C/C++轻量级并发TCP服务器框架Zinx-游戏服务器开发003：架构搭建-需求分析及TCP通信方式的实现

文章目录

1 项目总体架构
2 项目需求
- 2.1 服务器职责
- 2.2 消息的格式和定义
3 基于Tcp连接的通信方式
- 3.1 通道层实现GameChannel类
- - 3.1.1 TcpChannel类
  - 3.1.2 Tcp工厂类
  - 3.1.3 创建主函数，添加Tcp的监听套接字
  - 3.1.4 代码测试
- 3.2 协议层与消息类
- - 3.2.1 消息的定义
  - 3.2.2 消息类-用户请求对象的创建
  - 3.2.3 protoc消息的创建
  - 3.2.4 消息对象的构造与解析
  - 3.2.5 代码测试-1
  - 3.2.6 报文里的多条请求
  - 3.2.7 Tcp报文粘包的处理
  - 3.2.8 数据包代码测试
  - - 3.2.8.1 完整数据
    - 3.2.8.2 数据缺失和错误
  - 3.2.9 协议和通道相互绑定
  - - 3.2.9.1 循环引用的问题
    - 3.2.9.1 相互绑定的实现
    - 3.2.9.3 代码测试
- 3.3 业务层玩家类的创建
- - 3.3.1 在Role中绑定协议
  - 3.3.2 在协议中绑定一个role
  - 3.3.3 在tcp中绑定协议和玩家对象
  - 3.3.4 重写协议层获取角色处理对象
  - 3.3.5 修改角色Init函数
  - 3.3.6 测试代码

1 项目总体架构

在这里插入图片描述

2 项目需求

2.1 服务器职责

服务器职责（接收客户端数据，发送数据给客户端）

新客户端连接后，向其发送ID和名称
新客户端连接后，向其发送周围玩家的位置
新客户端连接后，向周围玩家发送其位置
收到客户端的移动信息后，向周围玩家发送其新位置
收到客户端的移动信息后，向其发送周围新玩家位置
收到客户端的聊天信息后，向所有玩家发送聊天内容
客户端断开时，向周围玩家发送其断开的消息

2.2 消息的格式和定义

消息定义

每一条服务器和客户端之前的消息都应该满足以下格式

消息内容的长度（4个字节，低字节在前）| 消息ID（4个字节，低字节在前）| 消息内容 |

消息以及其处理方式已经在客户端实现，本项目要实现的是服务器端的相关处理

详细定义如下

消息ID	消息内容	发送方向	客户端处理	服务器处理
1	玩家ID和玩家姓名	S->C	记录自己ID和姓名	无
2	聊天内容	C->S	无	广播给所有玩家
3	新位置	C->S	无	处理玩家位置更新后的信息同步
200	玩家ID，聊天内容/初始位置/动作（预留）/新位置	S->C	根据子类型不通而不同	无
201	玩家ID和玩家姓名	S->C	把该ID的玩家从画面中拿掉	无
202	周围玩家们的位置	S->C	在画面中显示周围的玩家	无

3 基于Tcp连接的通信方式

3.1 通道层实现GameChannel类

GameChannel::GetInputNextStage 函数中直接返回成员变量中的协议对象
GameChannel 的析构函数中要一并从kernel中摘掉协议对象，玩家对象并析构之
GameChannelFac::CreateTcpDataChannel 函数要一并创建通道对象，协议对象，玩家对象，并将这三者绑定起来，添加到kernel中

3.1.1 TcpChannel类

使用框架提供的Tcp通信类
创建GameChannel类继承ZinxTcpData，重写GetInputNextStage函数，将tcp收到的数据交给协议对象解析

每个协议对象只处理本通道的协议数据

GameProtocol* m_proto = NULL;

创建对象啊以后交给m_proto，通过该变量访问通道内的数据

AZinxHandler* GameChannel::GetInputNextStage(BytesMsg& _oInput)
{
	return m_proto;
}

3.1.2 Tcp工厂类

创建GameChannelFac类用于创建基于连接的GameChannel对象
因为玩家是通过tcp连接，所以tcp通道，协议对象，和玩家对象是一对一对一的绑定关系
创建通道的时候，需要创建协议，并且绑定协议对象

ZinxTcpData* GameConnFact::CreateTcpDataChannel(int _fd)
{
/*创建tcp通道对象*/
	auto pChannel = new GameChannel(_fd);
/*创建协议对象*/
	auto pProtocol = new GameProtocol();
/*绑定协议对象*/
	pChannel->m_proto = pProtocol;
/*将协议对象添加到kernel, 注意参数需要为指针*/
	ZinxKernel::Zinx_Add_Proto(*pProtocol);
	return pChannel;
}

