEW = 0,
        RUNNING,
        EIXTED
    }ThreadStatus;
    typedef void (*func_t)(void*);
public:
    Thread(int num, func_t func, void* args):_tid(0), _status(NEW), _func(func), _args(args)//num是线程编号
    {
        char name[128];
        snprintf(name, sizeof(name), "thread-%d", num);
        _name = name;
    }

    int status() {return _status;}
    string threadname() {return _name;}
    pthread_t threadid()
    {
        if(_status == RUNNING) return _tid;
        else
        {
            return 0;
        }
    }

    //runHelper是成员函数，类的成员函数具有默认参数this，也就是括号有一个Thread* this，pthread_create的参数应当是void*类型，就不符合，所以加上static，放在静态区，就没有this，但是又有新问题了
    //static成员函数无法直接访问类内属性和其他成员函数，所以create那里要传this指针，this就是当前线程对象，传进来才能访问类内的东西
    static void* runHelper(void* args)//args就是执行方法的参数
    {
        Thread* ts = (Thread*)args;//就拿到了当前对象
        //函数里可以直接调用func这个传过来的方法，参数就是_args
        (*ts)();//调用了func函数
        return nullptr;
    }

    void operator()()//仿函数
    {
        if(_func != nullptr) _func(_args);
    }
    
    void run()//run函数这里传方法
    {
        int n = pthread_create(&_tid, nullptr, runHelper, this);//为什么传this？
        if(n != 0) exit(1);
        _status = RUNNING;
    }
 
    void join()
    {
        int n = pthread_join(_tid, nullptr);
        if(n != 0)
        {
            cerr << "main thread join thread" << _name << "error" << endl;
            return ;
        } 
        _status = EXITED;
    }
    
    ~Thread()
    {}
private:
    pthread_t _tid;
    string _name;
    func_t func;//线程未来要执行的函数方法
    void* _args;//也可以不写这个，那么typedef的函数指针就没有参数。当然，参数也可用模板来写
    ThreadStatus _status;
};

改后的，不需要传参了，让线程执行接收和发送数据的工作，所以初始化这里就传进来编号和函数即可。

#pragma once

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <string>
#include <cstdlib>
#include <functional>
using namespace std;

typedef void (*func_t)();

class Thread
{
public:
    typedef enum
    {
        NEW = 0,
        RUNNING,
        EXITED
    }ThreadStatus;
    //typedef void (*func_t)(void*);
    using func_t = function<void ()>;
public:
    Thread(int num, func_t func):_tid(0), _status(NEW), _func(func)//num是线程编号
    {
        char name[128];
        snprintf(name, sizeof(name), "thread-%d", num);
        _name = name;
    }

    int status() {return _status;}
    string threadname() {return _name;}
    pthread_t threadid()
    {
        if(_status == RUNNING) return _tid;
        else
        {
            return 0;
        }
    }

    //runHelper是成员函数，类的成员函数具有默认参数this，也就是括号有一个Thread* this，pthread_create的参数应当是void*类型，就不符合，所以加上static，放在静态区，就没有this，但是又有新问题了
    //static成员函数无法直接访问类内属性和其他成员函数，所以create那里要传this指针，this就是当前线程对象，传进来才能访问类内的东西
    static void* runHelper(void* args)//args就是执行方法的参数
    {
        Thread* ts = (Thread*)args;//就拿到了当前对象
        //函数里可以直接调用func这个传过来的方法，参数就是_args
        (*ts)();//调用了func函数
        return nullptr;
    }

    void operator()()//仿函数
    {
        if(_func != nullptr) _func();
    }
    
    void run()//run函数这里传方法
    {
        int n = pthread_create(&_tid, nullptr, runHelper, this);//为什么传this？
        if(n != 0) exit(1);
        _status = RUNNING;
    }
 
    void join()
    {
        int n = pthread_join(_tid, nullptr);
        if(n != 0)
        {
            cerr << "main thread join thread" << _name << "error" << endl;
            return ;
        } 
        _status = EXITED;
    }
    
