实验1：利用Socket编写一个聊天程序

0. 摘要

本次实验利用C++语言，编写了基于$TCP$的流式$SOCKET$的简易聊天室。利用$Winsock2.h$头文件编写了一个$WIN32$平台下的程序。该程序可以完成指定人数聊天室的创建，程序主要分为服务器端和客户端，服务器端负责接收客户端消息，解析报文，并将其转发至对应的接收者。在客户端程序中利用多线程编程，可以使消息的收和发之间不相互影响，可以连续发送多条消息，也可以连续接收多条消息。

1. 聊天协议说明

文字编码方式

为了支持中文和英文，使用UNICODE编码

报文格式

本次实验进行了报文格式的简要设计，其内容为发送方+接收方+消息内容，在传输过程中采用字符串char*格式，为了方便解析，我还定义了msg_form类，方便报文内容的提取：

class msg_form
{
public:

	char from_name;//发送方标号
	char to_name;//接收方
	char msg[BUF_SIZE];//消息内容

注：本次实验只是简要设计，没有加入帧校验码等其它内容，并且只用了一个字节代表不同的客户端。在实际操作过程中，不同的客户端应用不同IP地址和端口号区分。

为了方便msg_form和char*之间的转换，定义了两个函数

char* msg_to_string(msg_form a);//用字符串存储报文
msg_form string_to_msg(char a[]);//将字符串恢复成类

通过类型转换，我们可以更加方便快捷的设置和提取报文中的信息

聊天过程

设置聊天室人数CLIENTNUM
先开启服务器端(server.cpp)，建立socket，绑定ip和端口号，进入监听模式进行等待
开启客户端程序，设置相关信息，对服务器发出connect请求
服务器accept客户端的连接请求，并建立专属的连接通道，返回给客户端编号信息，等到达到预设的聊天人数即可开始聊天
客户端每次输入的消息格式为收信方编号+消息内容，在发送之前，该字符串前会被添加上发送者的编号。所以实际sendBuf中的内容为发送和编号+收信方编号+消息内容
服务器接收到信息后进行解析得到目的地址（本次程序简化为编号而不是ip），并有针对性的进行转发
当用户想要退出聊天室时，输入任意编号+quit即可退出程序，当服务端检测到在线人数为0时，自动退出程序

2. 编程程序说明

本程序基于WinSock2.h进行编写，并且需要链接ws2_32.lib库到此项目中

#include <WinSock2.h>//windows socket 编程头文件
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")//链接ws2_32.lib库文件到此项目中

加载socket库，并约定使用的socket版本，对其进行初始化

//加载socket库
WSADATA wsaData;
//MAKEWORD(2.2),成功返回0
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0)
{
    cout << "socket初始化失败" << endl;
    return 0;
}

创建socket

//创建一个socket，并将该socket绑定到一个特定的传输层
SOCKET sockSer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);//地址类型（ipv4），服务类型（流式套接字）

对端口和ip地址进行初始化

ip地址可以是本机或者其它任意可以ping通的地址

//初始化地址
SOCKADDR_IN addrSer
addrSer.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.89.1");//本机ip地址中的一个
addrSer.sin_family = AF_INET;//使用ipv4
addrSer.sin_port = htons(PORT);//指定端口号，这是PORT=6666（可以打开的任意端口即可）

server端需要将socket和ip、端口等内容进行绑定，当bind函数返回值为-1时，说明绑定出错

为例方便赋值，addrSer声明时为SOCKADDR_IN类型，但是SOCKADDR内全部为char类型类型更*方便传输**

)
if (bind(sockSer, (SOCKADDR*)&addrSer, sizeof(SOCKADDR)) == -1)
cout << "bind error" << endl;//强制类型转换，SOCKADDR_IN方便赋值 SOCKADDR方便传输

server端使用listen函数进入监听模式，client发起connect请求，server端以此进行accept，同时server端可以统计连接client数目，并为client分配标号

