局域网下C++命令行聊天室简易版

利用C++在Linux环境下写了一个简单的命令行聊天服务器。主要用到的技术是socket，I/O复用（epoll），非阻塞IO，进程等知识。下面主要叙述其中的关键技术点以及编写过程中遇到的问题。

0、聊天室的基本功能

编写了一个简单的聊天室程序，该聊天室程序能够让所有的用户同时在线群聊，它分为服务器和客户端两个部分。

• 服务器：接收客户端数据，并将该客户端数据发送给其他登录到该服务器上的客户端。
• 客户端：从标准输入读入数据，并将数据发送给服务器，同时接收服务器发送的数据。

1、服务器端IO模型

采用IO复用+非阻塞IO的模型，IO复用采用Linux下的epoll机制。下面介绍epoll具体的函数。

//实现epoll服务器端需要三个函数。
//1）epoll_create：创建保持epoll文件描述符的空间，即epoll例程，size只是建议的例程大小。
#include<sys/epoll.h>
int epoll_create(int size);//成功时返回epoll文件描述符，失败时返回-1
/**
2)epoll_ctl:向空间注册并且注销文件描述符。
要使用epoll_event结构体：
struct epoll_event{
    __uint32_t events;
    epoll_data_t data;
}
    typedef union epoll_data{
         void * ptr;
         int fd;
         __uint32_t u32;
         __uint64_t u64;
    }epoll_data_t;
这里注意要声明足够大的epoll_event结构体数组后，传递给epoll_eait函数时，发生变化的文件描述符信息被填入该数组。可以直接申明也可以动态分配。
op有三个宏选项：
@EPOLL_CTL_ADD：将文件描述符注册到epoll例程。
@EPOLL_CTL_DEL：从epoll例程中删除文件描述符。
@EPOLL_CTL_MOD：更改注册的文件描述符的关注事件发生情况。
events常用的可以保存的常量以及事件类型。
@EPOLLIN：需要读取数据的情况.
@EPOLLET:以边缘触发的方式得到事件通知。
@EPOLLONESHOT：发生一次事件后，相应文件描述符不在接收事件通知，需要再次设置事件才能继续使用。
/

int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct epoll_event* event);

//成功时返回0，失败时返回-1

int epoll_wait(int wpfd,struct epoll_event* events,int maxevents,int timeout);

//成功时返回发生事件的文件描述符数，失败时返回-1

　　首先epoll_create创建一个epoll文件描述符，底层同时创建一个红黑树，和一个就绪链表；红黑树存储所监控的文件描述符的节点数据，就绪链表存储就绪的文件描述符的节点数据；epoll_ctl将会添加新的描述符，首先判断是红黑树上是否有此文件描述符节点，如果有，则立即返回。如果没有， 则在树干上插入新的节点，并且告知内核注册回调函数。当接收到某个文件描述符过来数据时，那么内核将该节点插入到就绪链表里面。epoll_wait将会接收到消息，并且将数据拷贝到用户空间，清空链表。对于LT模式epoll_wait清空就绪链表之后会检查该文件描述符是哪一种模式，如果为LT模式，且必须该节点确实有事件未处理，那么就会把该节点重新放入到刚刚删除掉的且刚准备好的就绪链表，epoll_wait马上返回。ＥＴ模式不会检查，只会调用一次。

1.1 为什么IO复用需要搭配非阻塞IO？（select/epoll返回可读后还用非阻塞是不是没有意义？）

 问题分析：a、输入过程通常分为两个阶段1）等待数据准备好（等待数据从网络中到达，它被复制到内核中的某个缓冲区）。2）从内核向进程复制数据。

阻塞IO模型和非阻塞IO模型如下：

Linux下五种I/O模型：

阻塞式IO，非阻塞式IO，IO复用，信号驱动式IO，异步IO（aio_系列）；

五种IO模型可以划分为两大类：同步IO（导致请求进程阻塞，直到IO操作完成）和异步IO（不导致请求进程阻塞）；

同步IO：阻塞式IO，非阻塞式IO，IO复用，信号驱动式IO；

异步IO：异步IO；

阻塞式IO，非阻塞式IO，同步IO，异步IO区别：

• 调用阻塞式IO会一直阻塞住对应的进程直到操作完成，而非阻塞式IO在内核还准备数据的情况下会立刻返回，不断轮询数据是否准备好，进程不会进入睡眠。
• 同步IO在IO操作时会阻塞进程，异步IO在IO操作时立即返回，不会阻塞，数据读好后内核通知进程取数据。

b、文件描述符就绪条件有可读，可写或者出现异常。设置非阻塞的方法有两种一种是使用fcntl函数，另一种是通过socket API创建非阻塞的socket。

int fd_sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM|SOCK_NONBLOCK,0);

