Linux下使用c++实现聊天室

Linux使用c++我们会使g++来编码，使用gdb工具进行代码调试。同时在大型项目中，我们编写makefile来自动化编译。

知识点

• 使用 g++ 编译器编译代码
• 使用 gdb 进行调试
• 编写 makefile

 首先明确c++编译过程分为四个阶段：预处理 编译 汇编 链接

预处理负责 宏定义的替换、条件编译、将include头文件展开到正文。

编译负责将源码转换成汇编代码。

汇编负责将汇编代码转成可重定位的目标二进制文件。

链接 负责将所有的目标文件连接起来，进行符号解析和重定位，最后生成可执行文件。

g++ test.cpp

安装 gdb

1.

wget http://ftp.gnu.org/gnu/gdb/gdb-8.0.1.tar.gz

tar -zxvf gdb-8.0.1.tar.gz

cd gdb-8.0.1/ ./configure

make

sudo make install

gdb -v

2.

sudo apt install gdb

编译时要加入-g 参数

为了能使用 gdb 调试，我们在用 g++ 编译时要将 -g 参数加上，如：

g++ -g -o test a.cpp b.cpp

gdb 常用调试命令

以前面“多文件编译”的程序为例，我们可使用如下命令进入 gdb 调试：

gdb test

常用的调试命令有：

l：查看代码
b 5：在程序的第 5 行添加断点
info break：查看断点
r：开始运行
s：进入函数内部
n：进入下一步
finish：跳出函数内部
c：运行到下一个断点

编写 makefile 进行自动编译

在大型项目中有大量的源代码文件，我们不可能每次都逐个敲 g++ 命令来进行编译，而是采用编写 makefile 的方式来进行自动编译，提高效率。

和创建源代码文件一样，我们可以直接用 vi 编辑器来创建 makefile，如下：

vi makefile

makefile 的一般格式如下：

目标名1：依赖文件1，依赖文件2，依赖文件3
    g++ 编译命令
目标名2：依赖文件4，依赖文件5
    g++ 编译命令

         其中目标名可以由自己定义，也可以是一个文件的名字；依赖文件就是说要达成这个目标所需要的文件。 仍以前面的“多文件编译”代码为例，我们可以写出如下的 makefile 文件（注意：makefile 文件中要使用 tab 键，不能使用空格键，否则会报错）：

target:a.cpp b.o
    g++ -o test a.cpp b.o
b.o:b.cpp
    g++ -c b.cpp

可以看出，target 依赖于 a.cpp 和 b.o，而 b.o 依赖于 b.cpp，因此编译时发现 b.cpp 更新了的话就会先执行后面的命令来更新 b.o。

保存好 makefile 文件之后，我们用命令行输入 make 即可进行自动编译：

快速清理目标文件

有时候我们想要删掉 makefile 产生出来的所有目标文件，如果逐个去删显得过于麻烦，因此我们可以借助 make clean。

仍然是在前面的 makefile 文件中修改，在后面补上一个 clean：，以及相应的清除命令：

target:a.cpp b.o
    g++ -o test a.cpp b.o
b.o:b.cpp
    g++ -c b.cpp
.PHONY:clean
clean:
    rm *.o
    rm test

 这样当我们在命令行执行 make clean 就可删掉所有目标文件。

服务器和客户端进行简单的 TCP 通信

        在 TCP/IP 四层参考模型中，从上往下有四种层次：应用层、传输层、网络层、网络接口层。TCP 是传输层中重要的一项协议，也是我们常用的进程间通信方式，因此掌握 C++ 中的 TCP 套接字网络编程十分重要。

知识点

• 计算机网络传输层基础知识
• TCP 套接字网络编程

传输层的作用 

传输层的根本目的是在网络层提供的数据通信服务基础上，实现主机的进程间通信的可靠服务。

有以下两个要点：为位于两个主机内部的两个应用进程之间提供通信服务、提供可靠的通信服务。

套接字

“套接字”表示一个 IP 地址与对应的一个端口号。例如，一个 IP 地址为 172.31.75.8 的客户端使用 8050 端口号，那么标识客户端的套接字为“172.31.75.8:8050”。

端口号

端口号为 0-65535 之间的整数，有 3 种类型：熟知端口号、注册端口号、临时端口号。

熟知端口号：给每种服务器分配确定的全局端口号。每个用户进程都知道相应的服务器进程的熟知端口号，范围为 0-1023，它是统一分配和控制的。

注册端口号：在 IANA 注册的端口号，数值范围为 1024-49151。

临时端口号：客户端程序使用临时端口号，它是运行在客户端上的 TCP/IP 软件随机选取的，范围为 49152-65535。

我们平时进行网络编程时服务器最好使用注册端口号，而客户端的端口号则是系统随机分配的，即临时端口号。

UDP 用户数据报协议

UDP 协议主要有以下一些特点：

• 无连接的：发送数据之前不需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的时延。
• 尽最大努力交付：即不保证可靠交付，因此主机不需要维持复杂的连接状态表。
• 面向报文的：UDP 对应用层传递下来的报文，既不合并，也不拆分，而是保留这些报文的边界。UDP 对于应用程序提交的报文，添加头部后就向下提交给网络层。
• 没有拥塞控制：网络出现的拥塞时，UDP 不会使源主机的发送速率降低。这对某些实时应用是很重要的，很适合多媒体通信的要求。
• 支持多对多的交互通信

