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引言一、UDP协议二、UDP网络程序模拟实现1. 预备代码⭕makefile文件⭕打印日志文件⭕打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符

2. UDP 服务器端实现（UdpServer.hpp）3. UDP 客户端实现（main函数）

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引言

在前一篇文章中，我们详细介绍了UDP协议和TCP协议的特点以及它们之间的异同点。本文将延续上文内容，重点讨论简单的UDP网络程序模拟实现。通过本文的学习，读者将能够深入了解UDP协议的实际应用，并掌握如何编写简单的UDP网络程序。让我们一起深入探讨UDP网络程序的实现细节，为网络编程的学习之旅添上一份精彩的实践经验。

一、UDP协议

UDP（User Datagram Protocol）是一种无连接的、轻量级的网络传输协议，它提供了快速、简单的数据传输服务。下面是一个简单的UDP程序实现示例，包括一个UDP服务器和一个UDP客户端。详介绍可以看上一篇文章：UDP协议介绍 | TCP协议介绍 | UDP 和 TCP 的异同

二、UDP网络程序模拟实现

1. 预备代码

⭕makefile文件

<code>.PHONY:all

all:udpserver udpclient

udpserver:Main.cc

g++ -o $@ $^ -std=c++11

udpclient:UdpClient.cc

g++ -o $@ $^ -lpthread -std=c++11

.PHONY:clean

clean:

rm -f udpserver udpclient

这段代码是一个简单的 Makefile 文件，用于编译 UDP 服务器（udpserver）和 UDP 客户端（udpclient）的程序。在这个 Makefile 中定义了两个规则：

all：表示默认的目标，依赖于 udpserver 和 udpclient 目标，即执行 make 命令时会编译 udpserver 和 udpclient。clean：用于清理生成的可执行文件 udpserver 和 udpclient。

在 Makefile 中使用了一些特殊的关键字和变量：

.PHONY：声明 all 和 clean 是伪目标，不是真正的文件名。$@：表示目标文件名。$^：表示所有依赖文件列表。-std=c++11：指定 C++ 的编译标准为 C++11。-lpthread：链接 pthread 库，用于多线程支持。

⭕打印日志文件

#pragma once

#include <iostream>

#include <time.h>

#include <stdarg.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#define SIZE 1024

#define Info 0

#define Debug 1

#define Warning 2

#define Error 3

#define Fatal 4

#define Screen 1

#define Onefile 2

#define Classfile 3

#define LogFile "log.txt"

class Log

{

public:

Log()

{

printMethod = Screen; // 默认输出方式为屏幕打印

path = "./log/"; // 默认日志文件存放路径

}

void Enable(int method)

{

printMethod = method; // 设置日志输出方式（屏幕、单个文件、分类文件）

}

std::string levelToString(int level)

{

switch (level)

{

case Info:

return "Info";

case Debug:

return "Debug";

case Warning:

return "Warning";

case Error:

return "Error";

case Fatal:

return "Fatal";

default:

return "None";

}

}

void printLog(int level, const std::string &logtxt)

{

switch (printMethod)

{

case Screen:

std::cout << logtxt << std::endl; // 屏幕打印日志信息

break;

case Onefile:

printOneFile(LogFile, logtxt); // 将日志信息追加写入单个文件

break;

case Classfile:

printClassFile(level, logtxt); // 将日志信息追加写入分类文件

break;

default:

break;

}

}

void printOneFile(const std::string &logname, const std::string &logtxt)

{

std::string _logname = path + logname; // 构建日志文件的完整路径

int fd = open(_logname.c_str(), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666); // 打开文件，如果文件不存在则创建

if (fd < 0)

return;

write(fd, logtxt.c_str(), logtxt.size()); // 将日志信息写入文件

close(fd);

}

void printClassFile(int level, const std::string &logtxt)

{

std::string filename = LogFile;

filename += ".";

filename += levelToString(level); // 构建分类文件名，例如"log.txt.Debug/Warning/Fatal"

printOneFile(filename, logtxt); // 将日志信息追加写入分类文件

}

~Log()

{

}

void operator()(int level, const char *format, ...)

