C++实战——多人会话聊天室(一)


作者:littlewhite

无他,但手熟尔
——《卖油翁》

任何一门编程语言,要想熟练,唯有多练。即便是读了一千本小说,若不自己写文章,也成不了作家,编程技术更是需要日复一日反复练习,我将自己学习C++过程中的练习经历与大家分享,如果能给其他初学者以帮助,那是最让人感到欣慰的,当然,本人也是初学者,不足之处难免,望高手多多指教

功能概述

多人会话聊天室的练习起源于学习多线程和socket编程,服务端和客户端的大致功能如下:

  • 服务端进程代表一个聊天室,响应多个客户端的请求,客户端以用户名登陆之后,可以发表消息,服务端将消息推送给所有登陆的用户,类似于QQ的讨论组一样的功能
  • 客户端向服务端发起连接,通过特定指令登陆,登陆之后可发表消息。客户端支持的指令包扩
    • login name, 以name为用户名登陆
    • look, 查看当前登陆的所有用户
    • logout, 退出当前用户
    • quit, 退出客户端

本文所有代码在Ubuntu和Mac OS X上编译运行通过,如果是windows用户不保证能编得过。

项目地址 https://github.com/handy1989/chatserver/tree/version1.0.1

实践分析

由于在实践过程中我只保留了最终可运行的版本,所以我这里只给出最终版本的源代码,一些中间状态的代码只会分析一下逻辑。毕竟任何程序都不是一开始就完成所有功能,我也是先从简单功能开始实现,然后一点一点添加。

小试牛刀

先看一下最简单的服务器客户端程序逻辑,这种源代码Google一下到处都是
服务端
1. 调用socket函数建立一个连接,返回一个文件描述符sockfd
2. 调用bind函数将sockfd和服务器地址绑定
3. 调用listen函数,使sockfd可以接受其它连接
4. 调用accept函数,接受客户端的连接,返回这个连接的文件描述符connfd
5. 调用send函数向connfd发送消息
6. 调用recv函数从connfd接受消息

客户端
客户端的逻辑就简单多了
1. 调用socket得到sockfd
2. 调用connect和sockfd建立连接
3. 调用send向sockfd发送消息
4. 调用recv从sockfd接受消息

以上函数具体用法在Linux下都可以通过man手册查到(比如man socket),虽然英文的阅读效率低一点,但绝对是最权威的

这里需要说明一下文件描述符的概念,在Linux下,所有设备、网络套接字、目录、文件,都以file的概念来对待,打开一个对象就会返回一个文件描述符,通过文件描述符就可以实际的去操作对象,比如read, write, close等。其中最典型的文件描述符就是0、1、2,分别代表标准输入、标准输出、标准错误 。

从上面可以看出服务器端和客户端的区别,服务端先创建一个文件描述符sockfd,这个是负责接受客户端的连接请求的,当客户端请求成功后服务端会得到这个连接的一个专属文件描述符connfd,如果有多个客户端,那么这多个客户端的connfd都是不同的,服务端和客户端的消息读写都是通过connfd进行,而客户端和服务端的消息读写都是通过sockfd进行。

客户端实现

客户端逻辑很简单,先建立连接,然后收发消息。但要注意一点,客户端的收发消息并不是同步的,也就是说并不是发一条就收一条,由于是多人会话,即便你不发消息,也有可能收到别人的消息,所以这里需要将收消息和发消息分离,这里我们用多线程来实现,一个线程专门负责接收消息,并将消息打印到屏幕上,一个线程专门读取标准输入,将消息发送出去。

客户端代码见https://github.com/handy1989/chatserver/blob/version1.0.1/client.cpp

服务端实现

根据文章开始给出的服务端功能,我们画出服务端的处理流程图
chatserver
我们在服务端对每个连接建立一个线程,由线程来单独管理和客户端的通信,线程里的处理逻辑就和最简单的服务器客户端模型一样,先接收客户端消息,再给客户端返回信息,不过由于是多人会话,每个客户端发表一条消息,服务端需要给其它所有用户推送消息,这就需要服务端记录登陆进来的所有用户,为了简化,我没有设置密码,并且每次服务端重启后,所有用户信息清零
服务端的数据结构见文件https://github.com/handy1989/chatserver/blob/version1.0.1/chatserver.h,下面分别说明几个关键变量

std::map<int, std::string> m_users;
std::set<std::string> s_users;

m_users用来存储和客户端连接的文件描述符与用户名的对应关系,s_users存储的是所有登陆的用户,也就是m_users的value的集合,为很么还要设置一个s_users呢,因为每次用户登陆的时候需要查找用户是否已注册,而m_users是以文件描述符为key的,查value是否存在不太好操作,于是就将value单独存储起来,便于查找

int connfd_arr[MAX_THREAD_NUM];

connfd_arr存储的时当前连接的文件描述符,设置了一个最大连接数,当有用户连接时,如果连接数超过了最大值,服务端将不会建立线程去通信,否则,服务端会从数组里找一个未被占用的分配给该连接,当线程退出时,数组对应的值会置为-1

typedef void (ChatServer::*p_func)(char *arg, bool &is_logged, int connfd, ChatServer *p_session, std::string &user_name);
std::map<std::string, p_func> m_func;

由于服务端需要根据用户输入的消息来调用相应处理函数,比如login name对应的登录函数,look对应查看用户的函数,所以服务端需要根据字符串去调用一个函数,最简单的实现就是写若干个if语句一一比较,但我们用了一种更优雅的方式,首先我们将所有处理函数定义成一样的类型,也就是参数和返回值都一样,然后定义一个map型变量,key为命令的关键字,如“login”"logout"等等,value就是对应的处理函数的地址,这样我们接收到客户端的消息后,解析出是哪种命令,然后直接查找map得到函数地址,就可以调用对应函数了

服务端和客户端完整代码见https://github.com/handy1989/chatserver/tree/version1.0.1,客户端运行之后的效果如下

这里只是演示了一个用户登录的情况,感兴趣的可以多个客户端同时连接看看效果

小结

本文实现了多人会话的基本功能,服务端通过线程与客户端建立连接,并且自己管理线程,为了简单,线程同步等因素都没有考虑进去。这样做只是为了能尽快对网络通信有个感性的认识,咱又不是想把它做成产品,能运行起来就是最终目的。但是明显的缺陷也摆在这里,比如多线程的管理,accept的阻塞等等,下次将会分享一个基于epoll模型的多人会话聊天室,有了epoll的管理,服务端的代码将会变得清晰而又简洁

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