【计网】从零开始掌握序列化 --- 实现网络计算器项目

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​​​ --- 斯蒂芬·金 《肖申克的救赎》---

从零开始掌握序列化

1 知识回顾

前面两篇文章学习中基础知识和三层结构的实现
我们学习了：

序列化与反序列化:

1. 必要性：协议的本质是双方都认识的结构化数据，为了传输结构化的数据就需要进行序列化，为了从数据流中获取结构化数据就要进行反序列化！
2. 本质：序列化的本质是将结构化的数据转换成字符串，将字符串发送给客户端。客户端根据协议进行反序列化获取到结构化数据！
3. 序列化与反序列化的方法有很多种，可以自行编写也可以使用第三方库，比如JSON库

并且重新理解了TCP协议：

TCP协议

1. 支持全双工通信：传输层会创建两个缓冲区：发送缓冲区和接收缓冲区。发送和接收是分开的，所以天然支持全双工
2. 通信函数本质：read , write , send , recv本质上都是拷贝函数！他们都是讲数据拷贝到缓冲区中，并不关心缓冲区中的数据何时以何种方式发送给对方，系统负责缓冲区的刷新！
3. 传输层是属于OS的，传输缓冲区的本质和文件缓冲区一样，在操作系统看起来都是向文件中进行刷新写入，用户不需要考虑！

最重要的是将Socket进行了程序重构，具体的细节在TCP协议中讲解过。这样将通信功能彻底解耦出来：

1. 将socket系列操作分类封装,设计为基类，派生出Tcp和Udp两种具体的Socket！
2. 基类都需要进行创建socket文件 、进行绑定、 进入listen 、获取链接、 申请链接…由于两种类的操作方式不一致，所以基类只需要进行一个声明就可以，具体实现在派生类中完成！
3. 依照基础的方法进行组合就可以实现生成服务器端Socket和客户端Socket！

对应网络计算器的需求，我们设计了Request和Response两个结构体作为通信的协议！并且我们通过JSON库来进行协议内部的序列化与反序列化！为了保证可以获取完整的结构化数据，我们设计了独特的报文结构：

len\r\n{json}\r\n

这样可以保证从数据流中获取完整的报文结构！！！

2 服务器框架

服务器的框架是基于这样的三层结构实现的：

1. 传输层TcpServer:负责从Socket文件中获取链接，传输层不需要进行IO，获取到连接就让会话层通过连接获取数据！
2. 会话层Service:根据传输层给的连接，从Sockfd文件中读取数据，解析出报文结构中的数据字符串，然后通过协议分离出结构化数据。该层只负责数据的解析，数据的处理交给应用层进行！
3. 应用层Process：应用层是具有的业务逻辑，根据会话层解析出的数据，进行数据处理！这里使用的是网络计算器的业务逻辑，也就是执行加减乘除运算！

基于这样的结构我们上层的服务器代码逻辑是很好写的：

#include"TcpServer.hpp"#include"Service.hpp"#include"NetCal.hpp"intmain(int argc,char*argv[]){if(argc !=2){
        std::cerr <<"Usage: "<< argv[0]<<" local-port"<< std::endl;exit(0);}uint16_t port = std::stoi(argv[1]);//业务层
    NetCal cal;
    Service ser(std::bind(&NetCal::Calculator ,&cal , std::placeholders::_1));//IO层
    std::unique_ptr<TcpServer> tsvr = std::make_unique<TcpServer>(std::bind(&Service::IOExecute,&ser,
                                                                            std::placeholders::_1,
                                                                            std::placeholders::_2),
                                                                  port);//进入通信循环！
    tsvr->Loop();return0;}

可以看到我们只是使用了两次的bind绑定就实现了三层结构的实现，十分非简洁明了。只需等待客户端传入数据即可！

3 客户端框架

客户端的框架和服务端类似：

1. 首先客户端在执行程序时需要传入服务器的IP地址和端口号！
2. 然后通过封装的Socket类创建客户端Socket文件！对于IP地址和端口号的处理都封装在了类方法中，使用起来十分简单快捷！

#include<iostream>#include"Socket.hpp"#include"Protocol.hpp"usingnamespace socket_ns;intmain(int argc,char*argv[]){// 根据参数获取服务器IP 与 端口号if(argc !=3){
        std::cerr <<"Usage: "<< argv[0]<<" server-ip server-port"<< std::endl;exit(0);}
    std::string ip = argv[1];uint16_t port = std::stoi(argv[2]);// 工厂建立TcpSocket链接
    SockSPtr sock = std::make_shared<TcpSocket>();if(!sock->BuildClientSocket(ip, port)){
        std::cerr <<"connect error!"<< std::endl;exit(1);}
    std::string packagestream;//业务逻辑while(true){}return0;}

接下来我们来进行客户端数据通信的逻辑：

1. 基础数据的获取这里为了快捷直接使用随机数进行初始化！
2. 发送数据：根据协议快速构建Request，然后对其进行序列化，然后加入报头形成完整报文，发送给服务器
3. 接收数据：从Socket文件中读取数据流，去除报头，检查是否具有完整报文，有完整报文就进行反序列化得到Response，打印结果即可！！！

intmain(int argc,char*argv[]){//...srand(time(nullptr));
    std::string arr ="+-*/%&^!";
    std::string packagestream;int cnt =3;while(cnt--){// 传入数据int x =rand()%50;usleep(1000);int y =rand()%50;char oper = arr[y % arr.size()];// 1. 构建requestauto req =Factory::BuildRequestDefault();
        req->SetValue(x, y, oper);// 2. 进行序列化
        std::string jsonstr;
        req->Serialize(&jsonstr);
        std::cout <<"jsonstr: "<< jsonstr << std::endl;// 3. 添加报头
        std::string reqstr =Encode(jsonstr);// 4. 发送数据
        sock->Send(reqstr);// 5. 接收数据while(true){
            ssize_t n = sock->Recv(&packagestream);if(n <=0)break;// 6. 去除报头
            std::string resstr =Decode(packagestream);
            std::cout <<"resstr: "<< resstr << std::endl;if(resstr.empty())continue;auto res =Factory::BuildResponseDefault();// 7. 反序列化
            std::cout <<"----------------"<<std::endl;
            res->Deserialize(resstr);
            res->PrintResult();break;}}return0;}

这样客户端逻辑就写好了！！！

4 运行测试

我们进行一下简单的测试首先注意因为我们使用JSON库编译时要加入对应的编译动态库选项：

.PHONY:all
all:calserver calclient
calserver:ServerMain.cc
    g++ -o$@ $^ -std=c++14 -lpthread-ljsoncpp
calclient:ClientMain.cc
    g++ -o$@ $^ -std=c++14 -ljsoncpp
.PHONY:clean 
clean:
    rm-rf calserver calclient

编译之后我们来看运行效果：

参照对应的ASCII码表：
运算符ACSII码+43-4542/47%37&3842!33
可以验证结果是正确的！！！
这样网络计算机的小项目就完成了！！！