C++socket编程.doc

第3章 网络应用3.1 网络编程基础多媒体技术与网络技术的结合，使得网络生活变得多姿多彩。从此，网络生活很迷人；网络改变了和改变着人们原本的生活方式。姑且认为DirectShow是单机的多媒体技术，一旦融合了网络技术，DirectShow更显现了它强大的生命力。本章将着重介绍DirectShow技术在网络方面的应用。网络编程，当然要用到Windows Socket（套接字）技术。Socket相关的操作由一系列API函数来完成，比如socket、bind、listen、connect、accept、send、sendto、recv、recvfrom等。调用这些API函数有一定的先后次序，有些函数的参数还比较复杂，对于开发者来说，不是很好用。于是，微软的MFC提供了两个类：CAsyncSocket和CSocket，极大地方便了Socket功能的使用。这两个类的继承关系如图3.1。图3.1 MFC Socket类的继承关系CAsyncSocket类在较低层次上封装了Windows Socket API，并且通过内建一个（隐藏的）窗口，实现了适合Windows应用的异步机制（Windows Socket API默认情况下工作在阻塞模式，不方便直接在消息驱动的Windows程序上使用）。CSocket类从CAsyncSocket类派生，进一步简化了Socket功能的应用。不过很遗憾，正因为这两个类都内建了一个窗口，它们并不是线程安全的（thread-safe）；如果要在多线程环境下应用Socket功能，建议自行封装Socket API函数。使用Socket传输数据主要有两种方式：TCP传输和UDP传输。（OSI参考模型将网络通信分成7个层次，从低往上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层；TCP和UDP均是传输层的协议。）下面，就分别来介绍这两种数据传输方式。提示：本章在介绍网络通信双方的时候，会使用两组关键词：服务器-客户机和本地端-远程端。其中，服务器-客户机是根据角色来界定的；而本地端-远程端是一个相对概念，依据不同的参照物，可以分别表示不同的角色。比如以服务器为参照物，可以称服务器为本地端，称客户机为远程端；而如果以客户机为参照物，可以称客户机为本地端，称服务器为远程端。3.1.1 TCP传输TCP，Transfer Control Protocol的缩写（传输控制协议），是一种面向连接的网络传输协议。TCP协议的特点是，支持多数据流操作，提供流控和错误控制，甚至能完成对乱序到达报文的重新排序等。因此，TCP提供了可靠的应用数据传输服务。通信双方使用TCP传输的一般过程参考如图3.2。图3.2 TCP通信的一般过程本节将要实现一个TCP传输的演示程序TCPDemo，它包括服务器和客户机两个部分。它们的程序界面如图3.3。图3.3 TCP传输演示程序界面TCPDemo的演示过程如下：（1）将服务器和客户机两部分程序都运行起来（此时服务器已经启动了侦听客户机连接请求的子线程，侦听端口号为10028）。（2）在客户机程序界面上输入服务器的IP地址（如果服务器和客户机运行在同一台机器上，IP地址可以指定为）、侦听端口号（因为服务器在10028端口上侦听，这里也应该指定为10028）。（3）点击客户机程序界面上的“Connect”按钮，向服务器发送Socket连接请求。（4）服务器侦听到有客户机的连接请求后便接受它（于是在两个程序之间就建立了一条可靠的Socket连接）。然后服务器会向客户机发送两次字符串数据。（5）客户机接收到数据后，弹出两次如图3.4的消息框。图3.4 TCP传输客户机接收到数据后显示的消息框提示：TCPDemo为什么使用10028作为TCP通信的端口号？因为TCP数据包的TCP头结构中，使用了16位的域来表示一个端口号。因此，有65536个可能的端口号。不过，0-1023是周知口（众所周知的端口，比如80是超文本传输协议http的端口，25是简单邮件传输协议smtp的端口，20和21是文件传输协议ftp的端口等），比1023大的端口号通常被称为高端口号。应用程序一般使用高端口号提供自己的通信服务。TCPDemo使用10028端口是偶然的，只要比1023大就可以了。TCPDemo在具体实现时，设计了一个CTCPListener类专门用于服务器对特定TCP端口的侦听。另外，设计了一个CStreamSocket类专门用于TCP数据的传输。CStreamSocket作为基类，服务器程序从它派生出另一个类CSocketSender专门用于数据的发送，客户机程序从它派生出CSocketReceiver类专门用于数据的接收。这些类的继承结构如图3.5。图3.5 TCPDemo的类继承结构提示：关于CMsgStation和CMsgReceiver两个类的功能介绍，请读者另行参考本书的“2.4.1 一种不错的设计模式”。/ CTCPListener.h/#ifndef _H_CTCPListener_#define _H_CTCPListener_#include CMsgStation.hclass CTCPListener : public CMsgStationprotected:SOCKETmListener; / 用于侦听的SocketSOCKETmAccepted; / 用于与远程端建立连接的SocketWORDmListenPort; / 侦听端口号BOOLmIsListening; / 是否正在侦听的标记HANDLEmLsnThread; / 侦听线程public:CTCPListener();virtual CTCPListener();public:/ 设置/得到侦听的端口号void SetListenPort(WORD inPort); WORD GetListenPort(void);/ 创建/销毁用于侦听的SocketBOOL