3.1.3 创建主函数，添加Tcp的监听套接字

#include "GameChannel.h"

int main()
{
	ZinxKernel::ZinxKernelInit();
	/*添加监听通道：需要端口号和连接*/
	ZinxKernel::Zinx_Add_Channel(*(new ZinxTCPListen(8899, new GameConnFact())));
	ZinxKernel::Zinx_Run();
	ZinxKernel::ZinxKernelFini();
}

3.1.4 代码测试

设置标准输入

UserData* GameProtocol::raw2request(std::string _szInput)
{
	cout << _szInput << endl;
	return nullptr;
}

在这里插入图片描述

3.2 协议层与消息类

GameProtocol::GetMsgProcessor 函数即返回绑定的玩家对象
GameProtocol::GetMsgSender 函数即返回绑定的通道对象
GameProtocol::response2raw 函数要返回消息内容编码后的字节流（将GameMsg 对象中每个消息对象序列化并结合长度消息ID一起粘合起来）
GameProtocol::raw2request 函数要将一串tcp数据流转换成游戏消息

3.2.1 消息的定义

//h
enum MSG_TYPE {
	MSG_TYPE_LOGIN_ID_NAME = 1,
	MSG_TYPE_CHAT_CONTENT = 2,
	MSG_TYPE_NEW_POSTION = 3,
	MSG_TYPE_BROADCAST = 200,
	MSG_TYPE_LOGOFF_ID_NAME = 201,
	MSG_TYPE_SRD_POSTION = 202
} enMsgType;

3.2.2 消息类-用户请求对象的创建

一个类一个请求

//h
class GameMsg :
	public UserData
{
public:
	/*用户的请求信息*/
	google::protobuf::Message * pMsg = NULL;
	enum MSG_TYPE {
		MSG_TYPE_LOGIN_ID_NAME = 1,
		MSG_TYPE_CHAT_CONTENT = 2,
		MSG_TYPE_NEW_POSTION = 3,
		MSG_TYPE_BROADCAST = 200,
		MSG_TYPE_LOGOFF_ID_NAME = 201,
		MSG_TYPE_SRD_POSTION = 202
	} enMsgType;

	/*已知消息内容创建消息对象*/
	GameMsg(MSG_TYPE _type, google::protobuf::Message  * _pMsg);
	/*将字节流内容转换成消息结构*/
	GameMsg(MSG_TYPE _type, std::string _stream);

	/*序列化本消息*/
	std::string serialize();

	virtual ~GameMsg();
};

一个消息类里应该要放多条请求，每个请求一条消息

class MultiMsg :public UserData {
public:
	std::list<GameMsg *> m_Msgs;
};

3.2.3 protoc消息的创建

protoc msg.proto --cpp_out=./

syntax="proto3";
package pb;

//无关选项，用于客户端
option csharp_namespace="Pb";

message SyncPid{
	int32 Pid=1;
	string Username=2;
}

message Player{
	int32 Pid=1;
	Position P=2;
	string Username=3;
}

message SyncPlayers{
	/*嵌套多个子消息类型Player的消息*/
	repeated Player ps=1;
}

message Position{
	float X=1;
	float Y=2;	
	float Z=3;	
	float V=4;
	int32 BloodValue=5;
}

message MovePackage{
	Position P=1;
	int32 ActionData=2;
}

message BroadCast{
	int32 Pid=1;
	int32 Tp=2;
	/*根据Tp不同，Broadcast消息会包含：
	  聊天内容(Content)或初始位置(P)或新位置P*/
	oneof Data{
		string Content=3;
		Position P=4;
		/*ActionData暂时预留*/
		int32 ActionData=5;
		}
	string Username=6;
}

message Talk{
	string Content=1;
}

3.2.4 消息对象的构造与解析

GameMsg::GameMsg(MSG_TYPE _type, std::string _stream) :enMsgType(_type)
{
	/*通过简单工厂构造具体的消息对象*/
	switch (_type)
	{
	case GameMsg::MSG_TYPE_LOGIN_ID_NAME:
		pMsg = new pb::SyncPid();
		break;
	case GameMsg::MSG_TYPE_CHAT_CONTENT:
		pMsg = new pb::Talk();
		break;
	case GameMsg::MSG_TYPE_NEW_POSTION:
		pMsg = new pb::Position();
		break;
	case GameMsg::MSG_TYPE_BROADCAST:
		pMsg = new pb::BroadCast();
		break;
	case GameMsg::MSG_TYPE_LOGOFF_ID_NAME:
		pMsg = new pb::SyncPid();
		break;
	case GameMsg::MSG_TYPE_SRD_POSTION:
		pMsg = new pb::SyncPlayers();
		break;
	default:
		break;
	}

