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UDP网络套接字编程

news 来源：原创 2024/5/20 14:06:05

先来说说数据在网络上的传输过程吧，我们知道系统其实终究是根据冯诺依曼来构成的，而网络数据是怎么发的呢？

其实很简单，网络有五层。如下：

如上图，我们知道的是，每层对应的操作系统中的那些地方，有些可能说是网络有七层，其实和这个五层一样的。下面我们说说数据是怎么运输的在网络中，如下图：

如上图，其实数据在网络中是自顶向下，然后在通过以太网的网线传输到另一个主机上，在自底向上，就可以收到了，前提是在同一个局域网中，如果不在一个局域网，肯定会经过路由器的，这里就不详细说了，主要说说我们的udp协议。

我们知道了网络的五层，那么每层其实都与对应的协议等。udp协议对应在传输层(运输层)。那么我们来看看如何用udp协议实现套接字编程吧。先来看看代码：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <unordered_set>
#include <unordered_map>
using namespace std;
#define NUM 1024
int main(int argc, char *argv[])
{unordered_map<uint16_t,sockaddr_in> usdate;// 创建套接字int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sock < 0){cout << "sock enrro" << endl;exit(1);}// 绑定sockaddr_in se;memset(&se, 0, sizeof(se));se.sin_family = AF_INET;se.sin_port = htons(atoi(argv[2]));se.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);int ret = bind(sock, (sockaddr *)&se, sizeof(se));if (ret < 0){cout << "bind enrro" << endl;exit(2);}// 服务端    1.0版本// 可以开始读取// sockaddr_in reader;// socklen_t size = sizeof(reader);// char buffer[NUM];// while (true)// {//     ssize_t r = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (sockaddr *)&reader, &size);//     buffer[r] = '\0';//     if (r > 0)//     {//         cout << buffer << endl;//     }//     else//         break;//     sendto(sock, buffer, sizeof(buffer), 0, (sockaddr *)&reader, size);//     memset(buffer, 0, sizeof(buffer));// }// close(sock);// 服务器 2.0版本 实现群聊char buffer[NUM];memset(buffer, 0, NUM);sockaddr_in reader;socklen_t size = sizeof(reader);while (true){ssize_t s = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (sockaddr *)&reader, &size);usdate.insert(make_pair(reader.sin_port, reader));cout << "插入成功" << endl;cout << ntohs(reader.sin_port) <<" "<< inet_ntoa(reader.sin_addr)<< '#' << " "<< ":" << buffer << endl;if (s > 0){for (const auto &e : usdate)sendto(sock, buffer, sizeof(buffer), 0, (sockaddr *)&(e.second), sizeof(e.second));memset(buffer, 0, NUM);}elsebreak;}close(sock);return 0;
}

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
using namespace std;
#define NUM 1024
void *reads(void *args)
{// 线程分离pthread_detach(pthread_self());char buffer[NUM];// 清空buffermemset(buffer, 0, NUM);int *sc = static_cast<int *>(args);sockaddr_in reader;socklen_t len = sizeof(reader);while (true){ssize_t s = recvfrom(*sc, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0, (sockaddr *)&reader, &len);if (s > 0){cout << buffer << endl;memset(buffer, 0, NUM);}elsebreak;}return nullptr;
}
int main(int argc, char *argv[])
{int sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sock < 0){cout << "sock enrro" << endl;exit(1);}char buffer[NUM];memset(buffer, 0, NUM);pthread_t tid;pthread_create(&tid, nullptr, reads, &sock);sockaddr_in clinet;memset(&clinet, 0, sizeof(clinet));clinet.sin_family = AF_INET;clinet.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);clinet.sin_port = htons(atoi(argv[2]));while (true){cout << "你要输入" << endl;cin >> buffer;ssize_t s = sendto(sock, buffer, sizeof(buffer), 0, (sockaddr *)&(clinet), sizeof(clinet));if (s > 0)memset(buffer, 0, NUM);elsebreak;}close(sock);return 0;
}

这是我的服务端和客户端的代码，分了单人聊天和多人聊天。下面就讲解一下吧。

什么是端口号：主机中能表示一个唯一的进程的编号

什么是ip地址：其实ip地址是网络层对应的主机地址。

什么是mac地址：这个网卡的地址，一般出厂的时候就会确定，且不能修改

什么是套接字：IP+端口号

我们首先可以根据套接字找到网络中唯一的一个主机上进程，此处不考虑ip地址重复问题。假设ip地址不重复。所以我们要进行udp套接字编程，首先要创建套接字。也就是我上图代码中的socket这个函数，然后绑定地址和端口，这个就可以用我们main函数中的参数了。创建完套接字和绑定完成以后，我们就可以通信了，我们用的这些函数其实就是系统调用，是udp的一些函数暴露给用户层的系统调用。

大概知道了怎么用udp编程，那么此时有些伙伴可能有些疑问了。我们在系统层面上pid也可以表示进程的唯一性，为啥不用PID表示端口号呢？其实也很简单，原因就是网络层是这么表示的，就好比你的名字一样，在外面大家都叫你名字，回到家家里面的人都叫你小名，一样的道理。

然后就是有些人可能没有理解数据是怎么从下往上，从上往下的。其实很好理解，因我们在写代码的时候，我们是属于用户层的。而我们传输层的系统调用接口，那么说明他这个数据肯定是要进内核的，而我们的另一个主机接收到信息后，我们用的打印函数，又是用户层的，所以就类似于一个轮回。所以这样就可以很好的理解了。

然后就是一些编码的注意事项了，在客户端我用了多线程来实现了读数据和写数据的解耦，这个其实在单人聊天中没什么影响，再多人聊天中就不可以了。假设单人聊天就要先发在读。因为再多人聊天中，我们预期是一个人发，多个人收，如果还是用这个代码的话，那么如果开启服务端的时候，多个人你同时建立连接，那么此时如果有其中一个人发了信息，并且假设其他人都没有发信息，那么此时就会导致其他人卡在写的界面，因为他们没有写，所以没办法读信息。所以此时我们这里必须要实现成多线程，一个写，一个读，读写解耦。两个互不影响。建议使用线程，不用进程，且不说多进程可不可以实现这个功能，就算是实现了，那么此时它的消耗是很大的。(多进程也可以实现这个功能)，如果用多进程，那么此时我们要考虑的是，如何回收这个子进程，肯定不可以阻塞等待，如果用waitpid且不是阻塞等待的话，那么此时我们要写成循环，要不断去检测子进程是否完成任务。或是可以在子进程中在frok，让孙子进程执行任务，子进程退出，此时就会形成孤儿进程，会被1号进程领养，所以不用担心资源泄露，但是这样很明显很麻烦，还不如用线程，且消耗还比进程小。

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