C++网络程序设计

在C++网络编程中，使用Berkeley Sockets API是一种常见的方法来实现跨平台的TCP通信。Berkeley Sockets API最初是在UNIX系统上开发的，但它已经被广泛移植到其他操作系统，包括Windows。

示例代码

client.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>#ifdef _WIN32
#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // Winsock 库
typedef int socklen_t;
#else
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#define closesocket close
#endifconst int PORT = 8080;
const int BUFFER_SIZE = 1024;void initialize_sockets()
{
#ifdef _WIN32WSADATA wsa;if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsa) != 0){std::cerr << "Failed to initialize Winsock" << std::endl;exit(EXIT_FAILURE);}
#endif
}void cleanup_sockets()
{
#ifdef _WIN32WSACleanup();
#endif
}int main()
{initialize_sockets();int server_fd, new_socket;struct sockaddr_in server_addr, client_addr;char buffer[BUFFER_SIZE] = {0};// 创建套接字server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (server_fd == -1){std::cerr << "Socket creation failed" << std::endl;cleanup_sockets();return -1;}// 初始化服务器地址结构server_addr.sin_family = AF_INET;server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;server_addr.sin_port = htons(PORT);// 绑定套接字到端口if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0){std::cerr << "Bind failed" << std::endl;closesocket(server_fd);cleanup_sockets();return -1;}// 监听连接if (listen(server_fd, 3) < 0){std::cerr << "Listen failed" << std::endl;closesocket(server_fd);cleanup_sockets();return -1;}std::cout << "Server listening on port " << PORT << std::endl;socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);// 接受客户端连接new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);if (new_socket < 0){std::cerr << "Accept failed" << std::endl;closesocket(server_fd);cleanup_sockets();return -1;}// 读取客户端消息int valread = recv(new_socket, buffer, BUFFER_SIZE, 0);if (valread > 0){std::cout << "Message from client: " << buffer << std::endl;}// 发送回应const char *response = "Hello from server";send(new_socket, response, strlen(response), 0);std::cout << "Response sent to client" << std::endl;// 关闭套接字closesocket(new_socket);closesocket(server_fd);cleanup_sockets();return 0;
}

server.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>#ifdef _WIN32
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // Winsock 库
typedef int socklen_t;
#else
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#define closesocket close
#endif#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // 确保链接 Winsock 库int main()
{// 初始化 WinsockWSADATA wsaData;if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0){std::cerr << "Failed to initialize Winsock." << std::endl;return -1;}// 创建套接字int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (server_fd == INVALID_SOCKET){std::cerr << "Socket creation failed." << std::endl;WSACleanup();return -1;}// 设置地址结构struct sockaddr_in address;address.sin_family = AF_INET;         // 使用 IPv4 协议address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 允许接受来自任何地址的连接address.sin_port = htons(8080);       // 监听8080端口// 绑定套接字if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0){std::cerr << "Bind failed." << std::endl;closesocket(server_fd);WSACleanup();return -1;}// 监听套接字if (listen(server_fd, 3) < 0){std::cerr << "Listen failed." << std::endl;closesocket(server_fd);WSACleanup();return -1;}std::cout << "Listening on port 8080..." << std::endl;// 接受连接int addrlen = sizeof(address);int client_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen); // 接受连接if (client_socket == INVALID_SOCKET){std::cerr << "Accept failed" << std::endl;closesocket(server_fd);WSACleanup();return -1;}const char *message = "Hello from server";send(client_socket, message, strlen(message), 0); // 发送数据std::cout << "Message sent to client" << std::endl;// 关闭通信套接字closesocket(client_socket);// 关闭监听套接字closesocket(server_fd);// 清理 WinsockWSACleanup();return 0;
}

通过系统API

示例代码实现了无关操作系统（Windows 和 Linux）的网络通信，下面我们将对代码从上到下进行逐步解释（只分析服务器端代码，客户端代码类似）：

跨平台开发的问题

Windows和Linux都提供了各自用于网络通信的API，其中大部分都一致，但是还是有一些函数名和头文件名等细节上的不同，为了能够做到跨平台开发，需要开发者注意到这些细节。

• 头文件：Linux 和 Windows 的头文件不同，Windows 需要包含 Winsock2.h 和初始化 Winsock。
• 网络库的链接：在 Windows 上需要链接 ws2_32.lib。
• 系统特有函数：如 close() 和 closesocket() 的差异。