Create(void);void DeleteListener(void);/ 销毁服务器与客户机建立连接的Socketvoid DeleteAccepted(void);/ 启动/停止侦听线程BOOL StartListening(void);void StopListening(void);/ 得到服务器与客户机建立连接的Socket（用于数据传输）SOCKET GetAccepted(void);private:BOOL Accept(void); / 接受远程端的连接请求static DWORD WINAPI ListeningThrd(void *pParam); / 侦听线程执行体;#endif / _H_CTCPListener_/ / CTCPListener.cpp/#include stdafx.h#include CTCPListener.h#include Netdefs.h#ifdef _DEBUG#define new DEBUG_NEW#undef THIS_FILEstatic char THIS_FILE = _FILE_;#endif/CTCPListener:CTCPListener()/ 参数初始化mListener = INVALID_SOCKET;mAccepted = INVALID_SOCKET;/ 默认在10028端口上侦听mListenPort = 10028;mLsnThread = NULL;mIsListening = FALSE;CTCPListener:CTCPListener()/ 销毁SocketDeleteAccepted();DeleteListener();/ 停止侦听线程StopListening();/ 设置侦听端口号void CTCPListener:SetListenPort(WORD inPort)mListenPort = inPort;/ 得到侦听端口号WORD CTCPListener:GetListenPort(void)return mListenPort;/ 创建用于侦听的SocketBOOL CTCPListener:Create(void)DeleteListener(); / 销毁侦听Socketint val = 0;BOOL pass = FALSE;/ 创建一个TCP传输的SocketmListener = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);if (mListener != INVALID_SOCKET)/ 在Socket上进行参数设置BOOL sopt = TRUE;setsockopt(mListener, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (char *)&sopt, sizeof(BOOL);/ 在销毁Socket时不必等待未发送完的数据完全发送出去setsockopt(mListener, SOL_SOCKET, SO_DONTLINGER, (char *)&sopt, sizeof(BOOL);/ 绑定Socket到指定的侦听端口SOCKADDR_IN addr;memset(&addr, 0, sizeof(SOCKADDR_IN);addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);addr.sin_port = htons(mListenPort);val = bind(mListener, (struct sockaddr*) &addr, sizeof(addr);pass = (val != SOCKET_ERROR);if (pass)/ 将Socket置于侦听状态val = listen(mListener, SOMAXCONN);pass = (val != SOCKET_ERROR);if (!pass)DeleteListener();return pass;/ 销毁用于侦听的Socketvoid CTCPListener:DeleteListener(void)if (mListener != INVALID_SOCKET)closesocket(mListener);mListener = INVALID_SOCKET;/ 销毁服务器与客户机建立连接的Socketvoid CTCPListener:DeleteAccepted(void)if (mAccepted != INVALID_SOCKET)closesocket(mAccepted);mAccepted = INVALID_SOCKET;/ 启动侦听线程（因为用于接受连接请求的accept函数调用时会阻塞）BOOL CTCPListener:StartListening(void)/ 如果侦听Socket没有创建，则创建它if (mListener = INVALID_SOCKET)Create();if (mListener != INVALID_SOCKET)if (mIsListening)return TRUE;/ 启动侦听线程DWORD threadID = 0;mLsnThread = CreateThread(NULL, 0, ListeningThrd, this, 0, &threadID);return (mLsnThread != NULL);return FALSE;/ 停止侦听线程void CTCPListener:StopListening(void)if (mListener != INVALID_SOCKET & mIsListening)/ 销毁侦听Socket，于是accept将脱离阻塞状态DeleteListener();/ 等待侦听线程完全退出 if (mLsnThread != NULL) WaitForSingleObject(mLsnThread, INFINITE);mLsnThread = NULL;/ 接受远程端的连接请求（创建一个新的Socket用于与远程端建立一条连接）BOOL CTCPListener:Accept(void)if (mListener != INVALID_SOCKET)SOCKADDR_IN saddr;int len = sizeof(SOCKADDR_IN);/ 侦听远程端的连接请求（如果没有连接请求，这个函数将阻塞）SOCKET accepted = accept(mListener, (SOCKADDR *)&saddr, &len);if (accepted = INVALID_SOCKET)return FALSE;/ 注意：目前仅支持建立一条Socket连接！