Linux原始系统api实现两个终端实时聊天

原创

brzhang

发布于 2023-12-02 23:57:46

4150

发布于 2023-12-02 23:57:46

文章被收录于专栏：玩转全栈玩转全栈

今天这篇文章基本上属于之前上学学习 c 语言的回顾了，要实现一个简单的聊天功能，其实还是需要话费一些代价的，这里面还是涉及到比较多的知识的。比如：

套接字相关的使用
多线程相关
select 模型
中心化的聊天架构，以及衍生出的去中心化的架构

本文为了简化期间，仅仅实现一个中心化的聊天，因为这个我们比较熟悉，而且在学校里学习 c 语言时，多多少少老师让做实习也是写过的。

ok，一如继往的习惯，我们来看看这个程序交互方式是如何的。

要实现 A 和 B 聊天，首先，我们需要有个服务端，服务端套接字绑定在一个端口上，然后等待客户端A 和 B 来连接，服务端将 A 和 B 的客户端套接字引用存在自己的内存中，A 发送给的消息先经过服务器接收，服务器发现这个是 A 发送给 B 的，然后就转发给到 B，同理，也是一致。

这就是上述的过程，那，我们如何实现这个程序呢，现来看服务端的代码实现：multi_client_server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define MAX_CLIENTS 10
#define BUFFER_SIZE 2048
#define NAME_LEN 32

static unsigned int cli_count = 0;
static int uid = 10;

// Client structure
typedef struct {
    struct sockaddr_in address;
    int sockfd;
    int uid;
    char name[NAME_LEN];
} client_t;

client_t *clients[MAX_CLIENTS];
pthread_mutex_t clients_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void str_trim_lf(char* arr, int length) {
  for (int i = 0; i < length; i++) { // trim \\n
    if (arr[i] == '\\n') {
      arr[i] = '\\0';
      break;
    }
  }
}

int find_client_sockfd(char *recipient_name, Client *clients, int max_clients) {
    for (int i = 0; i < max_clients; i++) {
        if (clients[i].sockfd != 0 && strcmp(clients[i].name, recipient_name) == 0) {
            return clients[i].sockfd;
        }
    }
    return -1;
}

void print_client_addr(struct sockaddr_in addr) {
    printf("%d.%d.%d.%d",
           addr.sin_addr.s_addr & 0xff,
           (addr.sin_addr.s_addr & 0xff00) >> 8,
           (addr.sin_addr.s_addr & 0xff0000) >> 16,
           (addr.sin_addr.s_addr & 0xff000000) >> 24);
}

// Add clients to array
void queue_add(client_t *cl) {
    pthread_mutex_lock(&clients_mutex);
    for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; ++i) {
        if (!clients[i]) {
            clients[i] = cl;
            break;
        }
    }
    pthread_mutex_unlock(&clients_mutex);
}

// Remove clients to array
void queue_remove(int uid) {
    pthread_mutex_lock(&clients_mutex);
    for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; ++i) {
        if (clients[i]) {
            if (clients[i]->uid == uid) {
                clients[i] = NULL;
                break;
            }
        }
    }
    pthread_mutex_unlock(&clients_mutex);
}

// Send message to all clients except the sender
void send_message(char *s, int uid) {
    pthread_mutex_lock(&clients_mutex);

    for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; ++i) {
        if (clients[i]) {
            if (clients[i]->uid != uid) {
                if (write(clients[i]->sockfd, s, strlen(s)) < 0) {
                    perror("ERROR: write to descriptor failed");
                    break;
                }
            }
        }
    }

    pthread_mutex_unlock(&clients_mutex);
}

// Handle all communication with the client
void *handle_client(void *arg) {
    char buff_out[BUFFER_SIZE];
    char name[NAME_LEN];
    int leave_flag = 0;

    cli_count++;
    client_t *cli = (client_t *)arg;

    // Name
    if (recv(cli->sockfd, name, NAME_LEN, 0) <= 0 || strlen(name) < 2 || strlen(name) >= NAME_LEN-1) {
        printf("Enter the name correctly\\n");
        leave_flag = 1;
    } else {
        strcpy(cli->name, name);
        sprintf(buff_out, "%s has joined\\n", cli->name);
        printf("%s", buff_out);
        send_message(buff_out, cli->uid);
    }

    bzero(buff_out, BUFFER_SIZE);

    while (1) {
        if (leave_flag) {
            break;
        }

        int receive = recv(cli->sockfd, buff_out, BUFFER_SIZE, 0);
        if (receive > 0) {
            if (strlen(buff_out) > 0) {
                send_message(buff_out, cli->uid);

                str_trim_lf(buff_out, strlen(buff_out));
                printf("%s -> %s\\n", buff_out, cli->name);
            }
        } else if (receive == 0 || strcmp(buff_out, "exit") == 0) {
            sprintf(buff_out, "%s has left\\n", cli->name);
            printf("%s", buff_out);
            send_message(buff_out, cli->uid);
            leave_flag = 1;
        } else {
            printf("ERROR: -1\\n");
            leave_flag = 1;
        }

        bzero(buff_out, BUFFER_SIZE);
    }

    close(cli->sockfd);
    queue_remove(cli->uid);
    free(cli);
    cli_count--;
    pthread_detach(pthread_self());