答：select/epoll返回了可读，并不代表一定能够读取数据，因为在返回可读到调用read函数之间，是有时间间隙的，这段时间内核可能将数据丢失。也有可以多个线程同时监听该套接字，数据也可能被其他线程读取。使用阻塞IO在这种情况下就会一直阻塞进程，而非阻塞IO在没有数据可读的情况下会返回一个错误。

可以参考知乎这个问题  https://www.zhihu.com/question/37271342。

1.2、epoll的条件触发LT和边缘触发ET区别。

答：条件触发方式中，只要输出缓冲中有数据就会一直注册该事件（这次没处理该事件，下次调用epoll_wait还会继续通告该事件）。

边缘触发中输入缓冲收到数据时仅注册一次事件。

边缘触发中，一旦发生输入相关事件，就应该读取输入缓冲中的全部数据，因此需要验证输入缓冲是否为空。read函数返回-1，变量errno中的值为EAGAIN时，说明没有数据可以读。

边缘触发方式下，为什么要将套接字变为非阻塞模式呢？以阻塞方式工作的read&write函数有可能引起服务器端的长时间停顿，没有数据可读，就会一直阻塞进程，所以一定要采用非阻塞的IO函数。

边缘触发的优点是：可以分离接收数据和处理数据的时间点。

1.3、select和epoll的区别

答：select缺点：

1）针对所有文件描述符的循环语句；

2）每次都需要向操作系统传递监视对象信息。

最耗时间的是第二点向操作系统传递监视对象信息。

epoll支持ET模式，而select只支持LT模式。select的优点是：

1）服务器端接入者少的时候适用；

2）兼容性好。

1.4、服务器端发生地址分配错误（提前终止服务器端，重启的时候出现bind() error）

答：原因是先断开的主机需要进过time-wait状态，套接字进过四次挥手最后要发送ACK（A->B）,最后B接收到ACK才会正常关闭，如果没有收到，会超时重传。这个时候相应的端口处于正在使用的状态，所以bind()重新分配相同的IP和port就会出错。

关闭方法：在套接字可选项中更改SO_REUSEADDR状态，将0改为1即可。（客户端是调用connect随机分配IP&port，所以不会出现该错误）

1.5、多个客户端建立连接后，一个客户端突然断开（意外断电），如何在服务器端知道哪个客户端断开了？

答：往一个已经关闭的客户端套接字发送信息，系统会发送SIGPIPE信号，这个信号对应的处理机制是终止、关闭。所以在服务器端需要把SIGPIPE设为SIG_IGN。

但是还需要服务器端移除这个客户端文件描述符，就需要服务器知道哪个客户端挂了，1）服务器端设置socket套接字KEEPALIVE，TCP的长连接，用到心跳机制，就是不断的发送试探包，一定时间没响应就认为断开连接。

在服务器端使用getsockopt得到每个客户端的连接状态（errno），这样就知道哪个客户端出错了。

第二种方法是主流方法：第一次写会正常返回，第二次写就会引发SIGPIPE信号，返回值是-1，并将errno设置为EPIPE，perror打印错误为Broken pipe。可以在服务器注册该信号的处理函数。

2、客户端client

client采用分割读写的方法进行操作，子进程负责发送数据，父进程负责接收数据。

分离流的好处：

1）减低实现难度；

2）与输入无关的输出操作可以提高速度。

    pid_t pid = fork();
    if(pid == 0){//子进程负责写
        write_routine(clntSock,buff);
    }
    else{//父进程负责读
        read_routine(clntSock,buff);
    }

3、具体实现代码。

//utility.h
#ifndef _UTILITY_
#define _UTILITY_
include<sys/types.h>
include<sys/socket.h>
include<arpa/inet.h>
include<stdio.h>
include<stdlib.h>
include<unistd.h>
include<errno.h>
include<string.h>
include<fcntl.h>
include<stdlib.h>
include<sys/epoll.h>
include<list>
include<string>
using namespace std;

/存储客户端文件描述符/

list<int> clientLists;
#define MAX_EVENT_NUMBER 1024
#define BUFF_SIZE 400
/服务器ip/

#define SERVERIP "127.0.0.1"
/端口号(只要在1024~5000都行)/

#define PORT "6666"
/epoll例程大小/

#define EPOLLSIZE 50
#define EXIT "exit"
/

*将文件描述符设置成非阻塞的

*返回文件描述符旧的状态，以便日后恢复该状态标志

/

int setNonBlocking(int fd){

int oldOption = fcntl(fd,F_GETFL);

int newOption = oldOption | O_NONBLOCK;

fcntl(fd,F_SETFL,newOption);

return oldOption;