SOCKET sockConn[CLIENTNUM];//在宏定义中声明CLIENTNUM为2，可以修改宏为多个

//server
for (int i = 0; i < CLIENTNUM; i++)
	{
		listen(sockSer, 5);
    	//为每个客户端分配一个socket连接，将客户端的相关信息存储在addrCli中
		sockConn[i] = accept(sockSer, (SOCKADDR*)&addrCli, &len);
		if (sockConn[i] != INVALID_SOCKET)//成功建立socket
		{
			cond++;//人数加一
			cout << "用户" << i << "进入聊天" << endl;
			char buf[12]="你的id是：";
			buf[10] = 48 + i;//简化，最多九个人
			buf[11] = 0;
			send(sockConn[i], buf, 50, 0);
		}
		
	}

//client
cout << "connecting" << endl;
//发出连接请求,addrSer是服务器端的ip地址和端口号
sockCli = connect(sockClient, (SOCKADDR*)&addrSer, sizeof(SOCKADDR));
if (sockCli != SOCKET_ERROR)
{
    cout << "connected" << endl;
    while (1)
    {
        char recvBuf[BUF_SIZE] = {};
        //接受服务器端分配的编号
        recv(sockClient, recvBuf, 50, 0);
        if (recvBuf[0])
        {
            cout << recvBuf << endl;
            //将char型编号转为int格式存储
            ID = recvBuf[10] - 48;
            break;
            Sleep(30);//防止循环快速执行，占用大量资源
        }
    }
}

当连接人数达到预设数量时，可以开始聊天

server端负责接收client发来的消息，解析目的地址并进行转发，为了可以同时接收到不同客户端发来的消息，这里使用多线程编程使得for循环内的线程可以同时执行并使用while(1)不断循环执行收发线程，为了减小CPU的负担，设置每个转发线程结束后要等待200ms。

while (1)
		{
		for (int i = 0; i < CLIENTNUM; i++)
		{
			//线程函数
			hThread = CreateThread(NULL, NULL, handlerRequest, LPVOID(i), 0, &dwThreadId);
            //等待
			WaitForSingleObject(hThread, 200);
            //线程资源释放
			CloseHandle(hThread);
			}
		if (!cond)break;//退出程序，后续详细介绍
}

函数参数是在连接时服务器为客户端分配的编号，

DWORD WINAPI handlerRequest(LPVOID lparam)
{	
    //指定一个socket通道（即指定接收一个客户端发来的消息）
	SOCKET sockettemp = sockConn[(int)lparam];
    //生成局部变量recvBuf，并初始化为全0
	char recvBuf[BUF_SIZE] = {};
    //接收client发来的消息
	recv(sockettemp, recvBuf, 1000, 0);
    //如果第一个字符不是'\0’即接收到了消息
	if (recvBuf[0])
	{
		cout << recvBuf << endl;
        //将字符串转为消息格式
		msg_form m = string_to_msg(recvBuf);
        //读取目的地址
		int id = m.to_name-48;
		cout << id << endl;
        //进行对应的消息转发
		send(sockConn[id], recvBuf, 50, 0);
      //退出程序，后面详述
		if (!strcmp(m.msg, "quit"))
{
			cout << "用户" << (int)lparam << "退出聊天" << endl;
			cond--; if (!cond)return 0;
		}
	}
	return 0;
}

对于client端，由于消息的收发没有顺序，且用户从键盘输入信息会造成阻塞，所以需要将消息的收和发放在两个不同的线程里，同样，将线程函数放在while(1)循环中以不断执行。