	/*将参数解析成消息对象内容*/
	pMsg->ParseFromString(_stream);
}


std::string GameMsg::serialize()
{
	std::string ret;

	pMsg->SerializeToString(&ret);

	return ret;
}

3.2.5 代码测试-1

在这里插入图片描述

3.2.6 报文里的多条请求

//h
class MultiMsg :public UserData {
public:
	std::list<GameMsg*> m_Msgs; //注意此处要加命名空间
};

	MultiMsg* pRet = new MultiMsg(); //此时没有用户请求
	
	/*构造一条用户请求*/
	GameMsg* pMsg = new GameMsg((GameMsg::MSG_TYPE)id, szLast.substr(8, iLength)); // iLength是正文的长度
	pRet->m_Msgs.push_back(pMsg);

	//Debug打印每条请求
	for (auto single : pRet->m_Msgs)
	{
		cout << single->pMsg->Utf8DebugString() << endl;
	}

3.2.7 Tcp报文粘包的处理

问题：tcp或类似的流式文件无法保证收到的数据按照期望的格式分割。

举例：服务器期望接收2个字节的数据作为一个合理请求。客户端发送了两个请求（四个字节）后，由于网络拥塞，服务器收到了1个字节后，recv返回，1秒钟后，数据到来，再次调用recv会收到3个字节。

常规套路：

设定报文边界，一般使用Tag Length Value的格式
recv数据后，若接收缓冲区当前数据长度小于报文内规定长度，则保留当前缓冲区，下次recv数据后重新处理（缓存）
若接收缓冲区数据长度大于等于报文内规定长度，则循环生成生成请求并保留后续多余的数据等待下次recv数据后重新处理（滑窗）

UserData* GameProtocol::raw2request(std::string _szInput)
{
	MultiMsg* pRet = new MultiMsg(); //此时没有用户请求
	szLast.append(_szInput);

	while (1)
	{
		if (szLast.size() < 8)
		{
			break;
		}

		/*在前四个字节中读取消息内容长度*/
		int iLength = 0;
		iLength |= szLast[0] << 0;
		iLength |= szLast[1] << 8;
		iLength |= szLast[2] << 16;
		iLength |= szLast[3] << 24;
		/*中四个字节读类型id*/
		int id = 0;
		id |= szLast[4] << 0;
		id |= szLast[5] << 8;
		id |= szLast[6] << 16;
		id |= szLast[7] << 24;

		/*通过读到的长度判断后续报文是否合法*/
		if (szLast.size() - 8 < iLength)
		{
			/*本条报文还没够，啥都不干*/
			break;
		}

		/*构造一条用户请求*/
		GameMsg* pMsg = new GameMsg((GameMsg::MSG_TYPE)id, szLast.substr(8, iLength)); // iLength是正文的长度
		pRet->m_Msgs.push_back(pMsg);

		/*弹出已经处理成功的报文*/
		szLast.erase(0, 8 + iLength);
	}

	//Debug打印每条请求
	for (auto single : pRet->m_Msgs)
	{
		cout << single->pMsg->Utf8DebugString() << endl;
	}
	return pRet;
}


/*参数来自业务层，待发送的消息
返回值转换后的字节流*/
std::string * GameProtocol::response2raw(UserData & _oUserData)
{
	int iLength = 0;
	int id = 0;
	std::string MsgContent;

	GET_REF2DATA(GameMsg, oOutput, _oUserData);
	id = oOutput.enMsgType;
	MsgContent = oOutput.serialize();
	iLength = MsgContent.size();

	auto pret = new std::string();

	pret->push_back((iLength >> 0) & 0xff);
	pret->push_back((iLength >> 8) & 0xff);
	pret->push_back((iLength >> 16) & 0xff);
	pret->push_back((iLength >> 24) & 0xff);
	pret->push_back((id >> 0) & 0xff);
	pret->push_back((id >> 8) & 0xff);
	pret->push_back((id >> 16) & 0xff);
	pret->push_back((id >> 24) & 0xff);
	pret->append(MsgContent);

	return pret;
}

3.2.8 数据包代码测试

3.2.8.1 完整数据

08000000010000000801120474657374

08 00 00 00 - 前4个字节存储数据消息的长度，变量值是数据消息的长度为8个字节。
01 00 00 00 - 第5-8个字节存储的是用户的ID，变量值表示用户ID是1
08 01 12 04 74 65 73 74 - 末尾8个字节表示数据消息的全部内容
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

3.2.8.2 数据缺失和错误

收到数据以后，啥都不干

在这里插入图片描述

3.2.9 协议和通道相互绑定

3.2.9.1 循环引用的问题

一般地来说，不涉及使用类的成员的时候，尽量避免使用头文件，直接声明一个类即可。

在GameChannel.h中引用了头文件"GameProtocol.h"

