C++实现及时通信软件

转自实验楼教程：C++实现即时通信软件

1 知识储备

1.1 C/S模型

服务器端：

1. socket()创建监听Socket
2. bind()绑定服务器端口
3. listen()监听客户端连接
4. accept()接受连接
5. recv/send接收及发送数据
6. close()关闭socket

客户端：

1. socket()创建监听Socket
2. connect()连接服务器
3. recv/send接收及发送数据
4. close()关闭socket

1.2 TCP服务端通信的常规步骤

1. 使用socket()创建TCP套接字（socket）
2. 将创建的套接字绑定到一个本地地址和端口上（Bind）
3. 将套接字设为监听模式，准备接收客户端请求（listen）
4. 等待客户请求到来: 当请求到来后，接受连接请求，返回一个对应于此次连接的新的套接字（accept）
5. 用accept返回的套接字和客户端进行通信（使用write()/send()或send()/recv() )
6. 返回，等待另一个客户请求
7. 关闭套接字

1.3 TCP客户端通信的常规步骤

1. 创建套接字（socket）
2. 使用connect()建立到达服务器的连接（connect)
3. 客户端进行通信（使用write()/send()或send()/recv())
4. 使用close()关闭客户连接

1.4 阻塞与非阻塞socket

通常的，对一个文件描述符指定的文件或设备, 有两种工作方式: 阻塞与非阻塞方式。

1. 阻塞方式是指： 当试图对该文件描述符进行读写时，如果当时没有数据可读，或者暂时不可写，程序就进入等待状态，直到有东西可读或者可写为止。
2. 非阻塞方式是指： 如果没有数据可读，或者不可写，读写函数马上返回，而不会等待。

举个例子来说，比如说小明去找一个女神聊天，女神却不在。如果小明舍不得走，只能在女神大门口死等着，当然小明可以休息。当女神来了，她会把你唤醒（囧，因为挡着她门了），这就是阻塞方式。如果小明发现女神不在，立即离开，以后每隔十分钟回来看一下（采用轮询方式），不在的话仍然立即离开，这就是非阻塞方式，在他离开的十分钟内可以干别的事情。

1.5 epoll

当服务端的在线人数越来越多，会导致系统资源吃紧，I/O效率越来越慢，这时候就应该考虑epoll了。epoll是Linux内核为处理大批句柄而作改进的poll，是Linux特有的I/O函数。其特点如下：

1. epoll是Linux下多路复用IO接口select/poll的增强版本。其实现和使用方式与select/poll有很多不同，epoll通过一组函数来完成有关任务，而不是一个函数。
2. epoll之所以高效，是因为epoll将用户关心的文件描述符放到内核里的一个事件表中，而不是像select/poll每次调用都需要重复传入文件描述符集或事件集。比如当一个事件发生（比如说读事件），epoll无须遍历整个被侦听的描述符集，只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入就绪队列的描述符集合就行了。
3. epoll有两种工作方式，LT(level triggered)：水平触发和ET(edge-triggered)：边沿触发。LT是select/poll使用的触发方式，比较低效；而ET是epoll的高速工作方式（本项目使用epoll的ET方式）。

通俗理解就是，比如说有一堆女孩，有的很漂亮，有的很凤姐。现在你想找漂亮的女孩聊天，LT就是你需要把这一堆女孩全都看一遍，才可以找到其中的漂亮的（就绪事件）；而ET是你的小弟（内核）将N个漂亮的女孩编号告诉你，你直接去看就好，所以epoll很高效。另外，还记得小明找女神聊天的例子吗？采用非阻塞方式，小明还需要每隔十分钟回来看一下（select）；如果小明有小弟（内核）帮他守在大门口，女神回来了，小弟会主动打电话，告诉小明女神回来了，快来处理吧！这就是epoll。

2 需求分析

最简单聊天室的群聊，线程池、多线程编程、超时重传确认收包等都不涉及，考虑有两个以下程序

1. 服务器：能接受新的客户端的连接，并将每个客户端发过来的消息发给所有其他的客户端
2. 客户端：能够连接服务器，并向服务器发送消息，同时接收服务器发过来的任何消息

3 抽象与细化

需求中的角色非常简单，同时功能也很简单，所以我们只需要根据功能角色设计客户端类和服务端类。

其中客户端类我们需要支持下面几个功能：

1. 连接服务器
2. 支持用户输入聊天消息，发送消息给服务器
3. 接收并显示服务器的消息
4. 退出连接

针对上述需求，客户端的实现需要两个进程分别支持下面的功能：

子进程的功能：

1. 等待用户输入聊天信息
2. 将聊天信息写到管道（pipe），并发送给父进程

父进程的功能：

1. 使用epoll机制接受服务端发来的信息，并显示给用户，使用户看到其他用户的聊天信息
2. 将子进程发给的聊天信息从管道（pipe）中读取, 并发送给服务端

服务端类需要支持：

1. 支持多个客户端接入，实现聊天室基本功能
2. 启动服务建立监听端口等待客户端连接
3. 使用epoll机制实现并发，增加效率
4. 客户端连接时发送欢迎消息并存储连接记录
5. 客户端发送消息时广播给其他所有客户端
6. 客户端请求退出时对连接信息进行清理

4 代码结构

1. Common.h：公共头文件，包含所需的所有宏定义及socket网络编程头文件
2. Client.h， Client.cpp：客户端类实现。
3. Server.h，Server.cpp：服务端类实现。
4. ClientMain.cpp ServerMain.cpp：客户端及服务端的主函数。

5 实现

1. Common.h
2. Client.h
3. Client.cpp
4. Server.h
5. Server.cpp
6. ClientMain.cpp
7. ServerMain.cpp