在c++中，可以通过宏处理的方法，来规范化不同系统间的差异，编写出一套通用的代码。

// 处理跨平台的头文件和函数差异
#ifdef _WIN32
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") // Winsock 库
typedef int socklen_t;
#else
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#define closesocket close
#endif

ws2_32.lib 是 Winsock 库 的静态链接库文件，Winsock 是 Windows 操作系统提供的用于网络通信的接口。通过在代码中包含 #pragma comment(lib, "ws2_32.lib")，编译器会自动链接这个库，使得你的程序可以使用 Winsock 提供的网络编程功能，如创建套接字、绑定端口、监听连接等。

主函数部分

 WSADATA wsaData;

我们点进去看WSADATA结构体的定义如下：

发现，宏判断上下几乎没有区别，只是顺序改变。那么这么做是为了什么？

为了提高效率，实现内存对齐

在不同架构的系统中（如32位和64位系统）调整结构体成员的定义顺序主要是为了优化内存对齐和减少内存占用。这种优化在性能敏感的应用中尤为重要。以下是具体原因：

1. 内存对齐：

• 处理器访问内存时具有特定的对齐要求。例如，在某些处理器上，访问4字节数据时，其地址必须是4的倍数。
• unsigned short 是2字节的，而 char* 通常是4字节（在32位系统上）或8字节（在64位系统上）。
• 如果结构体成员的定义顺序不当，可能会导致结构体中出现“填充”字节（即未使用的字节），以满足处理器的对齐要求。这会增加结构体的大小，从而浪费内存。

2. 内存占用：

• 在64位系统中，char* 是8字节的。如果 char* 之前的成员是 unsigned short（2字节），为了对齐 char*，编译器会在 unsigned short 之后插入6字节的填充字节。
• 通过调整成员的顺序，可以减少这些填充字节的数量，从而减小结构体的总大小，提高内存使用效率。

具体到你提供的代码：

• 64位系统：

  unsigned short  iMaxSockets;
  unsigned short  iMaxUdpDg;
  char        *lpVendorInfo;
  

  • iMaxSockets 和 iMaxUdpDg 是两个 unsigned short，总共4字节。
  • lpVendorInfo 是一个 char*，在64位系统中是8字节。
  • 这样的顺序可以避免在 lpVendorInfo 前面插入填充字节。

• 非64位系统：

  char        szDescription[WSADESCRIPTION_LEN+1];
  char        szSystemStatus[WSASYS_STATUS_LEN+1];
  unsigned short  iMaxSockets;
  unsigned short  iMaxUdpDg;
  char        *lpVendorInfo;
  

  • szDescription 和 szSystemStatus 是字符数组，通常以字节对齐。
  • unsigned short 在32位系统中是2字节，排列在字符数组之后可以减少填充字节的使用。
  • lpVendorInfo 在32位系统中是4字节的指针，排列在两个 unsigned short 之后可以更好地利用内存对齐。

通过调整结构体成员的顺序，可以减少内存中的填充字节，提高内存使用效率，从而优化程序的性能。

if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
{std::cerr << "Failed to initialize Winsock." << std::endl;return -1;
}

WSAStartup函数：

• 作用: 初始化Winsock库，使其可以使用。

• 参数:

  • MAKEWORD(2, 2)：这是一个宏，用于创建一个16位的版本号。MAKEWORD函数将两个8位的值组合成一个16位的值。在这里，2, 2表示Winsock的版本2.2。

  • 使用MAKEWORD(2, 2)将这两个值组合成一个16位的值，表示Winsock版本2.2。具体来说：

    • 2（低位字节）表示次版本号。
    • 后一个2（高位字节）表示主版本号。

    通过这种方式，MAKEWORD(2, 2)生成的值是0x0202，这正是Winsock版本2.2的表示。

  • &wsaData：指向WSADATA结构体的指针，用于接收关于Winsock实现的信息。

• 返回值：如果初始化成功，返回0；如果失败，返回一个错误代码。

// 创建套接字int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (server_fd == INVALID_SOCKET){std::cerr << "Socket creation failed." << std::endl;WSACleanup();return -1;}