{

time_t t = time(nullptr);

struct tm *ctime = localtime(&t);

char leftbuffer[SIZE];

snprintf(leftbuffer, sizeof(leftbuffer), "[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]", levelToString(level).c_str(),

ctime->tm_year + 1900, ctime->tm_mon + 1, ctime->tm_mday,

ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);

va_list s;

va_start(s, format);

char rightbuffer[SIZE];

vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), format, s);

va_end(s);

// 格式：默认部分+自定义部分

char logtxt[SIZE * 2];

snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "%s %s", leftbuffer, rightbuffer);

printLog(level, logtxt); // 打印日志信息

}

private:

int printMethod; // 日志输出方式

std::string path; // 日志文件存放路径

};

该代码实现了一个简单的日志记录类(Log)，其中包括设置日志输出方式（屏幕、单个文件、分类文件）和打印日志信息的功能。

Log 类是一个用于记录日志的类。Enable 函数用于设置日志输出方式，可以选择屏幕打印、单个文件或分类文件。printLog 函数根据设置的日志输出方式，将日志信息打印到屏幕、追加写入单个文件或分类文件。printOneFile 函数用于将日志信息追加写入单个文件。printClassFile 函数用于将日志信息追加写入分类文件。levelToString 函数将日志级别转换为对应的字符串表示。operator() 函数是重载的函数调用运算符，用于打印日志信息。path 是日志文件存放路径，默认为"./log/"。printMethod 是日志输出方式，默认为屏幕打印。SIZE 定义了缓冲区大小。Info、Debug、Warning、Error、Fatal 是日志级别的定义。Screen、Onefile、Classfile 是日志输出方式的定义。LogFile 是单个文件名的定义。

⭕打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符

#include <iostream>

#include <string>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

// 定义要打开的终端设备文件路径

std::string terminal = "/dev/pts/6";

// 打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符

int OpenTerminal()

{

// 使用open函数以只写方式打开终端设备文件

int fd = open(terminal.c_str(), O_WRONLY);

if(fd < 0)

{

// 如果打开终端设备文件失败，则输出错误信息到标准错误输出

std::cerr << "open terminal error" << std::endl;

return 1; // 返回错误代码

}

// 将终端设备文件的文件描述符复制给标准错误输出的文件描述符

// 这样标准错误输出就会重定向到指定的终端设备上

dup2(fd, 2);

// 如果需要在此处输出信息到标准错误输出，可以使用printf等函数

// 关闭文件描述符

// close(fd);

return 0; // 返回成功代码

}

这段代码的作用是打开一个终端设备文件 “/dev/pts/6”，将其作为标准错误输出（stderr）的目标文件描述符，实现将错误信息输出到指定的终端设备上。

terminal 变量存储了要打开的终端设备文件路径 “/dev/pts/6”。OpenTerminal 函数尝试打开指定的终端设备文件，并将其作为标准错误输出的目标文件描述符。

首先使用 open 函数打开终端设备文件，以只写方式（O_WRONLY）。如果成功打开终端设备文件，则将其文件描述符复制给标准错误输出的文件描述符（2），即 dup2(fd, 2)，这样标准错误输出就会重定向到该终端设备上。如果打开终端设备文件失败，则输出错误信息到标准错误输出，并返回错误代码 1。最后函数返回0表示成功。

2. UDP 服务器端实现（UdpServer.hpp）

#pragma once

#include <iostream>

#include <string>

#include <strings.h>

#include <cstring>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <functional>

#include <unordered_map>

#include "Log.hpp"

// 使用Log类记录日志信息

Log lg;

enum {

SOCKET_ERR = 1,

BIND_ERR

};

uint16_t defaultport = 8080;

std::string defaultip = "0.0.0.0";

const int size = 1024;

class UdpServer {

public:

UdpServer(const uint16_t& port = defaultport, const std::string& ip = defaultip)