}
/


将文件描述符fd上的EPOLLIN注册到epollfd指示的内核事件表中


参数enable_et指定是否对fd启用ET模式

/

void addfd(int epollfd,int fd,bool enable_et){

epoll_event event;

event.data.fd = fd;

event.events = EPOLLIN;//主要读取客服端套接字信息

if(enable_et){

event.events |= EPOLLET;

}

setNonBlocking(fd);

epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_ADD,fd,&event);

}

/


服务端向其他客户端发送消息

/

void sendBroadCast(struct epoll_event* waitEvents,int eventsNumber,int epollfd,int listenfd){

int clntSock = 0;

struct sockaddr_in clntAdr;

char buff[BUFF_SIZE];

for(int i = 0;i < eventsNumber;++i){

if(waitEvents[i].data.fd == listenfd){//未建立连接，先建立连接

socklen_t clientLength = sizeof(clntAdr);

clntSock = accept(listenfd,(struct sockaddr) &clntAdr,&clientLength);

addfd(epollfd,clntSock,true);

/第一次connect/

const char message = "welcome join chatting!

";

printf("%d join chatting!!!
",clntSock);

write(clntSock,message,strlen(message));

/将新clientID加入链表/

clientLists.push_back(clntSock);

/向例程中注册事件/

addfd(epollfd,clntSock,true);

}

else{//已经建立连接，需要读取数据,然后发送给其他客户端

clntSock = waitEvents[i].data.fd;

bzero(&buff,strlen(buff));

int strLen = sprintf(buff,"te clientID %d saying: ",clntSock);

strLen += read(clntSock,buff + strLen,BUFF_SIZE);

if(strLen < 0){//客户端读取数据出错

perror("read");

close(clntSock);

exit(-1);

}

else if(strLen == 0){//已经没数据，需要关闭客户端

                epoll_ctl(epollfd,EPOLL_CTL_DEL,clntSock,NULL);

clientLists.remove(clntSock);

close(clntSock);

}

else{

buff[strLen] = 0;

/发送给其他的所有客户端/

if(clientLists.size() == 1){

const char *mess = "Atention!only one client in the chatting room!
";

write(clntSock,mess,strlen(mess));

printf("Atention!only ID %d client in the chatting room!
",clntSock);

}
         printf(</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">saved: %s
</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">,buff);

         list</span>&lt;<span style="color: #0000ff;">int</span>&gt;<span style="color: #000000;"> :: iterator iter;
         </span><span style="color: #0000ff;">for</span>(iter = clientLists.begin();iter != clientLists.end();++<span style="color: #000000;">iter){
             </span><span style="color: #0000ff;">if</span>(*iter ==<span style="color: #000000;"> clntSock){
                 </span><span style="color: #0000ff;">continue</span><span style="color: #000000;">;
             }                
             write(</span>*iter,buff,strLen + <span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">);

         }
     }
 }

}

}


#endif

//server.cpp
#include"utility.h"
int main(){

int err = 0;

char buff[BUFF_SIZE];

struct sockaddr_in servAddr;

bzero(&servAddr,sizeof(servAddr));

servAddr.sin_family = AF_INET;

inet_aton(SERVERIP,&servAddr.sin_addr);//将字符串IP地址转化为32位整数型数据

servAddr.sin_port = htons(atoi(PORT));
</span><span style="color: #008000;">/*</span><span style="color: #008000;">监听套接字描述符</span><span style="color: #008000;">*/</span>
<span style="color: #0000ff;">int</span> listenfd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,<span style="color: #800080;">0</span><span style="color: #000000;">);
</span><span style="color: #0000ff;">if</span>(listenfd == -<span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">){
    perror(</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">listenfd</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">);
    exit(</span><span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">);
}
</span><span style="color: #008000;">/*</span><span style="color: #008000;">更改服务器套接字的time_wait状态</span><span style="color: #008000;">*/</span>
<span style="color: #0000ff;">int</span> option = <span style="color: #800080;">0</span><span style="color: #000000;">;
socklen_t optlen;
optlen </span>= <span style="color: #0000ff;">sizeof</span><span style="color: #000000;">(option);
option </span>= <span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">;
setsockopt(listenfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,(</span><span style="color: #0000ff;">void</span>*)&amp;<span style="color: #000000;">option,optlen);