    ~Thread()
    {}
private:
    pthread_t _tid;
    string _name;
    func_t _func;//线程未来要执行的函数方法
    //void* _args;//也可以不写这个，那么typedef的函数指针就没有参数。当然，参数也可用模板来写
    ThreadStatus _status;
};

udp_server.hpp那里，两个线程c和p，把它设置成指针的，那么成员就是Thread* c和Thread* p，初始化时new出来，传进去的函数应当是std库里的bind接口

template< class F, class… Args >
std::function<F(Args…)> std::bind( F&& f, Args&&… args );

F 是一个可调用对象的类型，可以是函数指针、函数对象、成员函数指针等。
Args… 是 F 所接受的参数类型。

这样就可以把接收和发送数据的函数传进去了。原先的InitServer函数，在最后加上c->run()，p->run()，让两个线程运行起来，析构函数那里也要加上两个线程指针的析构。

        UdpServer(uint16_t port = default_port): port_(port)
        {
            std::cout << "server addr: " << port_ << std::endl;
            pthread_mutex_init(&lock, nullptr);
            c = new Thread(1, std::bind(&UdpServer::Recv, this));
            p = new Thread(1, std::bind(&UdpServer::Broadcast, this));
        }

        void Start()
        {
            //1. 创建socket（套接字）接口，打开网络文件
            sock_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
            if(sock_ < 0)
            {
                std::cerr << "create socket error: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(SOCKET_ERR);
            }
            std::cout << "create socket succeed: " << sock_ << std::endl;//默认文件描述符应当是3
            //2. 给服务器指明IP地址Port号
            struct sockaddr_in local;//网络通信要引入头文件<netinet/in.h>, <arpa/inet.h>
            bzero(&local, sizeof(local));
            local.sin_family = AF_INET;//上面的AF_INET用来创建套接字，这个用来初始化sockaddr_in结构体
            local.sin_port = htons(port_);
            //字符串转为4字节int，不能强转，需要转化，并且转化完后要再变成网络序列
            //in_addr_t inet_addr函数就可以解决这个问题，它的作用就是字符串转4字节int并转网络序列，传一个const char*的就行
            //local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str());
            //云服务器，或者一款服务器，一般不要指明某一个确定的IP
            local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//让我们的udpserver在启动的时候，绑定本主机上的任意一个IP地址
            //现在要把这个local绑定到套接字中，但这个local是在函数内的，也就是临时变量，它在用户空间的特定函数的栈帧上，不在内核中
            if(bind(sock_, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0)
            {
                std::cerr << "bind socket error: " << strerror(errno) << std::endl;
                exit(BIND_ERR);
            }
            std::cout << "bind socket succeed: " << sock_ << std::endl;
            p->run();
            c->run();
        }
        
        ~UdpServer()
        {
            pthread_mutex_destroy(&lock);
            c->join();
            p->join();
            delete c;
            delete p;
        }
    private:
        int sock_;
        uint16_t port_;
        //func_t service_;//网络服务器要进行业务处理
        std::unordered_map<std::string, struct sockaddr_in> onlineuser;
        RingQueue<std::string> rq;
        pthread_mutex_t lock;
        Thread *c;
        Thread *p;
        //std::string ip_;
    };

makefile里，因为服务端用了多线程，所以要在后面加上-lpthread。启动服务端后，用ps -aL |grep udp_server来查看，会发现有三个线程，接收，发送和主线程。

实际运行起来后会发现，客户端只能发一个消息才能接收一个服务端的消息，这是因为客户端是阻塞式运行的，只能先发再收，所以客户端也要改成多线程的。

把接收消息的部分放进一个函数里

void* recver(void* args)
{
    int sock = *(static_cast<int*>(args));
    while(true)
    {
        //接收消息
        char buffer[2048];
        struct sockaddr_in temp;
        socklen_t len = sizeof(temp);
        int n = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&temp, &len);
        if(n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            std::cout << buffer << std::endl;//往1号描述符输出
        }
    }
}
//......
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, nullptr, recver, &sock);
    while(true)
    {
        //用户输入
        std::string message;
        std::cerr << "Please Enter# ";//往2号文件描述符输出
        std::getline(std::cin, message);
        //发送
        sendto(sock, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));
    }