: sockfd_(0), port_(port), ip_(ip), isrunning_(false)

{ }

void Init() {

// 1. 创建UDP socket

sockfd_ = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); // PF_INET

if (sockfd_ < 0) {

lg(Fatal, "socket create error, sockfd: %d", sockfd_);

exit(SOCKET_ERR);

}

lg(Info, "socket create success, sockfd: %d", sockfd_);

// 2. 绑定socket

struct sockaddr_in local;

bzero(&local, sizeof(local));

local.sin_family = AF_INET;

local.sin_port = htons(port_); // 端口号需要转换为网络字节序

local.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_.c_str()); // 将IP地址转换为网络字节序

if (bind(sockfd_, (const struct sockaddr*)&local, sizeof(local)) < 0) {

lg(Fatal, "bind error, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));

exit(BIND_ERR);

}

lg(Info, "bind success, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));

}

void CheckUser(const struct sockaddr_in& client, const std::string clientip, uint16_t clientport) {

// 检查用户是否已经存在在线用户列表中

auto iter = online_user_.find(clientip);

if (iter == online_user_.end()) {

online_user_.insert({ clientip, client});

std::cout << "[" << clientip << ":" << clientport << "] add to online user." << std::endl;

}

}

void Broadcast(const std::string& info, const std::string clientip, uint16_t clientport) {

// 广播消息给所有在线用户

for (const auto& user : online_user_) {

std::string message = "[";

message += clientip;

message += ":";

message += std::to_string(clientport);

message += "]# ";

message += info;

socklen_t len = sizeof(user.second);

sendto(sockfd_, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr*)(&user.second), len);

}

}

void Run() {

isrunning_ = true;

char inbuffer[size];

while (isrunning_) {

struct sockaddr_in client;

socklen_t len = sizeof(client);

// 接收客户端发送的消息

ssize_t n = recvfrom(sockfd_, inbuffer, sizeof(inbuffer) - 1, 0, (struct sockaddr*)&client, &len);

if (n < 0) {

lg(Warning, "recvfrom error, errno: %d, err string: %s", errno, strerror(errno));

continue;

}

// 获取客户端的IP地址和端口号

uint16_t clientport = ntohs(client.sin_port);

std::string clientip = inet_ntoa(client.sin_addr);

// 检查用户是否已经存在在线用户列表中

CheckUser(client, clientip, clientport);

std::string info = inbuffer;

// 将接收到的消息广播给所有在线用户

Broadcast(info, clientip, clientport);

}

}

~UdpServer() {

if (sockfd_ > 0)

close(sockfd_);

}

private:

int sockfd_; // 网络文件描述符

std::string ip_; // 服务器IP地址

uint16_t port_; // 服务器端口号

bool isrunning_; // 服务器运行状态

std::unordered_map<std::string, struct sockaddr_in> online_user_; // 在线用户列表

};

Log.hpp 是用于记录日志信息的头文件。lg 是一个 Log 类的对象，用于输出日志信息。enum 定义了两个错误类型：SOCKET_ERR 和 BIND_ERR，分别表示 socket 创建错误和绑定错误。defaultport 和 defaultip 分别设置默认的端口号和 IP 地址。size 定义接收缓冲区的大小为 1024 字节。UdpServer 类封装了一个 UDP 服务器。构造函数 UdpServer 接受端口号和 IP 地址作为参数，并初始化成员变量。Init 函数用于初始化 UDP 服务器，其中：

创建 UDP socket，并检查创建是否成功。绑定 socket 到指定的 IP 地址和端口号，并检查绑定是否成功。 CheckUser 函数用于检查用户是否已经存在在线用户列表中，如果不存在则将其添加到列表中。Broadcast 函数用于向所有在线用户广播消息，其中：

