C++ Qt开发：QUdpSocket网络通信组件

Qt 是一个跨平台C++图形界面开发库，使用Qt可以快速开发跨平台窗体应用步调，在Qt中我们可以通过拖拽的方式将差别组件放到指定的位置，实现图形化开发极大的方便了开发服从，本章将重点介绍如何运用QUdpSocket组件实现基于UDP的网络通信功能。
与QTcpSocket组件功能类似，QUdpSocket组件是 Qt 中用于实现用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol）通信的类。UDP 是一种无连接的、不可靠的数据传输协议，它不保证数据包的顺序和可靠性，但具有低延迟和简单的特点。
以下是 QUdpSocket 类的完整函数及其扼要解释：
函数描述QUdpSocket(QObject *parent = nullptr)构造函数，创建一个新的 QUdpSocket 对象。~QUdpSocket()析构函数，开释 QUdpSocket 对象及其资源。void bind(const QHostAddress &address, quint16 port, BindMode mode = DefaultForPlatform)将套接字绑定到指定的本地地点和端口。void close()关闭套接字。bool joinMulticastGroup(const QHostAddress &groupAddress, const QNetworkInterface &iface = QNetworkInterface())加入多播组。bool leaveMulticastGroup(const QHostAddress &groupAddress, const QNetworkInterface &iface = QNetworkInterface())脱离多播组。qint64 pendingDatagramSize() const返回下一个待读取的数据报的巨细。qint64 readDatagram(char *data, qint64 maxSize, QHostAddress *address = nullptr, quint16 *port = nullptr)读取数据报。QByteArray readDatagram(qint64 maxSize, QHostAddress *address = nullptr, quint16 *port = nullptr)读取数据报，返回 QByteArray 对象。qint64 writeDatagram(const char *data, qint64 size, const QHostAddress &address, quint16 port)发送数据报。qint64 writeDatagram(const QByteArray &datagram, const QHostAddress &address, quint16 port)发送数据报，接受 QByteArray 对象。QAbstractSocket::SocketState state() const返回套接字的当前状态。QAbstractSocket::SocketType socketType() const返回套接字的类型。bool isValid() const如果套接字有效，则返回 true；否则返回 false。int error() const返回套接字的当前错误代码。QHostAddress localAddress() const返回本地地点。quint16 localPort() const返回本地端口。int readBufferSize() const返回读取缓冲区的巨细。void setReadBufferSize(int size)设置读取缓冲区的巨细。QNetworkInterface multicastInterface() const返回多播组的网络接口。void setMulticastInterface(const QNetworkInterface &iface)设置多播组的网络接口。bool hasPendingDatagrams() const如果有待读取的数据报，则返回 true；否则返回 false。bool isReadable() const如果套接字可读，则返回 true；否则返回 false。bool isWritable() const如果套接字可写，则返回 true；否则返回 false。bool setSocketDescriptor(int socketDescriptor, QUdpSocket::SocketState socketState = ConnectedState, QIODevice::OpenMode openMode = ReadWrite)设置套接字描述符。int socketDescriptor() const返回套接字描述符。bool waitForReadyRead(int msecs = 30000)等待套接字可读取数据。bool waitForBytesWritten(int msecs = 30000)等待套接字已写入指定字节数的数据。void ignoreSslErrors(const QList &errors)忽略 SSL 错误。void abort()逼迫关闭套接字。QNetworkProxy proxy() const返回套接字的代理设置。void setProxy(const QNetworkProxy &networkProxy)设置套接字的代理设置。QString errorString() const返回套接字的错误消息字符串。这些函数提供了在 UDP 通信中使用 QUdpSocket 的各种功能，包括绑定、发送和接收数据报、设置和获取套接字的状态等。
1.1 初始化部分