</span><span style="color: #008000;">/*</span><span style="color: #008000;">分配IP地址和端口号</span><span style="color: #008000;">*/</span><span style="color: #000000;">
err </span>= bind(listenfd,(<span style="color: #0000ff;">struct</span> sockaddr*)&amp;servAddr,<span style="color: #0000ff;">sizeof</span><span style="color: #000000;">(servAddr));
</span><span style="color: #0000ff;">if</span>(err == -<span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">){
    perror(</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">bind</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">);
    exit(</span><span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">);
}
</span><span style="color: #008000;">/*</span><span style="color: #008000;">转化为可接受请求转态</span><span style="color: #008000;">*/</span><span style="color: #000000;">
err </span>= listen(listenfd,<span style="color: #800080;">10</span><span style="color: #000000;">);
</span><span style="color: #0000ff;">if</span>(err == -<span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">){
    perror(</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">listen</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">);
    exit(</span><span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">);
}

</span><span style="color: #0000ff;">int</span> epfd =<span style="color: #000000;"> epoll_create(EPOLLSIZE);    
</span><span style="color: #0000ff;">struct</span> epoll_event waitEvents[MAX_EVENT_NUMBER]; <span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;">预留足够大的空间来存储后面发生变化的事件，也可以使用动态分配  </span>

<span style="color: #008000;">/*</span><span style="color: #008000;">注册监听套接字</span><span style="color: #008000;">*/</span><span style="color: #000000;">
addfd(epfd,listenfd,</span><span style="color: #0000ff;">true</span><span style="color: #000000;">);    

</span><span style="color: #008000;">/*</span><span style="color: #008000;">监测文件描述符的变化</span><span style="color: #008000;">*/</span>
<span style="color: #0000ff;">int</span> eventsNumber = <span style="color: #800080;">0</span><span style="color: #000000;">;    
</span><span style="color: #0000ff;">while</span>(<span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">){  
    eventsNumber </span>= epoll_wait(epfd,waitEvents,EPOLLSIZE,-<span style="color: #800080;">1</span>);<span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;">一直等待事件的发生，除非出错返回</span>
    <span style="color: #0000ff;">if</span>(eventsNumber == -<span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">){
        perror(</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">eventsNumber</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">);
        exit(</span><span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">);
    }        
    sendBroadCast(waitEvents,eventsNumber,epfd,listenfd);</span><span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;">将waitEvents当作平常的数组，数组名就是指针</span>

    }

close(listenfd);

close(epfd);

return 0;

}

#include"utility.h"
void read_routine(int clntSock,char *buf);

void write_routine(int clntSock,char *buf);
int main(){

int clntSock;

char buff[BUFF_SIZE];

clntSock = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);
</span><span style="color: #0000ff;">if</span>(clntSock == -<span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">){
    perror(</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">clntSock</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">);
    exit(</span><span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">);
}
</span><span style="color: #0000ff;">struct</span><span style="color: #000000;"> sockaddr_in servAdr;
bzero(</span>&amp;servAdr,<span style="color: #0000ff;">sizeof</span><span style="color: #000000;">(servAdr));
servAdr.sin_family </span>=<span style="color: #000000;"> AF_INET;
inet_aton(SERVERIP,</span>&amp;servAdr.sin_addr);<span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;">将字符串IP地址转化为32位整数型数据</span>
servAdr.sin_port =<span style="color: #000000;"> htons(atoi(PORT));

</span><span style="color: #0000ff;">int</span> err = connect(clntSock,(<span style="color: #0000ff;">struct</span> sockaddr*)&amp;servAdr,<span style="color: #0000ff;">sizeof</span><span style="color: #000000;">(servAdr));
</span><span style="color: #0000ff;">if</span>(err == -<span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">){
    perror(</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #800000;">connect</span><span style="color: #800000;">"</span><span style="color: #000000;">);
    exit(</span><span style="color: #800080;">1</span><span style="color: #000000;">);
}

pid_t pid </span>=<span style="color: #000000;"> fork();
</span><span style="color: #0000ff;">if</span>(pid == <span style="color: #800080;">0</span>){<span style="color: #008000;">//</span><span style="color: #008000;">子进程负责写</span>

        write_routine(clntSock,buff);

}

else{//父进程负责读

        read_routine(clntSock,buff);

}

close(clntSock);

return 0;

}
void read_routine(int clntSock,char *buf){

while(1){

int strLen = read(clntSock,buf,BUFF_SIZE);

if(strLen == 0){

return;

}

buf[strLen] = 0;

printf("%s",buf);

}

}
void write_routine(int clntSock,char *buf){

while(1){

fgets(buf,BUFF_SIZE,stdin);

if(!strcmp(buf,"exit
")){

shutdown(clntSock,SHUT_WR);

return;

}

write(clntSock,buf,strlen(buf));

}

}

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