VS 2019 MFC实现TCP/IP服务器与客户端的Socket通讯

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简介：本文介绍如何利用Visual Studio 2019和MFC库构建TCP/IP通信应用。详细说明了创建一对多同步通信的TCP/IP服务器端的过程，包括初始化Socket、监听连接、接受连接和处理数据的步骤。同时，介绍了使用Select函数进行多路复用的方法，以提高服务器处理多个客户端连接的效率。通过示例代码，加深对服务器端和客户端通信机制的理解。 VS 2019 MFC Socket 通讯例程服务器端Select一对多同步通信TCP/IP通信服务器/客户端例程

1. Visual Studio 2019中的MFC库使用

在现代软件开发中，Microsoft Foundation Classes (MFC) 是一套封装了 Win32 API 的类库，它使得开发人员能够快速构建出具有Windows界面的应用程序。Visual Studio 2019作为微软最新的集成开发环境（IDE），提供了对MFC的优秀支持，使得开发者能更高效地进行基于MFC的应用程序开发。

1.1 MFC库在Visual Studio 2019中的安装与配置

在使用MFC库之前，首先需要在Visual Studio 2019中安装MFC支持。安装过程非常简单，通过Visual Studio安装器进行组件选择时，确保选中了“C++桌面开发”下的“使用C++的桌面开发”选项，并在子选项中勾选“Microsoft Foundation Classes(MFC)”。完成安装后，重启Visual Studio，就可以开始创建MFC应用程序了。

1.2 创建和理解MFC应用程序

要创建一个基础的MFC应用程序，打开Visual Studio，选择“文件”->“新建”->“项目”，然后在项目类型中选择“MFC应用程序”。在这里，你可以选择多种不同的应用程序类型，如对话框为基础的应用，或者文档视图结构的应用等。根据你的需要进行选择，Visual Studio会生成一个包含所有必要代码的项目骨架。

MFC库包含了一系列预先定义的类，如CFrameWnd用于窗口管理，CDialog用于对话框等，使得创建如工具栏、菜单栏和状态栏等复杂的用户界面元素变得非常容易。理解这些类的功能和它们之间的关系，是掌握MFC开发的关键。通过阅读文档、查看示例代码以及动手实践，开发者可以逐步深入学习并有效地利用MFC库来构建强大的Windows应用程序。

2. TCP/IP通信基础

2.1 网络通信协议概述

2.1.1 网络通信协议的重要性和作用

网络通信协议是一套规则，规定了计算机或网络设备在互联网上交换数据的方式。它是网络中不同设备之间进行通信的基础。TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）是当今互联网的基础，它定义了数据传输时的格式和数据包在通信过程中的处理方式。了解这些协议的重要性在于，它们保证了不同操作系统和硬件平台上的计算机能够顺利通信，为现代网络应用提供了稳定性和兼容性。

2.1.2 TCP/IP协议族的层次结构

TCP/IP协议族是一个分层的网络通信模型，分为四层： – 应用层：负责向用户提供应用程序之间的通信服务，如HTTP、FTP、SMTP等。 – 传输层：提供端到端的数据传输服务，主要协议有TCP和UDP。 – 网际层（或称为网络互连层）：负责主机间的数据传输，主要实现IP协议。 – 网络接口层：也称为数据链路层，负责硬件设备间的数据传输。

2.2 TCP与UDP协议的对比分析

2.2.1 TCP协议的特点和应用场景

传输控制协议（TCP）是面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它通过序列号、确认应答机制、重传机制、流量控制和拥塞控制等方法确保数据传输的可靠性。TCP适用于对可靠性要求较高的应用，如电子邮件、文件传输、远程登录等。

2.2.2 UDP协议的特点和应用场景

用户数据报协议（UDP）是一个简单的、无连接的协议，它提供了最小的开销，但不保证可靠性、顺序和数据完整性。UDP适用于对实时性要求较高的应用，如视频会议、在线游戏等。