/ 在建立新的连接之前将以前的连接断开DeleteAccepted();/ 保存与远程端建立连接的SocketmAccepted = accepted;/ 在Socket上设置一些参数BOOL sopt = TRUE;setsockopt(mAccepted, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (char *)&sopt, sizeof(BOOL);setsockopt(mAccepted, SOL_SOCKET, SO_DONTLINGER, (char *)&sopt, sizeof(BOOL);return TRUE;return FALSE;/ 当与远程端连接的Socket取出之后，保存该Socket的变量置为无效/ 取出的Socket由取出者负责销毁SOCKET CTCPListener:GetAccepted(void)SOCKET ret = mAccepted;mAccepted = INVALID_SOCKET;return ret;/ 侦听线程的函数执行体DWORD WINAPI CTCPListener:ListeningThrd(void *pParam)ASSERT(pParam);/ 获得侦听对象指针CTCPListener * pListen = (CTCPListener *) pParam;pListen-mIsListening = TRUE;while (pListen-mIsListening)/ 开始侦听（如果没有远程端发送连接请求，这个函数将阻塞）if (!pListen-Accept()pListen-mIsListening = FALSE;break;else/ const long cNewSocketAccepted = 6688;/ 发送给上层观察者一个自定义消息cNewSocketAccepted，/ 表示一条Socket连接已经建立（可以用它进行数据传输了！）pListen-Broadcast(cNewSocketAccepted);return 1;/ CStreamSocket.h/#ifndef _H_CStreamSocket_#define _H_CStreamSocket_class CStreamSocketprotected:SOCKETmSocket; / 用于数据发送或接收的SocketBOOLmIsConnected; / Socket是否已经建立了连接的标记BOOLmIsReceiving; / 使用独立的线程进行数据接收HANDLEmRcvThread;BOOLmIsSending; / 使用独立的线程进行数据发送HANDLEmSndThread;public:CStreamSocket();virtual CStreamSocket();public:BOOL Attach(SOCKET inSocket); / 关联一个Socketvoid Detach(void); / 销毁Socket/ 向指定IP地址、端口号的机器发送连接请求BOOL ConnectTo(const char * inTarget, WORD inPort);BOOL IsConnected(void) return mIsConnected; ;/ 用于数据接收的控制函数BOOL StartReceiving(void);void StopReceiving(void);BOOL IsReceiving(void) return mIsReceiving; ;/ 用于数据发送的控制函数BOOL StartSending(void);void StopSending(void);BOOL IsSending(void) return mIsSending; ;protected:static DWORD WINAPI ReceivingThrd(void * pParam); / 接收线程执行体static DWORD WINAPI SendingThrd(void * pParam); / 发送线程执行体/ 接收/发送数据循环过程（虚函数，供子类定制）virtual void ReceivingLoop(void); virtual void SendingLoop(void);#endif / _H_CStreamSocket_/ / CStreamSocket.cpp/ #include stdafx.h#include CStreamSocket.h#include UNetwork.h#ifdef _DEBUG#define new DEBUG_NEW#undef THIS_FILEstatic char THIS_FILE = _FILE_;#endif/CStreamSocket:CStreamSocket()/ 参数初始化mSocket = INVALID_SOCKET;mIsConnected = FALSE;mIsReceiving = FALSE;mIsSending = FALSE;mRcvThread = NULL;mSndThread = NULL;/ 销毁Socket，停止发送/接收线程CStreamSocket:CStreamSocket()Detach();StopSending();StopReceiving();/ 关联一个Socket到本包装对象BOOL CStreamSocket:Attach(SOCKET inSocket)/ 如果已经包装了一个Socket，则返回一个错误值if (mSocket != INVALID_SOCKET)return FALSE;/ 保存Socket句柄mSocket = inSocket;mIsConnected = TRUE;return TRUE;/ 销毁Socketvoid CStreamSocket:Detach(void)if (mSocket != INVALID_SOCKET)closesocket(mSocket);mSocket = INVALID_SOCKET;mIsConnected = FALSE;/ 向指定IP地址、端口号的机器发送连接请求BOOL CStreamSocket:ConnectTo(const char * inTarget, WORD inPort)if (mIsConnected)return TRUE;/ 首先创建一个TCP传输的SocketmSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);if (mSocket != INVALID_SOCKET)/ 在成功创建的Socket上调整参数BOOL sopt = TRUE;setsockopt(mSocket, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (char *)&sopt, sizeof(BOOL);setsockopt(mSocket, SOL_SOCKET, SO_DONTLINGER, (char *)&sopt, sizeof(BOOL);/ 向服务器发送连接请求SOCKADDR_IN saddr;memset(&saddr, 0, sizeof(SOCKADDR_IN);saddr.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(inTarget);saddr.sin_family = AF_INET;saddr.sin_port = htons(WORD)inPort);if (connect(mSocket, (SOCKADDR *)&saddr, sizeof(SOCKADDR_IN) != 0) / 跟踪Socket错误#ifdef _DEBUGUNetwork:DumpSocketError();#endif/ 如果连接失败，则销毁刚才创建的SocketDetach();return FALSE;mIsConnected = TRUE;return TRUE;return FALSE;/ 启动数据接收线程（因为Socket数据接收函数调用时会阻塞）BOOL CStreamSocket:StartReceiving(void)if (mSocket != INVALID_SOCKET)if (mIsReceiving)return TRUE;DWORD threadID = 0;mRcvThread = CreateThread(NULL, 0, ReceivingThrd, this, 0, &threadID);return (mRcvThread != NULL);return FALSE;/ 停止数据接收线程void CStreamSocket:StopReceiving(void)if (mIsReceiving)/ 销毁Socket，使接收函数失败或脱离阻塞Detach();/ 等待数据接收线程的完全退出if (mRcvThread != NULL) WaitForSingleObject(mRcvThread, INFINITE);mRcvThread = NULL;/ 启动数据发送线程（以提高数据发送的效率）BOOL CStreamSocket:StartSending(void)if (mSocket != INVALID_SOCKET)if (mIsSending)return TRUE;DWORD threadID = 0;mSndThread = CreateThread(NULL, 0, SendingThrd, this, 0, &threadID);return (mSndThread != NULL);return FALSE;/ 停止数据发送线程void CStreamSocket:StopSending(void)if (mIsSending)/ 销毁Socket，使发送函数失败或脱离阻塞Detach();if (mSndThread != NULL) / 等待数据发送线程的完全退出WaitForSingleObject(mSndThread, INFINITE);mSndThread = NULL;/ 数据接收线程的函数执行体DWORD WINAPI CStreamSocket:ReceivingThrd(void * pParam)CStreamSocket * pSock = (CStreamSocket *) pParam;if (pSock)pSock-mIsReceiving = TRUE;/ 执行接收循环pSock-ReceivingLoop();return 1;return 0;/ 数据发送线程的函数执行体DWORD WINAPI CStreamSocket:SendingThrd(void * pParam)CStreamSocket * pSock = (CStreamSocket *) pParam;if (pSock)pSock-mIsSending = TRUE;/ 执行发送循环pSock-SendingLoop();return 1;return 0;/ 虚函数，供子类定制实际的数据接收（循环）过程void CStreamSocket:ReceivingLoop(void)/ 虚函数，供子类定制实际的数据发送（循环）过程void CStreamSocket:SendingLoop(void)/ CSocketSender.h/#ifndef _H_CSocketSender_#define _H_CSocketSender_#include CStreamSocket.hclass CSocketSender : public CStreamSocketpublic:CSocketSender();virtual CSocketSender();protected:virtual void SendingLoop(void); / 定制数据发送过程;#endif / _H_CSocketSender_/ CSocketSender.cpp/ 服务器程序定制的数据发送过程void CSocketSender:SendingLoop(void)char buf1024; / 发送数据使用的缓存int bytes = 0;/ 定义一个字符串作为发送的数据内容char str = HQ Tech, Make Technology Easy!;/ 发送数据的总长度 = 字符串长度 + 头信息长度int len = strlen(str) + sizeof(Net_Header); / 在数据内容之前加上一个自定义头信息（用以说明数据内容的长度）Net_Header * pHeader = (Net_Header *) buf;pHeader-pack_size = strlen(str);pHeader-my_hton(); / 字节顺序转换！/ 将欲发送的数据内容和头信息整合strcpy(buf+sizeof(Net_Header), str);/ 作为演示，将上述定义的字符串数据发送两次int counter = 2;while (mIsSending)/ 使用Socket进行一次数据发送bytes = send(mSocket, buf, len, 0);if (bytes = SOCKET_ERROR)Detach();mIsSending = FALSE;break;/ 当完成两次发送后断开Socket连接，结束发送线程if (-counter = 0)Detach();mIsSending = FALSE;break;/ CSocketReceiver.h/#ifndef _H_CSocketReceiver_#define _H_CSocketReceiver_#include CStreamSocket.hclass CSocketReceiver : public CStreamSocketpublic:CSocketReceiver();virtual CSocketReceiver();protected:virtual void ReceivingLoop(void); / 定制数据接收过程;#endif / _H_CSocketReceiver_/ CSocketReceiver.cpp/ 客户机程序定制的数据接收过程void CSocketReceiver:ReceivingLoop(void)/ 接收数据使用的缓存char buf1024;int bytes = 0;Net_Header * pHeader = (Net_Header *) buf;while (mIsReceiving)/ 首先接收一个头信息（头信息内包含了随后的有效数据长度）bytes = recv(mSocket, buf, sizeof(Net_Header), 0);if (bytes = SOCKET_ERROR | bytes = 0)Detach();mIsReceiving = FALSE;break;pHeader-my_ntoh(); / 字节顺序转换！/ 继续读取后续的有效数据（即一个字符串内容）bytes = recv(mSocket, buf, pHeader-pack_size, 0);if (bytes = SOCKET_ERROR | bytes = 0)Detach();mIsReceiving = FALSE;break;bufbytes = 0;/ 弹出一个消息框显示接收到的字符串内容CString msg = Received content:n;AfxMessageBox(msg + buf);那么，TCPDemo是怎么来使用CTCPListener、CStreamSocket、CSocketSender、CSocketReceiver这几个类的呢？先来看服务器程序TCPServer。这是一个基于对话框的MFC程序。它在对话框类CTCPServerDlg中定义了两个成员：一个是CTCPListener类的实例，一个是CSocketSender类的实例。前者用于侦听客户机的连接请求，后者负责实际的Socket数据发送。然后，在主对话框的初始化函数中创建用于侦听的Socket，并启动侦听线程。当有客户机发出连接请求，并且服务器成功接受后，就启动数据发送线程真正开始数据的发送。