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，利用Qt可以快速开发跨平台窗体应用程序，在Qt中我们可以通过拖拽的方式将不同组件放到指定的位置，实现图形化开发极大的方便了开发效率，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 类的完整函数及其简要解释：

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，释放 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址和端口。
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())离开多播组。
qint64 pendingDatagramSize() const返回下一个待读取的数据报的大小。
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返回本地地址。
quint16 localPort() const返回本地端口。
int readBufferSize() const返回读取缓冲区的大小。
void setReadBufferSize(int size)设置读取缓冲区的大小。
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<QSslError> &errors)忽略 SSL 错误。
void abort()强制关闭套接字。
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

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

QUdpSocket::QUdpSocket(QObject * parent = nullptr)

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，并且在 parent 对象被销毁时自动销毁 QUdpSocket 对象。如果没有提供 parent 参数，则 QUdpSocket 对象将不会有父对象，并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址和端口。它的函数原型如下：

void QUdpSocket::bind(const QHostAddress &address, quint16 port, BindMode mode = DefaultForPlatform)
  • address：要绑定的本地地址，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址和端口的数据报。

在调用 bind() 函数之后，如果成功绑定了指定的地址和端口，套接字将处于 BoundState 状态。如果出现错误，可以通过检查 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；

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent)
    : QMainWindow(parent)
    , ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);

    udpSocket=new QUdpSocket(this);

    // 生成随机整数 包含2000 - 不包含65534
    int randomInt = QRandomGenerator::global()->bounded(2000, 65534);

    if(udpSocket->bind(randomInt))
    {
        this->setWindowTitle(this->windowTitle() + " | 地址: " + getLocalAddress() + " 绑定端口：" + QString::number(udpSocket->localPort()));
    }

    connect(udpSocket,SIGNAL(stateChanged(QAbstractSocket::SocketState)),this,SLOT(onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState)));
    onSocketStateChange(udpSocket->state());
    connect(udpSocket,SIGNAL(readyRead()),this,SLOT(onSocketReadyRead()));
}

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

// 读取收到的数据报
void MainWindow::onSocketReadyRead()
{
    while(udpSocket->hasPendingDatagrams())
    {
        QByteArray datagram;
        datagram.resize(udpSocket->pendingDatagramSize());

        QHostAddress peerAddr;
        quint16 peerPort;
        udpSocket->readDatagram(datagram.data(),datagram.size(),&peerAddr,&peerPort);
        QString str=datagram.data();

        QString peer="[消息来自 " + peerAddr.toString()+":"+QString::number(peerPort)+"] | ";

        ui->plainTextEdit->appendPlainText(peer+str);
    }
}

首先在代码中调用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大小。它的函数原型如下：

qint64 QUdpSocket::pendingDatagramSize() const

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大小（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大小。这样可以为数据缓冲区分配正确大小的空间，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：

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

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址和端口号。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，还有一个更简单的重载形式：

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

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标数量上有所不同。

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，数据包只发送到目标主机的网络接口，并且只有目标主机能够接收和处理这个数据包。

  • 一对一通信：每个数据包只有一个发送者和一个接收者。
  • 目标明确：数据包只发送到特定的目标主机，其他主机不会接收到这个数据包。
  • 点到点通信：适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标地址与端口号，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，目标地址与目标端口来实现一对一推送。

void MainWindow::on_pushButton_clicked()
{
    QHostAddress targetAddr(ui->lineEdit_addr->text());
    QString portString = ui->lineEdit_port->text();
    quint16 targetPort = portString.toUShort();

    QString msg=ui->lineEdit_msg->text();
    QByteArray str=msg.toUtf8();

    // 发送数据报
    udpSocket->writeDatagram(str,targetAddr,targetPort);
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[单播消息] | " + msg);
}
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，并且所有的主机都能够接收和处理这个数据包。

  • 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。
  • 目标不明确：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址。
  • 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可能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址，而是使用了QHostAddress::Broadcast来代替，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。

void MainWindow::on_pushButton_2_clicked()
{
    // 广播地址
    QString portString = ui->lineEdit_port->text();
    quint16 targetPort = portString.toUShort();

    QString  msg=ui->lineEdit_msg->text();
    QByteArray str=msg.toUtf8();
    udpSocket->writeDatagram(str,QHostAddress::Broadcast,targetPort);

    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[广播消息] | " + msg);
}

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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