在初始化部分我们起首通过new QUdpSocket来实现创建UDP对象，QUdpSocket 构造函数的函数原型如下：

1. QUdpSocket::QUdpSocket(QObject * parent = nullptr)

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如上构造函数创建一个新的 QUdpSocket 对象。如果提供了 parent 参数，则会将新创建的 QUdpSocket 对象添加到 parent 对象的子对象列表中，而且在 parent 对象被烧毁时主动烧毁 QUdpSocket 对象。如果没有提供 parent 参数，则 QUdpSocket 对象将不会有父对象，而且需要手动管理其生命周期。
初始化结束后，则下一步需要调用bind()，bind() 函数是 QUdpSocket 类的一个成员函数，用于将套接字绑定到特定的本地地点和端口。它的函数原型如下：

1. void QUdpSocket::bind(const QHostAddress &address, quint16 port, BindMode mode = DefaultForPlatform)

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• address：要绑定的本地地点，通常是 QHostAddress::Any，表示绑定到所有可用的网络接口。
  
• port：要绑定的本地端口号。
  
• mode：绑定模式，指定套接字的行为。默认值是 DefaultForPlatform，表示使用平台默认的绑定模式。
  

该函数允许 QUdpSocket 在本地网络接口上监听传入的数据报。一旦调用了 bind() 函数，QUdpSocket 就可以接收来自指定地点和端口的数据报。
在调用 bind() 函数之后，如果乐成绑定了指定的地点和端口，套接字将处于 BoundState 状态。如果出现错误，可以通过查抄 error() 函数获取错误代码，并通过 errorString() 函数获取错误消息。
接着我们通过connect()函数依次绑定套接字到stateChanged状态改变信号，以及readyRead()读取信号上，这段初始化代码如下所示；

1. MainWindow::MainWindow(QWidget *parent)
2.     : QMainWindow(parent)
3.     , ui(new Ui::MainWindow)
4. {
5.     ui->setupUi(this);
7.     udpSocket=new QUdpSocket(this);
9.     // 生成随机整数 包含2000 - 不包含65534
10.     int randomInt = QRandomGenerator::global()->bounded(2000, 65534);
12.     if(udpSocket->bind(randomInt))
13.     {
14.         this->setWindowTitle(this->windowTitle() + " | 地址: " + getLocalAddress() + " 绑定端口：" + QString::number(udpSocket->localPort()));
15.     }
17.     connect(udpSocket,SIGNAL(stateChanged(QAbstractSocket::SocketState)),this,SLOT(onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState)));
18.     onSocketStateChange(udpSocket->state());
19.     connect(udpSocket,SIGNAL(readyRead()),this,SLOT(onSocketReadyRead()));
20. }

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接着切换到读取信号所对应的槽函数上，onSocketReadyRead是我们自界说的一个槽，该槽函数功能如下所示；

1. // 读取收到的数据报
2. void MainWindow::onSocketReadyRead()
3. {
4.     while(udpSocket->hasPendingDatagrams())
5.     {
6.         QByteArray datagram;
7.         datagram.resize(udpSocket->pendingDatagramSize());
9.         QHostAddress peerAddr;
10.         quint16 peerPort;
11.         udpSocket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size(),&peerAddr,&peerPort);
12.         QString str=datagram.data();
14.         QString peer="[消息来自 " + peerAddr.toString()+":"+QString::number(peerPort)+"] | ";
16.         ui->plainTextEdit->appendPlainText(peer+str);
17.     }
18. }

复制代码

起首在代码中调用pendingDatagramSize函数，pendingDatagramSize() 是 QUdpSocket 类的一个成员函数，用于获取下一个待读取的数据报的巨细。它的函数原型如下：

1. qint64 QUdpSocket::pendingDatagramSize() const

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该函数返回一个 qint64 类型的值，表示下一个待读取的数据报的巨细（以字节为单位）。如果没有待读取的数据报，或者发生了错误，该函数将返回 -1。
通常，可以在调用 readDatagram() 函数之前调用 pendingDatagramSize() 函数来获取下一个待读取的数据报的巨细。这样可以为数据缓冲区分配正确巨细的空间，以确保完整地读取数据报。
当有了待读取字节后，接着就可以直接通过调用readDatagram函数来从套接字中读取数据报，readDatagram() 是 QUdpSocket 类的一个成员函数，它有几个重载形式，其中最常用的是：