2.3 数据封装与解封过程

2.3.1 数据封装的概念和步骤

数据封装是将要传输的数据按照网络协议规定的格式组织成数据包的过程。它从应用层开始，逐步添加信息形成完整的数据包。封装的步骤包括：

应用层数据被封装到传输层的TCP或UDP段中。

传输层段被封装到网际层的IP数据报中。

网际层数据报被封装到网络接口层的数据帧中。

2.3.2 数据解封的概念和步骤

数据解封是数据封装的逆过程，发生在数据包到达目的地后。解封步骤包括：

数据帧通过网络接口层，去除数据链路层的帧头和帧尾。

IP数据报通过网际层，去除IP头部信息。

TCP或UDP段通过传输层，去除端口号等信息。

应用层接收到真正的应用数据。

graph TD
A[应用层数据] –>|封装| B[TCP/UDP段]
B –>|封装| C[IP数据报]
C –>|封装| D[数据帧]
D –>|解封| C
C –>|解封| B
B –>|解封| A

以上是《TCP/IP通信基础》的第二章内容，介绍了网络通信协议的重要性和作用、TCP/IP协议族的层次结构、TCP与UDP协议的对比分析、以及数据封装与解封的过程。理解这些基础概念对深入学习TCP/IP协议及网络编程至关重要。

3. 创建TCP/IP服务器端应用

3.1 服务器端应用设计思路

3.1.1 服务器端应用的核心功能和设计原则

在设计TCP/IP服务器端应用时，核心功能通常包括监听特定端口，接收客户端连接请求，处理客户端发送的数据，以及向客户端发送响应。这些功能是服务器端程序的基石，确保了服务器能够响应外部请求并与客户端进行有效通信。

设计原则包括：

高效性：服务器应该能够处理大量并发连接而不产生显著的性能下降。
稳定性：程序应该有异常处理机制，能够稳定运行，即使在面对网络异常或其他错误时也能够恢复。
安全性：确保通信过程中的数据安全，防范潜在的网络攻击。
可扩展性：设计应考虑未来功能的增加，便于维护和升级。

3.1.2 服务器端应用的程序流程

服务器端应用的程序流程大致如下：

初始化：设置服务器监听的IP地址和端口。

监听：创建Socket并绑定到监听端口，开始监听客户端的连接请求。

接受连接：接受来自客户端的连接请求，并创建新的Socket处理该连接。

数据处理：接收客户端发送的数据，进行必要的处理，并将结果发送回客户端。

断开处理：当客户端断开连接时，释放与该客户端相关的资源。

循环监听：返回到监听状态，准备处理下一个连接请求。

3.2 MFC网络编程基础

3.2.1 MFC中网络相关的类和函数

MFC（Microsoft Foundation Classes）提供了一系列用于简化网络编程的类和函数，其中最重要的包括：

CSocket ：提供基本的Socket操作功能，如连接、监听、发送和接收数据。
CAsyncSocket ：提供异步Socket操作的基类，用于更复杂的网络操作。
CInternetSession ：管理整个网络会话，用于高级功能，比如文件下载。
CFtpConnection 、 CHttpConnection ：实现特定协议的连接类。

这些类封装了底层的Winsock API，使得开发者可以更加方便地进行网络编程。

3.2.2 基于MFC的网络编程模型

在MFC中，网络编程模型可以概括为以下步骤：

初始化Winsock ：使用AfxSocketInit函数初始化Winsock库。

创建Socket对象：实例化CSocket或CAsyncSocket对象。

连接或监听：使用对象的方法建立连接或开始监听。

数据传输：使用Receive和Send等方法交换数据。

关闭Socket ：在操作完成后关闭Socket连接。

清理Winsock ：操作完成后调用AfxSocketTerm清理Winsock。

3.3 服务器端应用的创建步骤

3.3.1 创建MFC应用程序

创建TCP/IP服务器端应用通常从创建一个MFC应用程序开始。以下是一个简单的示例代码：

#include <afxwin.h>

class CServerApp : public CWinApp
{
public:
virtual BOOL InitInstance();
};

CServerApp theApp;