接收和输入用两个输出流。

开启服务端后，我们输入命令mkfifo message_pipe，就创建了一个命名管道。将客户端的结果重定向到管道，./udp_client 127.0.0.1 8081 > message_pipe，那么客户端发消息，服务端收到，再发送给客户端，这个消息就会被放到管道，服务端发来的消息从管道中能够读取出来，但是读取出来的消息并不知道是哪个客户端发的，再改一下代码。

udp_server.hpp中有发消息者的信息

                //构建一个用户，并检查
                std::string name = clientip;
                name += "-";
                name += std::to_string(clientport);
                //如果不存在，就插入；如果存在就什么都不做
                addUser(name, peer);
                rq.push(buffer);

原本是消息放到buffer里，然后把buffer放到环形队列中，现在加工一下

                //构建一个用户，并检查
                std::string name = clientip;
                name += "-";
                name += std::to_string(clientport);
                //如果不存在，就插入；如果存在就什么都不做
                addUser(name, peer);
                std::string message = name + " >>" + buffer;
                rq.push(message);

这样服务端发送消息前这个消息就带上了源头信息。

6、Windows下socket编程的不同

需要引入头文件WinSock2.h。

#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")//引入一个库

WSADATA WSAData;
if(WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &WSAData) != 0)
{
    std::cout << "init error" << std::endl;
    return -1;
}
//......最后
WSACleanup();

WSADATA全拼就是windows socket addr data，用这个MAKEWORD宏来构建2.2版本，把这个版本的数据结果放到WSAData中，WSAStartup用来检查引入的库和期望用的版本是否一致，不一致就打印init error。WSACleanup就是把程序在库中打开的各种数据，用到的东西给清理掉，然后结束程序。

其它部分都和上面没有什么不同。

#include <iostream>
#include <string>
#include <WinSock2.h>

#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

uint16_t serverport = 8080;//把服务端ip和端口号单独拎出来，这样就直接用就好，改的时候改这里
std::string serverip = "106.75.12.79";

int main()
{
    WSADATA WSAData;
    if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &WSAData) != 0)
    {
        std::cout << "init error" << std::endl;
        return -1;
    }
    SOCKET sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock < 0)
    {
        std::cerr << "create socket error" << std::endl;
        exit(-2);
    }
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;
    server.sin_port = htons(serverport);
    server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str());
    while (true)
    {
        std::string message;
        std::cout << "Please Enter# ";
        std::getline(std::cin, message);
        sendto(sock, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));
        char buffer[2048];
        struct sockaddr_in temp;
        int len = sizeof(temp);
        int n = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&temp, &len);
        if (n > 0)
        {
            buffer[n] = 0;
            std::cout << buffer << std::endl;//往1号描述符输出
        }
    }
    WSACleanup();
    return 0;
}

运行起来时会报错，这一行有错误server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str())，需要用inet_pton()，我们也可以屏蔽这条警告。

#include <iostream>
#include <string>
#include <winsock2.h>

#pragma warning(disable:4996)//屏蔽警告，让编译器自行解决
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

也可以解决它。inet_pton这个函数将IP地址转网络地址，需要用到头文件WS2tcpip.h，int inet_pton(int af, const char *src, void *dst)。第一个参数填通信方式，第二个参数填IP地址，第三个参数是一个用来存放转换后的网络地址的缓冲区。

inet_pton(AF_INET, "106.75.12.79", &(server.sin_addr));

运行起来就可以创建出一个客户端窗口。

Linux Udp部分

Windows Udp部分

下一篇写TCP套接字通信。

结束。