• socket函数：
  • 作用: 创建一个新的套接字。
  • 参数:
    • AF_INET：指定地址族为IPv4。(改为AF_INET就是IPv6)
    • SOCK_STREAM：指定套接字类型为TCP流套接字。(SOCK_DGRAM是DUP流套接字)
    • 0：指定协议为默认协议（对于TCP，通常是IP协议）。
  • 返回值：如果成功，返回一个套接字描述符；如果失败，返回INVALID_SOCKET。
  • 唯一标识套接字：
    • 每个套接字在创建时都会被分配一个唯一的套接字描述符。这个描述符在整个程序中用于引用该套接字，确保所有的网络操作（如绑定、监听、连接、发送和接收数据等）都是针对正确的套接字进行的。
• INVALID_SOCKET常量：
  • 在Winsock中，INVALID_SOCKET是一个特殊的值，用于表示套接字创建失败。它通常定义为-1。
• 错误处理：
  • 如果socket函数返回INVALID_SOCKET，表示套接字创建失败。此时，程序输出错误信息到标准错误流（std::cerr），并调用WSACleanup()函数来清理Winsock资源。
  • WSACleanup()函数用于释放Winsock库占用的资源，确保程序不会因未释放资源而导致内存泄漏或其他问题。
  • 最后，程序返回-1，表示异常退出。

// 设置地址结构
struct sockaddr_in address;
address.sin_family = AF_INET;         // 使用 IPv4 协议
address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; // 允许接受来自任何地址的连接
address.sin_port = htons(8080);       // 监听8080端口
// 绑定套接字
if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0)
{std::cerr << "Bind failed." << std::endl;closesocket(server_fd);WSACleanup();return -1;
}

• bind函数：
  • 作用: 将套接字与特定的网络地址和端口关联起来。
  • 参数:
    • server_fd：套接字描述符，表示要绑定的套接字。
    • (struct sockaddr *)&address：指向sockaddr结构体的指针，该结构体包含了要绑定的地址信息。sockaddr是一个通用的地址结构体，可以转换为特定的地址结构体（如sockaddr_in用于IPv4，sockaddr_in6用于IPv6）。
    • sizeof(address)：address结构体的大小，确保bind函数知道要处理的地址信息的长度。
  • 返回值：如果绑定成功，返回0；如果失败，返回-1。
• 错误处理：
  • 如果bind函数返回-1，表示绑定失败。此时，程序输出错误信息到标准错误流（std::cerr），并执行以下操作：
    • 调用closesocket(server_fd)关闭套接字，释放与套接字相关的资源。
    • 调用WSACleanup()清理Winsock库，释放Winsock库占用的资源。
    • 返回-1，表示程序异常退出。

// 监听套接字
if (listen(server_fd, 3) < 0)
{std::cerr << "Listen failed." << std::endl;closesocket(server_fd);WSACleanup();return -1;
}
std::cout << "Listening on port 8080..." << std::endl;

• listen函数：
  • 作用: 使套接字进入监听状态，以便接受客户端的连接请求。
  • 参数:
    • server_fd：套接字描述符，表示要监听的套接字。这个套接字应该已经通过socket()函数创建，并且已经通过bind()函数绑定到特定的网络地址和端口。
    • 3：表示监听队列的长度，即服务器可以同时处理的最大连接请求数量。在这个例子中，服务器可以同时处理3个连接请求。如果新的连接请求到来时队列已满，客户端将收到连接拒绝的错误。
  • 返回值：如果监听成功，返回0；如果失败，返回-1。
• 错误处理：
  • 如果listen函数返回-1，表示监听失败。此时，程序输出错误信息到标准错误流（std::cerr），并执行以下操作：
    • 调用closesocket(server_fd)关闭套接字，释放与套接字相关的资源。
    • 调用 WSACleanup();函数清理Winsock库（在Windows平台上），释放Winsock库占用的资源。
    • 返回-1，表示程序异常退出。

// 接受连接
int addrlen = sizeof(address);
int client_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t *)&addrlen); // 接受连接
if (client_socket == INVALID_SOCKET)
{std::cerr << "Accept failed" << std::endl;closesocket(server_fd);WSACleanup();return -1;
}