BOOL CServerApp::InitInstance()
{
// 在这里可以添加初始化代码
return TRUE;
}

在上述代码中， CServerApp 类继承自 CWinApp 并重写了 InitInstance 方法。这是MFC应用程序的入口点，在这里可以执行初始化操作。

3.3.2 添加网络通信功能

为了向应用程序添加网络通信功能，我们需要使用MFC提供的网络类。以下是使用 CSocket 类创建一个监听特定端口的TCP服务器的基本步骤：

// 在某个类中实现服务器功能
void CServerSocket::ListenOnPort(UINT nPort)
{
CSocket server;
if(server.Create(nPort)) // 创建并绑定到指定端口
{
server.Listen(); // 开始监听

// … 服务器逻辑代码
}
}

在此示例中， CServerSocket 类需要有一个成员变量，它是一个 CSocket 类型的实例。 ListenOnPort 函数创建并初始化一个 CSocket 对象，并开始监听指定的端口。

需要注意的是，实际的服务器端应用还需要包括接受客户端连接，处理客户端数据等逻辑。通过继承 CSocket 并重写相关事件处理方法（如 OnReceive 和 OnConnect ），可以实现更复杂的功能。

以上内容构成了创建TCP/IP服务器端应用的基础知识和入门级实操指南。读者需要有一定的MFC框架应用开发经验以及对网络编程的基本理解。在本章节内容的基础上，后续章节将深入探讨如何使用Select函数进行多路复用，处理多个客户端连接，以及如何进行代码优化和故障排查。

4. Socket初始化与监听

4.1 Socket编程基础

4.1.1 Socket的定义和类型

在计算机网络通信中，Socket是一个允许程序运行于不同主机间的进程进行通信的软件抽象。它是网络通信的基石，提供了一种端到端的通信机制。按照传输层协议的不同，Socket可以分为不同类型，最常见的是基于TCP协议的Stream Socket和基于UDP协议的Datagram Socket。

Stream Socket提供面向连接的、可靠的数据传输服务，使用TCP协议保证数据的顺序和完整性。Datagram Socket则提供无连接的数据报服务，使用UDP协议传输数据，不保证数据包的顺序和可靠性。

4.1.2 Socket的创建、绑定和监听

Socket的生命周期包括创建、绑定、监听、接受连接、数据传输和关闭等步骤。创建Socket通常涉及指定通信协议（如TCP或UDP），并返回一个套接字描述符供后续操作使用。

// 创建一个TCP Socket
SOCKET listenSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

绑定Socket到指定的IP地址和端口是监听的前提。在TCP/IP模型中，这一步需要提供一个sockaddr_in结构体。

// 绑定Socket到本地IP和端口
sockaddr_in serverAddr;
serverAddr.sin_family = AF_INET;
serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
serverAddr.sin_port = htons(12345); // 使用htons转换端口号

bind(listenSocket, (SOCKADDR*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));

监听步骤使Socket进入等待连接的状态，等待客户端的连接请求。

// 监听来自客户端的连接请求
listen(listenSocket, SOMAXCONN);

4.2 服务器端Socket的初始化

4.2.1 Socket选项设置

Socket选项可以在创建Socket后进行设置，用以配置一些特定的行为。例如，可以设置SO_REUSEADDR选项允许将本地地址重用于新的Socket。

// 设置Socket选项SO_REUSEADDR
int reuse = 1;
setsockopt(listenSocket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char*)&reuse, sizeof(reuse));

4.2.2 监听端口的绑定

监听端口绑定是服务器端Socket初始化的关键步骤。它将Socket与特定的本地IP地址和端口号关联起来，使得服务器能够接收发往该端口的数据包。

// 绑定Socket到特定IP和端口
bind(listenSocket, (SOCKADDR*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));

4.3 接受客户端连接

4.3.1 接受连接的基本流程

当服务器端Socket成功绑定到本地地址和端口后，它开始监听来自客户端的连接请求。接受客户端连接的操作通常使用accept()函数。

// 接受客户端的连接请求
SOCKET clientSocket = accept(listenSocket, NULL, NULL);