//线程
HANDLE hThread1, hThread2;
DWORD dwThreadId1, dwThreadId2;

while (1)//不断循环知道用户输入quit命令
{
    //发送消息线程
    hThread1 = CreateThread(NULL, NULL, handlerRequest1, LPVOID(sockClient), 0, &dwThreadId1);
    //接收消息线程
    hThread2 = CreateThread(NULL, NULL, handlerRequest2, LPVOID(sockClient), 0, &dwThreadId2);
    //延迟
    WaitForSingleObject(hThread1, 200);
    WaitForSingleObject(hThread2, 200);
    //释放线程资源
    CloseHandle(hThread2);
    CloseHandle(hThread1);
    //退出
    if (cond) break;
}

发送消息线程，注意，用户输入消息时，第一位应为消息接收方编号，然后程序自动为其在缓冲区首部添加发送方编号

DWORD WINAPI handlerRequest1(LPVOID lparam)
{	
    //初始化两个buffer全部为0
	char sendBuf[BUF_SIZE] = {};
	char buffer[BUF_SIZE] = {};
    //接收传进线程函数的参数
	SOCKET socketClient = (SOCKET)(LPVOID)lparam;
    //使用getline函数，防止因为空格等字符终止读入
	cin.getline(buffer, 2048, '\n');
    //发送的消息第一位为发送方编号
	sendBuf[0] = ID + 48;
    //用户从键盘输入消息时，第一位为消息接收方编号
	strcat(sendBuf, buffer);
    //发送消息
	send(socketClient, sendBuf, 2048, 0);
	//分析将要发送的字符串
	msg_form m = string_to_msg(sendBuf);
    //如果message部分是quit则退出程序
	if (!strcmp(m.msg, "quit") || !strcmp(buffer, "quit"))
		cond = 1;
	return 0;
}

接收消息线程

DWORD WINAPI handlerRequest2(LPVOID lparam)
{
    //初始化接收消息缓冲区为全0
	char recvBuf[BUF_SIZE] = {};
    //接收参数
	SOCKET socketClient = (SOCKET)(LPVOID)lparam;
	//接收发来的消息
	recv(socketClient, recvBuf, 2048, 0);
    //如果消息不为空
	if (recvBuf[0])
	{
        //对消息进行解析和打印
		msg_form m = string_to_msg(recvBuf);
		cout << m.from_name << ": " << m.msg << endl;
	}
	return 0;
}

程序的退出

对于client端，需要由用户手动输入quit指令，为了简化代码，这里依然要使用编号+quit格式，但是编号可以是任意的一位数字

//状态码
int cond;//在全局变量区声明，初值为0

//消息发送函数
DWORD WINAPI handlerRequest1(LPVOID lparam)
{
	......
    //如果消息为“quit，则修改状态码为1
	if (!strcmp(m.msg, "quit") )
		cond = 1;
	return 0;
}

int main()
{
    ......
    while (1)
    {
         hThread1 = CreateThread(NULL, NULL, handlerRequest1, LPVOID(sockClient), 0, &dwThreadId1);
            ......
        //主线程检测到cond值为1，则退出程序
     	if (cond) break;
    }
    //关闭socket连接
    closesocket(sockClient);
    //终止Winsock 2 DLL (Ws2_32.dll) 的使用
	WSACleanup();
	return 0;
}

对于server端，如果需要服务器常开则不需要退出程序，也可以设置为当所有客户端均断开连接时退出

这里对后者的代码进行展示

int cond;//全局数据区，初始化为0

在accept函数执行成功时，执行cond++，当所有客户端都成功连接时，cond==CLIENTNUM

//转发函数
DWORD WINAPI handlerRequest(LPVOID lparam)
{
	......
        //解析到客户端发来的消息为0
        if (!strcmp(m.msg, "quit"))
        {
            cout << "用户" << (int)lparam << "退出聊天" << endl;
            //已连接数量-1
            cond--; if (!cond)return 0;
        }
	return 0;
}

if (cond == CLIENTNUM)
	{
		cout << CLIENTNUM << " clients have connected" << endl;
		while (1)
		{
		......//转发
        //当主线程检测到在线人数为0时，退出程序
		if (!cond)break;
		}
	}
closesocket(sockSer);
WSACleanup();
return 0;