1. qint64 QUdpSocket::readDatagram(char * data, qint64 maxSize, QHostAddress * address = nullptr, quint16 * port = nullptr)

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该函数用于读取数据报并将其存储到指定的缓冲区 data 中，最多读取 maxSize 个字节的数据。可选参数 address 和 port 用于返回数据报的源地点和端口号。如果不需要这些信息，可以将它们设置为 nullptr。
函数返回实际读取的字节数，如果发生错误，返回 -1。要查看错误信息，可以使用 error() 和 errorString() 函数。
另外，另有一个更简单的重载形式：

1. QByteArray QUdpSocket::readDatagram(qint64 maxSize, QHostAddress * address = nullptr, quint16 * port = nullptr)

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这个重载函数直接返回一个 QByteArray 对象，其中包含了读取的数据报。
1.2 单播与广播消息

单播（Unicast）和广播（Broadcast）是网络通信中常见的两种数据传输方式，它们在数据包的传输范围和目的数量上有所差别。
单播（Unicast）

单播是一种一对一的通信方式，其中数据包从一个发送者传输到一个接收者。在单播通信中，数据包只发送到目的主机的网络接口，而且只有目的主机可以大概接收和处置惩罚这个数据包。

• 一对一通信：每个数据包只有一个发送者和一个接收者。
  
• 目的明确：数据包只发送到特定的目的主机，其他主机不会接收到这个数据包。
  
• 点到点通信：实用于直接通信的场景，如客户端与服务器之间的通信。
  

当按钮发送消息被点击后，则是一种单播模式，通常该模式需要得到目的地点与端口号，并通过调用writeDatagram来实现数据的发送，该函数通过传入三个参数，分别是发送字符串，目的地点与目的端口来实现一对一推送。

1. void MainWindow::on_pushButton_clicked()
2. {
3.     QHostAddress targetAddr(ui->lineEdit_addr->text());
4.     QString portString = ui->lineEdit_port->text();
5.     quint16 targetPort = portString.toUShort();
7.     QString msg=ui->lineEdit_msg->text();
8.     QByteArray str=msg.toUtf8();
10.     // 发送数据报
11.     udpSocket->writeDatagram(str,targetAddr,targetPort);
12.     ui->plainTextEdit->appendPlainText("[单播消息] | " + msg);
13. }

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广播（Broadcast）

广播是一种一对多的通信方式，其中数据包从一个发送者传输到同一网络中的所有主机。在广播通信中，数据包被发送到网络中的所有主机，而且所有的主机都可以大概接收和处置惩罚这个数据包。

• 一对多通信：每个数据包有一个发送者，但可以有多个接收者。
  
• 目的不明确：数据包被发送到网络中的所有主机，不需要知道接收者的具体地点。
  
• 广播域：在局域网中进行广播，只有在同一广播域内的主机才能接收到广播消息。
  
• 网络负载：在大型网络中使用广播大概会产生大量的网络流量，影响网络性能。
  

当按钮广播消息被点击后，则同样是调用writeDatagram函数与，唯一的区别在于第二个参数并未指定地点，而是使用了QHostAddress::Broadcast来取代，意味着只要端口是一致的则对所有的客户推送消息，其他保持不变。

1. void MainWindow::on_pushButton_2_clicked()
2. {
3.     // 广播地址
4.     QString portString = ui->lineEdit_port->text();
5.     quint16 targetPort = portString.toUShort();
7.     QString  msg=ui->lineEdit_msg->text();
8.     QByteArray str=msg.toUtf8();
9.     udpSocket->writeDatagram(str,QHostAddress::Broadcast,targetPort);
11.     ui->plainTextEdit->appendPlainText("[广播消息] | " + msg);
12. }

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读者可自行运行两次客户端，此时的端口将会随机分配，当指定对端端口后就可以向其发送数据，如下图所示；具体实现细节，请参考文章附件。

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