UDP 的适用场景：

• 适用于少量（几百个字节）的数据。
• 对性能的要求高于对数据完整性的要求，如视频播放、P2P、DNS 等。
• 需要“简短快捷”的数据交换 简单的请求与应答报文交互，如在线游戏。
• 需要多播和广播的应用，源主机以恒定速率发送报文，拥塞发生时允许丢弃部分报文，如本地广播、隧道 VPN。

TCP 传输控制协议

用 C++ 进行 TCP 套接字网络编程

        网络编程中我们一般会使用 C/S 架构，即包含服务器端和客户端。

        TCP 网络编程的服务器端

        服务器端一般先用 socket 创建一个套接字，然后用 bind 给这个套接字绑定地址（即 ip+端口号），然后调用 listen 把这个套接字置为监听状态，随后调用 accept 函数从已完成连接队列中取出成功建立连接的套接字，以后就在这个新的套接字上调用 send、recv 来发送数据、接收数据，最后调用 close 来断开连接释放资源即可。

        过程如下：

TCP 网络编程的客户端

        与服务器不同，客户端并不需要 bind 绑定地址，因为端口号是系统自动分配的，而且客户端也不需要设置监听的套接字，因此也不需要 listen。客户端在用 socket 创建套接字后直接调用 connect 向服务器发起连接即可，connect 函数通知 Linux 内核完成 TCP 三次握手连接，最后把连接的结果作为返回值。成功建立连接后我们就可以调用 send 和 recv 来发送数据、接收数据，最后调用 close 来断开连接释放资源。

完整流程

TCP 网络编程的整体流程如下图所示：

TCP 网络编程的相关数据结构

地址结构：

struct sockaddr_in {
    short int sin_family; 
    unsigned short int sin_port; 
    struct in_addr sin_addr; 
    unsigned char sin_zero[8];
};

上述结构体涉及到的另一个结构体 in_addr 如下：

struct in_addr {
    unsigned long s_addr;
};

TCP 网络编程各函数的定义

int socket( int domain, int type,int protocol)

int bind(int sockfd,struct sockaddr* my_addr,int addrlen)

int listen(int sockfd,int backlog)

int accept(int sockfd, structsockaddr *addr, int *addrlen)

int send(int sockfd, const void * data, int data_len, unsigned int flags)

int recv(int sockfd, void *buf, intbuf_len,unsigned int flags)

close(int sockfd)

int connect(int sockfd,structsockaddr *server_addr,int sockaddr_len)

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    //定义sockfd
    int server_sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);

    //定义sockaddr_in
    struct sockaddr_in server_sockaddr;
    server_sockaddr.sin_family = AF_INET;//TCP/IP协议族
    server_sockaddr.sin_port = htons(8023);//端口号
    server_sockaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");//ip地址，127.0.0.1是环回地址，相当于本机ip

    //bind，成功返回0，出错返回-1
    if(bind(server_sockfd,(struct sockaddr *)&server_sockaddr,sizeof(server_sockaddr))==-1)
    {
        perror("bind");//输出错误原因
        exit(1);//结束程序
    }

    //listen，成功返回0，出错返回-1
    if(listen(server_sockfd,20) == -1)
    {
        perror("listen");//输出错误原因
        exit(1);//结束程序
    }

    //客户端套接字
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t length = sizeof(client_addr);

    //成功返回非负描述字，出错返回-1
    int conn = accept(server_sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &length);
    if(conn<0)
    {
        perror("connect");//输出错误原因
        exit(1);//结束程序
    }
    cout<<"客户端成功连接n";

    //接收缓冲区
    char buffer[1000];

    //不断接收数据
    while(1)
    {
        memset(buffer,0,sizeof(buffer));
        int len = recv(conn, buffer, sizeof(buffer),0);
        //客户端发送exit或者异常结束时，退出
        if(strcmp(buffer,"exit")==0 || len<=0)
            break;
        cout<<"收到客户端信息："< 
 
 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    //定义sockfd
    int sock_cli = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);

    //定义sockaddr_in
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;//TCP/IP协议族
    servaddr.sin_port = htons(8023);  //服务器端口
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");  //服务器ip