/ TCPServerDlg.h : header file/class CTCPServerDlg : public CDialog, public CMsgReceiverpublic:CTCPServerDlg(CWnd* pParent = NULL);protected:HICON m_hIcon;CTCPListenermListener; / 用于侦听客户机的连接请求CSocketSendermNetSender; / 用于数据发送/ 自定义消息的处理函数virtual bool ReceiveMessage(MessageT inMessage, void * ioParam, void * ioParam2);/ 其它成员定义（省略）/ ;/ TCPServerDlg.cpp : implementation file/CTCPServerDlg:CTCPServerDlg(CWnd* pParent /*=NULL*/): CDialog(CTCPServerDlg:IDD, pParent)/AFX_DATA_INIT(CTCPServerDlg)mHostPort = 10028;/AFX_DATA_INIT/ Note that LoadIcon does not require a subsequent DestroyIcon in Win32m_hIcon = AfxGetApp()-LoadIcon(IDR_MAINFRAME);/ 主对话框的初始化函数BOOL CTCPServerDlg:OnInitDialog()CDialog:OnInitDialog();/ Set the icon for this dialog. The framework does this automatically/ when the applications main window is not a dialogSetIcon(m_hIcon, TRUE);/ Set big iconSetIcon(m_hIcon, FALSE);/ Set small icon/ 获取本地机器的IP地址、机器名，并在界面上显示char hostName100;char hostIP50;if (UNetwork:GetHostInfo(hostIP, hostName)mEditHostName.SetWindowText(hostName);mEditHostIP.SetWindowText(hostIP);/ 主界面对象是mListener对象的观察者（因为它想获得Socket连接建立的通知）mListener.AddMsgReceiver(this);/ 设置侦听端口号mListener.SetListenPort(mHostPort);/ 创建侦听Socket，成功后启动一个侦听线程if (mListener.Create()mListener.StartListening();return TRUE; / return TRUE unless you set the focus to a control/ 当接收到Socket连接已经建立的通知后，启动数据发送线程向客户机发送数据bool CTCPServerDlg:ReceiveMessage(MessageT inMessage, void * ioParam, void * ioParam2)if (inMessage = cNewSocketAccepted)/ 获取建立连接的SocketmNetSender.Attach(mListener.GetAccepted();/ 启动数据发送线程mNetSender.StartSending();return true;return CMsgReceiver:ReceiveMessage(inMessage, ioParam, ioParam2);提示：使用MFC开发Socket程序时，一般要包含afxsock.h头文件（可以加在stdafx.h文件中）。程序运行之前，还要调用AfxSocketInit函数进行Socket函数库的初始化，实现如下：/ TCPServer.cpp/BOOL CTCPServerApp:InitInstance()/ - Socket函数库的初始化 -/ AfxSocketInit内部调用WSAStartup函数，/ 并且能够保证在程序退出之前自动调用WSACleanup函数！if (!AfxSocketInit()AfxMessageBox(Socket initializing failded!);return FALSE;/ 创建主对话框CTCPServerDlg dlg;m_pMainWnd = &dlg;int nResponse = dlg.DoModal();if (nResponse = IDOK)else if (nResponse = IDCANCEL)return FALSE;再来看客户机程序TCPClient的实现。这也是一个基于对话框的MFC程序。它在对话框类CTCPClientDlg中定义了一个是CSocketReceiver类的实例，专门用于向服务器发出连接请求，以及接收服务器发送过来的数据。/ TCPClientDlg.h : header file/class CTCPClientDlg : public CDialogpublic:CTCPClientDlg(CWnd* pParent = NULL);protected:HICON m_hIcon;CSocketReceivermNetReceiver; / 用于数据接收/ 其它成员定义（省略）/ ；/ TCPClientDlg.cpp : implementation file/CTCPClientDlg:CTCPClientDlg(CWnd* pParent /*=NULL*/): CDialog(CTCPClientDlg:IDD, pParent)/AFX_DATA_INIT(CTCPClientDlg)mTargetIP = _T();mTargetPort = 10028;/AFX_DATA_INIT/ Note that LoadIcon does not require a subsequent DestroyIcon in Win32m_hIcon = AfxGetApp()