【并发编程七】进程通信——套接字（socket）_80行代码实现一个聊天软件

一、简介
二、相关知识介绍
- 1、winsock1.h、winsock2.h
- 2、如何使用ws2_32.dll
- 3、WSAStartup() 函数
- 4、socket
- 5、bind
- 5、listen
- 6、accept
- 7、connect
三、聊天软件的代码如下
- 1、服务端
- 2、客户端
四、cmake构建、编译、运行
五、输出
六、c++网络通信的库

前言：
80行代码实现一个聊天软件。
刚写完《【操作系统二】图解TCP/IP模型+实战》、和《【操作系统三】图解网络IO（bio\nio\slect\epoll）》，和网络通信相关的基本都介绍清楚了，所以原本这篇socket通信不想再写了，但是考虑到【并发编程】系列不完整，所以才写了下了这篇。所以本篇文章侧重Windows系统下socket的代码实战（写了一个简单的聊天软件），如果对什么是socket还没有清晰的印象，建议先读上面的两篇文章，然后再看本篇。

一、简介

套接字是什么？基于上面两篇文章，关于socket简单说两句。

四元组
近于应用层和传输控制层。
通过系统调用，返回内核的文件描述符。
阻塞和非阻塞在于，阻塞会在没有消息时会等待，非阻塞在没有消息时会返回一个错误，让程序继续向后运行。

二、相关知识介绍

1、winsock1.h、winsock2.h

WinSock（Windows Socket）编程依赖于系统提供的动态链接库(DLL)，有两个版本：

较早的DLL是 wsock32.dll，对应的头文件为 winsock1.h；
最新的DLL是 ws2_32.dll，对应的头文件为 winsock2.h。

2、如何使用ws2_32.dll

使用 DLL 之前必须把 DLL 链接到当前程序，你可以在编译时链接，也可以在程序运行时链接，我们已在cmake系列《【cmake实战六】如何使用编译的库（动态库dll）——windows系统》、《【cmake实战七】如何使用编译的库（动态库dll）2——windows系统》进行了讲解。

运行时链接

这里使用#pragma命令，在编译时加载：
#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")

编译时链接

target_link_libraries(Client "Ws2_32")

备注：本文使用的是编译时链接。

3、WSAStartup() 函数

使用 DLL 之前，还需要调用 WSAStartup() 函数进行初始化，以指明 WinSock 规范的版本，它的原型为：

parm1:请求的socket版本 2.2、2.1、2.0 ；parm2:传出的参数

int WSAStartup(WORD wVersionRequested, LPWSADATA lpWSAData);

4、socket

socket:创建套接字

parm1: af 地址协议族 ipv4 ipv6
parm2:type 传输协议类型流式套接字（SOCK_STREAM)，数据包套接字（SOCK_DGRAM)
parm3:ptotoc1 使用具体的某个传输协议

SOCKET WSAAPI socket([in] int af,[in] int type,[in] int protocol
);

代码中我们使用的是ipv4,流式、TCP。

5、bind

绑定ip端口号,绑定函数将本地地址与套接字相关联。

int WSAAPI bind([in] SOCKET         s,[in] const sockaddr *name,[in] int            namelen
);

5、listen

侦听函数将套接字置于侦听传入连接的状态。

int WSAAPI listen([in] SOCKET s,[in] int    backlog
);

6、accept

accept 函数允许在套接字上尝试传入连接。
等待客户都链接

SOCKET WSAAPI accept([in]      SOCKET   s,[out]     sockaddr *addr,[in, out] int      *addrlen
);

7、connect

connect 函数建立与指定套接字的连接。
客户端链接服务端。

int WSAAPI connect([in] SOCKET         s,[in] const sockaddr *name,[in] int            namelen
);