    //连接服务器，成功返回0，错误返回-1
    if (connect(sock_cli, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
    {
        perror("connect");
        exit(1);
    }
    cout<<"连接服务器成功！n";

    char sendbuf[100];
    char recvbuf[100];
    while (1)
    {
        memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
        cin>>sendbuf;
        send(sock_cli, sendbuf, strlen(sendbuf),0); //发送
        if(strcmp(sendbuf,"exit")==0)
            break;
    }
    close(sock_cli);
    return 0;
}
 
多线程客户端
 
我们前面几次实验所使用的客户端都是单线程的，只具有发送功能，但一个具备聊天功能的客户端应该同时具备发送和接收信息的功能，因此我们需要使用多线程来实现客户端，一个线程可以接收消息并打印，另一个线程可以输入信息并发送
 
知识点
 
多线程客户端设计
TCP 套接字网络编程
C++ 11 的 thread 库使用
面向对象程序设计思想
 
 
 
具体要求
 
把前面实验的客户端升级为多线程客户端（一个线程用于接收并打印信息、一个线程用于输入并发送信息），为前面实验的多线程服务器添加自动回复客户端的代码，用一个终端运行服务器程序，多个终端运行客户端程序，多个客户端都能发送信息送达服务器并收到服务器的应答，并将应答打印到客户端终端上，当用户在客户端输入 exit 时，要结束两个线程之后再结束客户端进程。
 
编写一个客户端类 client ，有发送线程和接收线程，可以同时发送消息和接收消息。
要编写多个源代码文件：client 头文件给出 client 类声明、client.cpp 给出类方法具体实现、test_client.cpp 中编写主函数创建 client 实例对象并测试。
当用户在客户端输入 exit 时，要结束发送线程和接收线程之后才退出主线程。
服务器程序要在实验 3 的基础上进行一定修改，能够回复消息。
编写 Makefile 进行自动编译，使用 git 管理版本。
 客户端应先 connect 服务器建立连接，成功连接之后就创建发送线程和接收线程，与服务器类的设计同理，我们需要将发送线程和接收线程的函数设为静态成员函数，发送线程和接收线程中都使用 while(1) 的循环结构，循环终止的条件是用户输入了 exit 或者对端关闭了连接。
 
 
 
添加用户注册功能
 
        在前面的实验中，我们已经将服务器和客户端的多线程框架建立好了，接下来可以开始实现具体的业务逻辑，我们在这次实验中将尝试加入用户注册的功能，在客户端为用户提供注册的选项，并将用户注册的账号、密码发送到服务器端，并保存在服务器的 MySQL 数据库中。
 
 
知识点
 
MySQL 数据库基础知识
使用 SQL 语句操作数据库
C++ 连接数据库并进行操作
        数据库一般分为关系型数据库和非关系型数据库，关系型数据库有我们常见的 MySQL、Oracle 等，非关系型数据库有 Redis 等。
 
特点
 
关系型数据库是用二维表格模型来组织数据信息的数据库。MySQL 实际上是一个关系数据库管理系统，在这个系统里面可以有多个数据库，每个数据库中可以有多张表，每张表中可以有多列属性和多行数据。
 
 比如我们要添加用户注册功能，就可以创建一个专用的数据库，在数据库中建一张叫 USER 的表，表中包含用户名 NAME 和密码 PASSWORD 两列属性，然后下面的若干行就是具体的数据，如下：
 
 
 
 
SQL 结构化查询语言
 
SQL 即结构化查询语言，是一种数据库查询语言，用来管理关系数据库系统，以及对数据进行增删查改等操作。
 
Linux 下启动 MySQL
 
我们实验所用的桌面容器已经安装好了 MySQL，因此不需要自己安装。
 
首先启动 MySQL 服务，如下：
 
sudo service mysql start
 
C++连接 MySQL 的环境配置
 
更新源并安装 dev 组件：
 
sudo apt update
sudo apt install -y libmysqlclient-dev
 
安装完毕之后查看 /usr/include/mysql 目录下，是否有 mysql.h 文件，如果有的话就说明安装成功：
 
ls /usr/include/mysql|grep mysql.h
 
 
 
要求
 
在之前实验的服务器客户端代码中增添用户注册的功能，在客户端为用户提供注册的选项，并将用户注册的账号、密码发送到服务器端，并保存在服务器的 MySQL 数据库中。
 
在服务器本地 Mysql 中创建新数据库 ChatProject，库中有一张表叫 USER，该表中有账号 NAME 和密码 PASSWORD 两项属性。
为客户端添加注册功能，让用户注册账号密码，客户端将注册信息发送到服务器端，注意：当用户注册时应输入两次密码，如果密码不一致需要重新输入。
服务器端接收来自客户端的注册信息，将用户的账号、密码写入本地 Mysql 数据库。
要面向对象编程，进行类封装。
 
 
具体实现
 
首先在 MySQL 控制台创建数据库 ChatProject，如下：
 
create database ChatProject;