4.3.2 处理并发连接请求

在实际应用中，服务器可能需要同时处理多个客户端连接请求。为了实现这一功能，通常使用多线程技术或I/O多路复用技术。多线程技术允许服务器为每个接受的连接创建一个新的线程，独立地处理该连接的数据传输。而I/O多路复用技术，如Select函数，能够监视多个Socket，并在有事件发生时通知应用程序。

// 使用Select函数监视多个Socket
fd_set readFds;
FD_ZERO(&readFds);
FD_SET(listenSocket, &readFds);
int maxFd = listenSocket;

// 使用select等待读事件发生
int result = select(maxFd + 1, &readFds, NULL, NULL, NULL);

if (FD_ISSET(listenSocket, &readFds)) {
// 有新的连接请求
SOCKET clientSocket = accept(listenSocket, NULL, NULL);
// 创建线程或其他处理逻辑…
}

通过上述流程，服务器能够高效地处理多个并发连接请求，实现稳定的网络通信服务。

5. 使用Select函数进行多路复用

5.1 多路复用技术概述

5.1.1 多路复用技术的必要性

多路复用技术是现代网络编程的核心技术之一。随着网络应用的广泛性和复杂性的增加，服务器端需要同时处理来自多个客户端的请求。传统的多线程或多进程模型虽然可以解决这个问题，但会消耗大量的系统资源，特别是在高并发的情况下，资源的开销会成为系统性能的瓶颈。因此，多路复用技术应运而生，它允许一个进程或线程可以同时监听多个Socket连接上的事件，当某个Socket准备就绪（例如数据到达、连接成功等）时，进程会被通知并进行相应处理，从而提高程序的效率和扩展性。

5.1.2 Select函数的工作机制

Select函数是一种实现多路复用的机制，它提供了在单个线程中处理多个Socket的能力。Select函数通过监视一组Socket描述符，当任意一个或多个Socket处于可读、可写或异常状态时，Select函数将返回，并告知调用者哪些Socket发生了变化。这允许程序在单个线程中有效地等待多个事件，而无需为每个Socket创建独立的线程，从而极大地优化了性能。

5.2 Select函数的使用方法

5.2.1 Select函数的参数详解

Select函数的原型如下：

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

nfds 是需要检查的最大的文件描述符编号加1。
readfds 指向一个文件描述符集合，该集合中的文件描述符准备好读取时，将被置位。
writefds 指向一个文件描述符集合，该集合中的文件描述符准备好写入时，将被置位。
exceptfds 指向一个文件描述符集合，该集合中的文件描述符出现异常时，将被置位。
timeout 指定等待事件的最长时间。

5.2.2 实现非阻塞式Socket通信

使用Select函数实现非阻塞式Socket通信的基本步骤如下：

初始化三个fd_set类型的变量，分别用于读、写和异常事件。

将需要监听的Socket加入到相应的fd_set中。

调用Select函数，并传入初始化好的fd_set。

Select函数返回后，检查哪些Socket发生了变化。

根据返回结果对相应的Socket进行读取或写入操作。

清空fd_set，为下一次Select调用做准备。

5.3 实现一对多同步通信

5.3.1 同步通信的概念和优势

同步通信指的是服务器端在处理一个Socket的请求时，不会响应其他Socket的请求，直到当前请求处理完成。然而，在实际应用中，服务器需要同时处理多个请求，因此需要一种机制来实现多个Socket之间的同步通信。通过Select函数，可以在单个线程中实现对多个Socket的同步监听和响应，这不仅可以提高服务器的响应速度，还能有效地管理资源消耗。

5.3.2 Select函数在一对多通信中的应用

在一对多通信中，Select函数的主要作用是监听多个Socket上的事件，并且根据事件类型对相应的Socket进行处理。例如，如果一个客户端发送了数据，Select函数会通知服务器端该Socket上有可读事件，服务器则可以从该Socket读取数据。如果服务器需要向多个客户端发送数据，也可以使用Select函数来确定哪些Socket是可写的，从而同步地向多个客户端发送数据。这种方法不仅保证了数据处理的顺序性，也提高了通信的效率。