    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
            printf("Usage: %s <port>\\n", argv[0]);
    return EXIT_FAILURE;
  }

  int port = atoi(argv[1]);
  int listenfd = 0, connfd = 0;
  struct sockaddr_in serv_addr;
  struct sockaddr_in cli_addr;
  pthread_t tid;

  // Socket settings
  listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  serv_addr.sin_family = AF_INET;
  serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
  serv_addr.sin_port = htons(port);

  // Signals
  signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

  if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &(int){1}, sizeof(int)) < 0) {
    perror("ERROR: setsockopt failed");
    return EXIT_FAILURE;
  }

  // Binding
  if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
    perror("ERROR: Bind failed");
    return EXIT_FAILURE;
  }

  // Listening
  if (listen(listenfd, 10) < 0) {
    perror("ERROR: Listen failed");
    return EXIT_FAILURE;
  }

  printf("<[ SERVER STARTED ]>\\n");

  // Accept clients
  while (1) {
    socklen_t clilen = sizeof(cli_addr);
    connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&cli_addr, &clilen);

    // Check if max clients is reached
    if ((cli_count + 1) == MAX_CLIENTS) {
      printf("Max clients reached. Rejected: ");
      print_client_addr(cli_addr);
      printf(":%d\\n", cli_addr.sin_port);
      close(connfd);
      continue;
    }

    // Client settings
    client_t *cli = (client_t *)malloc(sizeof(client_t));
    cli->address = cli_addr;
    cli->sockfd = connfd;
    cli->uid = uid++;

    // Add client to the queue and fork thread
    queue_add(cli);
    pthread_create(&tid, NULL, &handle_client, (void*)cli);

    // Reduce CPU usage
    sleep(1);
  }

  return EXIT_SUCCESS;
}

这段代码理解难度不大，首先，服务端绑定在一个端口上，然后等待客户端的连接，一旦有客户端连接上来，就将此客户端加入到队列里面，随后立马起一个线程去专门为他做消息收发用。

接着看客户端的实现：client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>

#define LENGTH 2048

// Global variables
volatile sig_atomic_t flag = 0;
int sockfd = 0;
char name[32];

void str_overwrite_stdout() {
    printf("\\r%s", "> ");
    fflush(stdout);
}

void str_trim_lf (char* arr, int length) {
  int i;
  for (i = 0; i < length; i++) { // trim \\n
    if (arr[i] == '\\n') {
      arr[i] = '\\0';
      break;
    }
  }
}

void catch_ctrl_c_and_exit(int sig) {
    flag = 1;
}

void send_msg_handler() {
  char message[LENGTH] = {};
	char buffer[LENGTH + 32] = {};

  while(1) {
  	str_overwrite_stdout();
    fgets(message, LENGTH, stdin);
    str_trim_lf(message, LENGTH);

    if (strcmp(message, "exit") == 0) {
			break;
    } else {
      sprintf(buffer, "%s: %s\\n", name, message);
      send(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0);
    }

		bzero(message, LENGTH);
    bzero(buffer, LENGTH + 32);
  }
  catch_ctrl_c_and_exit(2);
}

void recv_msg_handler() {
	char message[LENGTH] = {};
  while (1) {
		int receive = recv(sockfd, message, LENGTH, 0);
    if (receive > 0) {
      printf("%s", message);
      str_overwrite_stdout();
    } else if (receive == 0) {
			break;
    } else {
			// -1
		}
		memset(message, 0, sizeof(message));
  }
}

int main(int argc, char **argv){
  if(argc != 3){
    printf("Usage: %s <ip> <port>\\n", argv[0]);
    return EXIT_FAILURE;
  }

  char *ip = argv[1];
  int port = atoi(argv[2]);

  signal(SIGINT, catch_ctrl_c_and_exit);

  printf("Please enter your name: ");
  fgets(name, 32, stdin);
  str_trim_lf(name, strlen(name));
  if (strlen(name) > 32 || strlen(name) < 2){
    printf("Name must be less than 30 and more than 2 characters.\\n");
    return EXIT_FAILURE;
  }

  struct sockaddr_in server_addr;