详细可以参考微软的官方文档winsock2.h 标头

三、聊天软件的代码如下

客户端和服务端分属于两个进程。（当然，本代码只是仅仅实现了socket客户端和服务端的聊天通信，并不设计到用户信息的注册、多客户端链接等。）

1、服务端

过程
- 初始化
- 创建socket
- 绑定端口号和IP
- 监听端口
- 接收服务端的链接
- 接收数据
main.cpp

#include <winsock2.h>
#include<windows.h>
#include <iostream>
//#pragma comment (lib,"ws2_32.lib") 因为cmake里面我们使用了target_link_libraries(Server "Ws2_32"),所以，在次我们不需要使用静态链接了。否则你需要把这行放开
using namespace std;
int main()
{int errCode = 0;cout << "==============socket server begin start.=============="<<endl;{// step1:初始化套接字版本cout << "begin init socket." << endl;WSADATA wsadata;//wsa 即windows socket async 异步套接字errCode = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsadata);   // parm1:请求的socket版本 2.2、2.1、2.0 ；parm2:传出的参数if(0 != errCode){cout << "init socket version faile" << endl;return -1;}cout << "init socket version sucess" << endl;}SOCKET fd;{// setp2:创建套接字 ,我们使用的是ipv4,流式、TCP//parm1: af 地址协议族 ipv4 ipv6//parm2:type 传输协议类型 流式套接字（SOCK_STREAM)，数据包套接字（SOCK_DGRAM)//parm3:ptotoc1 使用具体的某个传输协议fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);if (INVALID_SOCKET == fd){cout << "create socket faile,get a invalid socket fd." << endl;}cout << "create socket sucess,get a valid socket fd." << endl;//setp2.1需要绑定的参数，主要是本地的socket的一些信息。SOCKADDR_IN addr;addr.sin_family = AF_INET;                           //地址协议族，和创建codket时必须一样。addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //127.0.0.1//addr.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;            //INADDR_ANY:绑定到本地网卡的任意地址addr.sin_port = htons(8888);                         //端口 htons将无符号短整型转化为网络字节序//绑定ip端口号errCode = bind(fd, (SOCKADDR*)&addr, sizeof(SOCKADDR));if (SOCKET_ERROR == errCode){cout << "bind ip port faile" << endl;}cout << "bind ip port sucess" << endl;//step2.3监听listen(fd, 5);cout << "create socket sucess!" << endl << "begin listen..." << endl << endl;}SOCKET fd_server;{//setp3，链接服务端fd_server = accept(fd, NULL, NULL);//于客户端建立链接if (INVALID_SOCKET == fd_server){cout << "fd_server is invalid." << endl;}cout << "fd_server is valid." << endl<<endl;}cout << "==============begin talking.server ==============" << endl;while (1){//step3.1,接收数据char receiveBuf[1024] = { 0 };errCode = recv(fd_server, receiveBuf, 1024, 0);if (errCode <= 0){cout << "receive data faile" << endl;}cout << "receive>: "<<receiveBuf<<endl;char sendBuf[1024] = { 0 };cout << "send>: ";cin.getline(sendBuf, 1024);send(fd_server, sendBuf, 1024, 0);}//关闭服务端的socketclosesocket(fd_server);//关闭closesocket(fd);//关闭WSACleanup();//释放资源return 0;
}

cmakelist

CMAKE_MINIMUM_REQUIRED(VERSION 3.8.0)PROJECT(qq)ADD_EXECUTABLE(Server main.cpp)target_link_libraries(Server "Ws2_32")ADD_SUBDIRECTORY(Client)SET(EXECUTABLE_OUTPUT_PATH "${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib")

2、客户端

过程
- 初始化
- 创建socket
- 链接服务端
- 发送数据
main.cpp

#include <winsock2.h>
#include<windows.h>
#include <iostream>
//#pragma comment (lib,"ws2_32.lib") 因为cmake里面我们使用了target_link_libraries(Server "Ws2_32"),所以，在次我们不需要使用静态链接了。否则你需要把这行放开
using namespace std;
int main()
{int errCode = 0;cout << "==============socket client begin start.==============" << endl;{// step1:初始化套接字版本cout << "begin init socket." << endl;WSADATA wsadata;//wsa 即windows socket async 异步套接字errCode = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsadata);   // parm1:请求的socket版本 2.2、2.1、2.0 ；parm2:传出的参数if (0 != errCode){cout << "init socket version faile" << endl;return -1;}cout << "init socket version sucess" << endl;}SOCKET fd;{// setp2:创建套接字 ,我们使用的是ipv4,流式、TCP//parm1: af 地址协议族 ipv4 ipv6//parm2:type 传输协议类型 流式套接字（SOCK_STREAM)，数据包套接字（SOCK_DGRAM)//parm3:ptotoc1 使用具体的某个传输协议fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);if (INVALID_SOCKET == fd){cout << "create socket faile,get a invalid socket fd." << endl;}cout << "create socket sucess,get a valid socket fd." << endl;//setp2.1需要绑定的参数，主要是本地的socket的一些信息。SOCKADDR_IN addr;addr.sin_family = AF_INET;                           //地址协议族，和创建codket时必须一样。addr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //127.0.0.1//addr.sin_addr.S_un.S_addr = INADDR_ANY;            //INADDR_ANY:绑定到本地网卡的任意地址addr.sin_port = htons(8888);                         //端口 htons将无符号短整型转化为网络字节序//setp3，接收客户端的链接errCode = connect(fd, (SOCKADDR*)&addr, sizeof(SOCKADDR));if (SOCKET_ERROR == errCode){cout << "connect faile" << endl;return -1;}cout << "connect sucess" << endl<<endl;}cout << "==============begin talking.client==============" << endl;while (1){//step3.1,发送数据cout << "send>: ";char sendBuf[1024] = {0};cin.getline(sendBuf,1024);if (SOCKET_ERROR == send(fd, sendBuf, 1024, 0)){cout << "send data error" << endl;return -1;}// step3.2,接收数据char receiveBuf[1024];errCode = recv(fd, receiveBuf, 1024, 0);if (errCode <= 0){cout << "receive data faile" << endl;}cout << "receive>" << receiveBuf << endl;}//关闭客户端的socketclosesocket(fd);//关闭WSACleanup();//释放资源return 0;
}

cmakelist

CMAKE_MINIMUM_REQUIRED(VERSION 3.8.0)SET(TARGET "Client")ADD_EXECUTABLE(Client main.cpp)target_link_libraries(Client "Ws2_32")SET(LIBRARY_OUTPUT_PATH "${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib")
SET(EXECUTABLE_OUTPUT_PATH "${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib")

四、cmake构建、编译、运行

文件目录如下

1、构建

cmake -B build

2、编译
当然，你也可以使用vs手动编译

cmake --build build

3、生成的项目组下图

五、输出

客户端
服务端
客户端、服务端

六、c++网络通信的库

1、c++用途这么广泛的语言，竟然没有一个标准的c++网络库。
2、之前在某位大佬的文章看到，说是c++23或者c++26,可能会把网络通信引入c++标准库。
3、除了本文说的调用系统函数，还可以使用第三方库来实现网络通信。
4、第三方网络库对各个系统的兼容性、和性能未知，所以如果要做跨平台开发的化，可以再多做些调研。

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