消息格式为 [发送者IP:发送者端口号]# 消息内容。使用 sendto 函数发送消息给每个在线用户。 Run 函数是 UDP 服务器的主循环，其中：

循环接收客户端发送的消息，并将其广播给所有在线用户。对每个客户端，获取其 IP 地址和端口号，并进行用户检查和消息广播。 ~UdpServer 析构函数关闭网络文件描述符。sockfd_ 是网络文件描述符，用于创建和管理网络连接。ip_ 是服务器的 IP 地址。port_ 是服务器的端口号。isrunning_ 表示服务器的运行状态，用于控制循环退出。online_user_ 是一个无序映射，用于保存在线用户的 IP 地址和对应的 sockaddr_in 结构体。

3. UDP 客户端实现（main函数）

#include <iostream>

#include <cstdlib>

#include <unistd.h>

#include <strings.h>

#include <string.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <pthread.h>

#include "Terminal.hpp"

using namespace std;

// 函数声明：打印程序的使用方法

void Usage(std::string proc);

// 结构体：用于传递线程参数

struct ThreadData

{

struct sockaddr_in server; // 服务器地址结构体

int sockfd; // socket 文件描述符

std::string serverip; // 服务器 IP 地址

};

// 线程函数：接收消息

void *recv_message(void *args);

// 线程函数：发送消息

void *send_message(void *args);

// 主函数

int main(int argc, char *argv[])

{

if (argc != 3)

{

Usage(argv[0]); // 打印使用方法

exit(0);

}

// 解析命令行参数

std::string serverip = argv[1]; // 服务器 IP 地址

uint16_t serverport = std::stoi(argv[2]); // 服务器端口号

// 初始化 ThreadData 结构体

struct ThreadData td;

bzero(&td.server, sizeof(td.server)); // 清零服务器地址结构体

td.server.sin_family = AF_INET; // 设置地址族为 IPv4

td.server.sin_port = htons(serverport); // 设置端口号（转换为网络字节序）

td.server.sin_addr.s_addr = inet_addr(serverip.c_str()); // 设置服务器 IP 地址（转换为网络字节序）

// 创建 UDP socket

td.sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

if (td.sockfd < 0)

{

cout << "socket error" << endl;

return 1;

}

td.serverip = serverip; // 存储服务器 IP 地址

pthread_t recvr, sender; // 定义接收消息和发送消息的线程

pthread_create(&recvr, nullptr, recv_message, &td); // 创建接收消息线程

pthread_create(&sender, nullptr, send_message, &td); // 创建发送消息线程

// 等待接收消息和发送消息的线程退出

pthread_join(recvr, nullptr);

pthread_join(sender, nullptr);

close(td.sockfd); // 关闭 socket

return 0;

}

// 函数实现：打印程序的使用方法

void Usage(std::string proc)

{

std::cout << "\n\rUsage: " << proc << " serverip serverport\n" << std::endl;

}

// 线程函数实现：接收消息

void *recv_message(void *args)

{

ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args); // 强制类型转换为 ThreadData 结构体指针

char buffer[1024]; // 接收消息的缓冲区

while (true)

{

memset(buffer, 0, sizeof(buffer)); // 清空缓冲区

struct sockaddr_in temp;

socklen_t len = sizeof(temp);

ssize_t s = recvfrom(td->sockfd, buffer, 1023, 0, (struct sockaddr *)&temp, &len); // 接收消息

if (s > 0)

{

buffer[s] = 0;

cerr << buffer << endl; // 输出接收到的消息

}

}

}

// 线程函数实现：发送消息

void *send_message(void *args)

{

ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args); // 强制类型转换为 ThreadData 结构体指针

string message; // 存储用户输入的消息

socklen_t len = sizeof(td->server); // 服务器地址的长度

// 发送欢迎消息

std::string welcome = td->serverip + " comming...";

sendto(td->sockfd, welcome.c_str(), welcome.size(), 0, (struct sockaddr *)&(td->server), len);

while (true)

{

cout << "Please Enter@ ";

getline(cin, message); // 获取用户输入的消息

sendto(td->sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, (struct sockaddr *)&(td->server), len); // 发送消息给服务器

}

}

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