  // Socket settings
  sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  server_addr.sin_family = AF_INET;
  server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
  server_addr.sin_port = htons(port);

  // Connect to Server
  int err = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
  if (err == -1) {
		printf("ERROR: connect\\n");
		return EXIT_FAILURE;
	}

	// Send name
	send(sockfd, name, 32, 0);

  printf("=== WELCOME TO THE CHATROOM ===\\n");

  pthread_t send_msg_thread;
  if(pthread_create(&send_msg_thread, NULL, (void *) send_msg_handler, NULL) != 0){
    printf("ERROR: pthread\\n");
    return EXIT_FAILURE;
  }

  pthread_t recv_msg_thread;
  if(pthread_create(&recv_msg_thread, NULL, (void *) recv_msg_handler, NULL) != 0){
    printf("ERROR: pthread\\n");
    return EXIT_FAILURE;
  }

  while (1){
    if(flag){
      printf("\\nBye\\n");
      break;
    }
  }

  close(sockfd);

  return EXIT_SUCCESS;
}

客户端的代码也比较容易理解，流程很简单，客户端就是加入到服务端，然后创建一个线程来做消息的收发工作，指导接收到退出的信号，才终止整个大的 loop。

说了这么多，让我们来运行的试试吧！

这儿是服务端程序启动，不过我后面给出了几个客户端连接过来的打印。

随后，看客户端方面：用户 A 的客户端

用户 B 的客户端

用户 C 的客户端

此时，我们发现， userA发送的消息，userB，userC 都收到了，别着急，这是正常的，因为，我们

// Send message to all clients except the sender
void send_message(char *s, int uid) {
    pthread_mutex_lock(&clients_mutex);

    for (int i = 0; i < MAX_CLIENTS; ++i) {
        if (clients[i]) {
            if (clients[i]->uid != uid) {
                if (write(clients[i]->sockfd, s, strlen(s)) < 0) {
                    perror("ERROR: write to descriptor failed");
                    break;
                }
            }
        }
    }

    pthread_mutex_unlock(&clients_mutex);
}

这段逻辑就是服务端会将所有的消息广播到非消息发送方，所以，我们需要在这里继续优化一下：

要实现这个特性，我们需要在服务器端进行修改，以便它能够解析 /msg <recipient_name> <message> 格式的消息，并将消息发送给指定的接收者。

int find_client_sockfd(const char *recipient_name, Client *clients, int max_clients) {
    for (int i = 0; i < max_clients; i++) {
        if (clients[i].sockfd != 0 && strcmp(clients[i].name, recipient_name) == 0) {
            return clients[i].sockfd;
        }
    }
    return -1;
}

接下来，我们需要修改服务器的消息处理部分，以便它能够识别私密消息并将其发送给正确的接收者，篇幅有限，给出主要实现，增加的部分，发现是私密消息，就走这段逻辑，否则就按照直接的方式广播。

  // 检查是否为私密消息
if (strncmp(msg, "/msg ", 5) == 0) {
      char recipient_name[32];
      char *message;
      
      // 解析消息
      message = msg + 5; // 跳过 "/msg "
      sscanf(message, "%s", recipient_name);
      message = strstr(message, " ") + 1; // 跳过接收者名字
      
      // 查找接收者的套接字
      int recipient_sockfd = find_client_sockfd(recipient_name, clients, max_clients);
      if (recipient_sockfd != -1) {
          // 发送私密消息给接收者
          sprintf(buffer, "[Private] %s", message);
          send(recipient_sockfd, buffer, strlen(buffer), 0);
      } else {
          // 接收者不存在，发送错误消息给发送者
          sprintf(buffer, "User %s does not exist.\\n", recipient_name);
          send(client_sockfd, buffer, strlen(buffer), 0);
      }
}

ok，整个实现就完成了，这样，我们就实现了一个中心化的聊天服务。

总结

虽然我们实现了一个中心化的聊天服务，但是这个离线上可运营还是有很大的距离的，这个例子非常基础，没有错误处理，也没有加密通信，在生产环境中，你需要考虑更多的错误处理、安全性、性能优化（比如使用线程池或者事件驱动的IO模型）以及其他的高级特性。再者，这个是一个完全在内存中的跑的模型，断电之后，聊天消息，好友关系全部都没有了，而且我们基础版本的聊天室里面，后加入的小伙伴不能接收之前大家都聊了些啥，这多少还差那么点意思，所以，交给你来继续完善，你会有思路吗？

而且，作为拔高，不防思考一下，如何基于此，实现一个去中心化的聊天服务呢？提示下，最简单的是，端既可以是一个服务端也可以扮演一个客户端。则样 A 和 B 就无需一个固定的服务端了。

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

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