Linux 下使用 C++ 实现 UDP 通信的 Socket 编程详解

注意：这里面用的 LOG 是上一章封装过的一个 LOG 类，可以直接拿过来用。

Comm.hpp

#pragma once
#include<iostream>
#define Die(code) exit(code)
#define CONV(v) (struct sockaddr*)(v)
enum{ USAGE_ERR, SOCKET_ERR, BIND_ERR };

InetAddr.hpp

#pragma once
#include"Comm.hpp"
#include<iostream>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
class InetAddr{
private:
    void PortNet2Host(){ _port = ::ntohl(_net_addr.sin_port); }
    void IpNet2Host(){
        //将网络风格转化为字符串风格的
        char ipbuffer[64];
        const char* ip = inet_ntop(AF_INET, &_net_addr.sin_addr, ipbuffer, sizeof(ipbuffer));
        (void)ip;
    }
public:
    InetAddr(){}
    //网络转点分十进制---这里是网络转主机
    InetAddr(const struct sockaddr_in& addr):_net_addr(addr){
        PortNet2Host();
        IpNet2Host();
    }
    InetAddr(uint16_t port):_port(port),_ip(""){
        _port = _net_addr.sin_family = AF_INET;
        _net_addr.sin_port = htons(_port);//这里是主机转网络
        _net_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    }
    struct sockaddr* NetAddr(){ return CONV(&_net_addr); }
    socklen_t NetAddrLen(){ return sizeof(_net_addr); }
    std::string Ip(){ return _ip; }
    std::uint16_t Port(){ return _port; }
    ~InetAddr(){}
private:
    //网络 addr
    struct sockaddr_in _net_addr;
    //网络序列的端口
    uint16_t _port;
    std::string _ip;
};

UdpServer.hpp

#ifndef __UDP_SERVER_HPP__
#define __UDP_SERVER_HPP__
#include"InetAddr.hpp"
#include"Comm.hpp"
#include<iostream>
#include<string>
#include<memory>
#include<sys/socket.h>
#include<sys/types.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<strings.h>
#include<string.h>
#include"Log.hpp"
using namespace lyrics;
const static int gsockfd = -1;
// 这个 ip 表示主机的本地 IP，一般用于做本地通信的
const static std::string gdefaultip = "127.0.0.1";
// 测试用的端口号
const static uint16_t defaultport = 8000;
class UdpServer{
public:
    UdpServer(uint16_t port = defaultport):_sockfd(gsockfd),_addr(port),_isrunning(false){}
    // 1. 初始化服务器----都是套路---UDP 初始化
    void InitServer(){
        // 创建套接字
        _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        // IP？PORT？网络？本地？
        if(_sockfd < 0){
            // 输出致命的错误
            LOG(LogLevel::FATAL)<<"socket: "<<strerror(errno);
            // 创建失败直接结束：Die(SOCKET_ERR);
        }
        LOG(LogLevel::INFO)<<"socket success, sockfd is: "<< _sockfd;
        int n = ::bind(_sockfd, _addr.NetAddr(), _addr.NetAddrLen());
        if(n < 0){
            LOG(LogLevel::FATAL)<<"socket: "<<strerror(errno);
            Die(BIND_ERR);
        }
        LOG(LogLevel::INFO)<<"bind success";
    }
    void Start(){
        _isrunning = true;
        //服务器死循环
        while(true){
            struct sockaddr_in peer;
            socklen_t len = sizeof(peer);
            //必须设定
            char inbuffer[1024];
            ssize_t n = ::recvfrom(_sockfd, inbuffer, sizeof(inbuffer)-1, 0, CONV(&peer), &len);
            //读取消息成功
            if(n > 0){
                InetAddr cli(peer);
                //1. 需要知道消息内容
                inbuffer[n]=0;
                std::string clientinfo = cli.Ip()+":"+ std::to_string(cli.Port())+" # "+ inbuffer;
                LOG(LogLevel::DEBUG)<< clientinfo;
                std::string echo_string = "echo ";
                echo_string += inbuffer;
                //2. 得知道消息是谁发的
                ::sendto(_sockfd, echo_string.c_str(), echo_string.size(), 0, CONV(&peer), sizeof(peer));
            }
        }
        _isrunning = false;
    }
    ~UdpServer(){
        if(_sockfd > gsockfd)
            ::close(_sockfd);
    }
private:
    int _sockfd;
    InetAddr _addr;
    // uint16_t _port; // 服务器未来的端口号
    // 传递进来的是字符串风格的 IP----点分十进制的 IP 地址
    //std::string _ip; // 服务器未来的 ip 地址
    bool _isrunning;// 服务器的运行状态
};
#endif

UdpServer.cc

#include"UdpServer.hpp"
// ./server_udp localip localport
int main(int argc, char* argv[]){
    if(argc != 2){
        std::cerr <<"Usage"<< argv[0]<<"localport"<< std::endl;
        Die(USAGE_ERR);
    }
    //默认输出在显示器上
    ENABLE_CONSOLE_LOG();
    std::unique_ptr<UdpServer> svr_uptr = std::make_unique<UdpServer>(std::stoi(argv[1]));
    svr_uptr->InitServer();
    svr_uptr->Start();
    return 0;
}

客户端

客户端不用封装，只需要创建套接字，然后向目标 IP 和目标端口号发送数据即可。在发送数据的时候需要写成死循环，这样客户端可以一直向服务器发送消息。我们发送一条消息，客户端回一条一模一样的消息，表示服务器接收到了消息。

#include"UdpClient.hpp"
#include"Comm.hpp"
#include<iostream>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<string.h>
#include<cstdlib>
#include<string>
// ./client_udp serverip serverport----客户端需 r 要先知道服务器的端口号和 IP
int main(int argc, char* argv[]){
    if(argc != 3){
        std::cerr <<"Usage"<< argv[0]<<"serverip serverport"<< std::endl;
        Die(USAGE_ERR);
    }
    std::string serverip = argv[1];// 命令行上输入的都是字符串
    uint16_t serverport = std::stoi(argv[2]);
    // 1. 创建套接字
    int sockfd = ::socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if(sockfd < 0){
        std::cerr <<"socket error"<< std::endl;
        Die(SOCKET_ERR);
    }
    // 1.1 填充 server 信息
    struct sockaddr_in server;
    memset(&server, 0, sizeof(server));
    server.sin_family = AF_INET;// 需要调用主机转网络
    server.sin_port = htons(serverport);
    server.sin_addr.s_addr = ::inet_addr(serverip.c_str());
    // 2. client do
    while(true){
        std::cout <<"please Entrer: ";
        std::string message;
        std::getline(std::cin, message);
        int n = ::sendto(sockfd, message.c_str(), message.size(), 0, CONV(&server), sizeof(server));
        (void)n;
        struct sockaddr_in temp;
        socklen_t len = sizeof(temp);
        char buffer[1024];
        n = ::recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer)-1, 0, CONV(&temp), &len);
        if(n > 0){
            buffer[n]=0;
            std::cout << buffer <<std::endl;
        }
    }
    return 0;
}

总结

至此，我们用 C++ 完整实现了一个基于 UDP 的通信流程，从创建 socket、绑定地址，到收发数据、关闭连接，每一步都围绕 Linux 下的 socket 编程核心展开。虽然 UDP 天生'无连接、不可靠'，但正因如此，它在低延迟、高并发场景下依然扮演着重要角色。