• accept函数：
  • 作用: 从监听套接字中接受一个连接请求，并创建一个新的套接字用于与客户端通信。
  • 参数:
    • server_fd：监听套接字的描述符。这个套接字应该已经通过socket()函数创建，并且已经通过bind()函数绑定到特定的网络地址和端口，并且已经调用listen()函数进入监听状态。
    • (struct sockaddr *)&address：指向sockaddr结构体的指针，用于接收客户端的地址信息。sockaddr是一个通用的地址结构体，可以转换为特定的地址结构体（如sockaddr_in用于IPv4）。
    • (socklen_t *)&addrlen：指向socklen_t类型的指针，表示客户端地址结构体的大小。accept函数会更新这个值为实际接收到的客户端地址的大小。
  • 返回值：如果接受连接成功，返回一个新的套接字描述符，用于与客户端进行通信；如果失败，返回INVALID_SOCKET。
• 错误处理：
  • 如果accept函数返回INVALID_SOCKET，表示接受连接失败。此时，程序输出错误信息到标准错误流（std::cerr），并执行以下操作：
    • 调用closesocket(server_fd)关闭监听套接字，释放与套接字相关的资源。
    • 调用WSACleanup()函数清理Winsock库，释放Winsock库占用的资源。
    • 返回-1，表示程序异常退出。

const char *message = "Hello from server";
send(client_socket, message, strlen(message), 0); // 发送数据
std::cout << "Message sent to client" << std::endl;

发送信息调用send函数,参数分别是

• accept函数返回的（用于通信的通信套接字）client_socket
• 字符串message
• 字符串的长度
• flag标志位

send函数的flags参数

send函数的原型如下：

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

• sockfd：套接字描述符，表示要发送数据的套接字。
• buf：指向要发送的数据缓冲区的指针。
• len：要发送的数据的长度（以字节为单位）。
• flags：控制发送操作的标志位。可以是以下标志的组合：

常用的flags标志位

• 0：默认值，表示没有特殊标志。
• MSG_DONTWAIT：在非阻塞套接字上，如果数据无法立即发送，则立即返回，而不是等待。在阻塞套接字上，这个标志通常没有效果。
• MSG_OOB：发送带外数据（out-of-band data）。带外数据是一种特殊的数据传输机制，用于传输紧急数据。
• MSG_NOSIGNAL：不生成信号。在某些情况下，发送操作可能会导致信号的生成（如SIGPIPE），这个标志可以抑制这些信号。
• MSG_EOR：指示数据包的结束。对于某些协议（如记录协议），这个标志可以用来指示数据包的结束。
• MSG_DONTROUTE：不使用路由表，直接将数据发送到本地网络。这个标志通常用于本地网络通信。

// 关闭通信套接字
closesocket(client_socket);
// 关闭监听套接字
closesocket(server_fd);
// 清理 Winsock
WSACleanup();

Boost.Asio

特点：

• 跨平台：Boost.Asio 是跨平台的库，可以很容易地在 Windows、Linux、macOS 等操作系统上使用。
• 高性能：支持异步和同步操作，能够处理大量的并发连接。
• 灵活性：提供多种网络协议和传输方式的支持，包括 TCP、UDP、ICMP 等。
• 社区支持：作为 Boost 库的一部分，拥有庞大的用户基础和丰富的文档资源。
• 易于集成：可以方便地与现有的 C++ 项目集成。

示例：

#include <boost/asio.hpp>
#include <iostream>using boost::asio::ip::tcp;int main() {try {boost::asio::io_context io_context;tcp::resolver resolver(io_context);tcp::resolver::results_type endpoints =resolver.resolve("example.com", "http");tcp::socket socket(io_context);boost::asio::connect(socket, endpoints);boost::asio::streambuf request;std::ostream request_stream(&request);request_stream << "GET / HTTP/1.1\r\n";request_stream << "Host: example.com\r\n";request_stream << "Accept: */*\r\n";request_stream << "Connection: close\r\n\r\n";boost::asio::write(socket, request);boost::asio::streambuf response;boost::asio::read_until(socket, response, "\r\n");std::istream response_stream(&response);std::string http_version;response_stream >> http_version;unsigned int status_code;response_stream >> status_code;std::string status_message;std::getline(response_stream, status_message);if (!response_stream || http_version.substr(0, 5) != "HTTP/") {std::cerr << "Invalid response\n";return 1;}if (status_code != 200) {std::cerr << "Response returned with status code ";std::cerr << status_code << "\n";return 1;}std::cout << "Response:\n";std::cout << &response;} catch (std::exception& e) {std::cerr << "Exception: " << e.what() << "\n";}return 0;
}