#pragma once
#include<ZinxTCP.h>
#include"GameProtocol.h"

class GameChannel :
    public ZinxTcpData
{
public:
    GameChannel(int _fd);
    virtual ~GameChannel();
    GameProtocol * m_proto = NULL; 

};

如果在GameProtocol.h中引用GameChannel.h，则会造成循环引用。
处理办法是，直接在前面声明相关的类。

#pragma once
#include <zinx.h>

class GameChannel;  //避免循环引用

class GameProtocol :
    public Iprotocol
{
    std::string szLast; //上次未来得及处理的报文
public:
    GameChannel* m_channel = NULL;
    GameProtocol() ;
    virtual ~GameProtocol();
};

3.2.9.1 相互绑定的实现

在这里插入图片描述

3.2.9.3 代码测试

	pb::SyncPid* pmsg = new pb::SyncPid();
	pmsg->set_pid(1);
	pmsg->set_username("test");

	GameMsg gm(GameMsg::MSG_TYPE_LOGIN_ID_NAME, pmsg);
	auto output = gm.serialize();

	for (auto byte : output)
	{
		printf("%02X ", byte);
	}
	puts("");

	
	char buff[] = { 0x08, 0x01, 0x12, 0x04 ,0x74, 0x65, 0x73, 0x74 };
	std::string input(buff, sizeof(buff));

	auto ingm = GameMsg(GameMsg::MSG_TYPE_LOGIN_ID_NAME, input);
	std::cout << dynamic_cast<pb::SyncPid*> (ingm.pMsg)->pid() << std::endl;
	std::cout << dynamic_cast<pb::SyncPid*> (ingm.pMsg)->username() << std::endl;

收到数据

07 00 00 00 02 00 00 00 0A 05 68 65 6C 6C 6F

07 00 00 00 - 数据消息的长度是7个字节
02 00 00 00 - 消息ID是2
0A 05 68 65 6C 6C 6F - 转换成string代表"hello"

在这里插入图片描述

3.3 业务层玩家类的创建

3.3.1 在Role中绑定协议

class GameProtocol;

class GameRole :
    public Irole
{
public:
    GameRole() ;
    virtual ~GameRole();

    // 通过 Irole 继承
    virtual bool Init() override;
    virtual UserData* ProcMsg(UserData& _poUserData) override;
    virtual void Fini() override;

    GameProtocol* m_pProto = NULL;
};

3.3.2 在协议中绑定一个role

class GameChannel;  //避免循环引用
class GameRole;
class GameProtocol :
    public Iprotocol
{
    std::string szLast; //上次未来得及处理的报文
public:
    GameChannel* m_channel = NULL;
    GameRole* m_Role = NULL;

    GameProtocol() ;
    virtual ~GameProtocol();

    // 通过 Iprotocol 继承
    virtual UserData* raw2request(std::string _szInput) override;
    virtual std::string* response2raw(UserData& _oUserData) override;
    virtual Irole* GetMsgProcessor(UserDataMsg& _oUserDataMsg) override;
    virtual Ichannel* GetMsgSender(BytesMsg& _oBytes) override;
};

3.3.3 在tcp中绑定协议和玩家对象

ZinxTcpData* GameConnFact::CreateTcpDataChannel(int _fd)
{
/*创建tcp通道对象*/
	auto pChannel = new GameChannel(_fd);
/*创建协议对象*/
	auto pProtocol = new GameProtocol();
	/*创建玩家对象*/
	auto pRole = new GameRole();

	/*绑定协议对象和通道对象*/
	pChannel->m_proto = pProtocol;
	pProtocol->m_channel = pChannel;

	/*绑定协议对象和玩家对象*/
	pProtocol->m_Role = pRole;
	pRole->m_pProto = pProtocol;

/*将协议对象添加到kernel, 注意参数需要为指针*/
	ZinxKernel::Zinx_Add_Proto(*pProtocol);

	/*将玩家对象添加到kernel*/
	ZinxKernel::Zinx_Add_Role(*pRole);
	return pChannel;
}

3.3.4 重写协议层获取角色处理对象

Irole* GameProtocol::GetMsgProcessor(UserDataMsg& _oUserDataMsg)
{
	return m_Role;
}

3.3.5 修改角色Init函数

bool GameRole::Init()
{
	return true;
}

3.3.6 测试代码

/*处理游戏相关的用户请求*/
UserData* GameRole::ProcMsg(UserData& _poUserData)
{
	/*测试：打印消息内容*/
	GET_REF2DATA(MultiMsg, input, _poUserData);

	for (auto single : input.m_Msgs)
	{
		cout << "type is" << single->enMsgType << endl;
		cout << single->pMsg->Utf8DebugString() << endl;
	}

	return nullptr;