目录

1. 理解协议

1.1 结构化数据的传输

序列化与反序列化

代码感知：

Request 类

1. 构造函数

2. 序列化函数：Serialize()

3. 反序列化函数：DeSerialize()

补充

4. 成员变量

Response 类

1. 构造函数

2. 序列化函数：Serialize()

3. 反序列化函数：DeSerialize()

4. 成员变量

总结

2. 实验：网络版计算器

2.1 定义请求和响应协议

2.2 TCP 服务端设计

2.3 业务处理逻辑

3. TCP 客户端实现

4. 序列化与反序列化的重要性

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在网络编程中，协议是一个关键概念。协议本质上是一种“约定”，规定了两方在通信时如何格式化和处理数据。本文将深入探讨如何通过协议进行结构化数据的传输，并且通过一个具体的网络版计算器（ TCP服务器-客户端）示例，展示序列化与反序列化的实现。

学习导图：

1. 理解协议

协议，简单来说，就是通信双方都遵守的规则。在前面的例子中，我们使用了父亲和儿子通过电话沟通的场景。父亲告诉儿子会在特定时间打电话，这就是一种约定——协议。

1.1 结构化数据的传输

在网络通信中，数据通常以字节流的形式发送和接收。当我们需要传输的是结构化数据时，例如在QQ群聊中，除了文字消息外，还包含头像、时间和昵称。这些信息都需要以某种方式发送给对方。如果我们逐个发送这些数据，不仅麻烦，接收方也难以处理，因此需要对这些数据进行打包。

为什么要把字符串转成结构化数据呢？未来这个结构化的数据一定是一个对象，然后使用它的时候，直接对象.url 、对象.time 拿到。

而这里的结构体如message就是传说中的业务协议。
因为它规定了我们聊天时网络通信的数据。

序列化与反序列化

为了简化结构化数据的传输，我们通常将多个独立的信息合并为一个报文。这就是序列化的过程：将数据打包成一个字符串或字节流，再通过网络发送。接收方收到数据后，需要通过反序列化，将收到的数据解析回原来的结构化数据。

代码感知：

这段代码的核心功能是实现请求（Request）和响应（Response）的序列化与反序列化。序列化的作用是将类中的成员变量转换成字符串格式，方便在网络中传输；反序列化的作用是将字符串解析回类的成员变量，恢复为结构化数据。以下是对该代码的详细解释：

Request 类

class Request
{
public:// 定义常量字符串分隔符和其长度static const char SPACE = ' ';static const int SPACE_LEN = 1;

这个类表示客户端发送给服务器的计算请求，包含两个操作数（_x 和 _y）以及一个操作符（_op）。它提供了序列化和反序列化的能力。

1. 构造函数

Request()
{}

这个是默认构造函数，不进行任何初始化操作，只是声明了 Request 对象。

Request(int x, int y, int op): _x(x), _y(y), _op(op)
{}

这是一个带参数的构造函数，它接受两个整数操作数 x、y 和一个字符操作符 op，并将它们赋值给类中的成员变量 _x、_y、_op。

2. 序列化函数：Serialize()

std::string Serialize()
{std::string str;str = std::to_string(_x);str += SPACE;str += _op;str += SPACE;str += std::to_string(_y);return str;
}

• 功能：将 Request 对象中的数据成员 _x、_op 和 _y 组合成一个字符串。返回组合好的字符串。最终结果类似 "1 + 2" 的格式。

3. 反序列化函数：DeSerialize()

bool DeSerialize(const std::string &str)
{size_t left = str.find(SPACE);if(left == std::string::npos){return false;}size_t right = str.rfind(SPACE);if (right == std::string::npos){return false;}_x = atoi(str.substr(0, left).c_str());_y = atoi(str.substr(right + SPACE_LEN).c_str());if(left + SPACE_LEN < str.size()){_op = str[left + SPACE_LEN];return true;}else{return false;}
}

• 功能：从输入的字符串中提取出操作数 _x 和 _y 以及操作符 _op，并将它们存储到 Request 对象的成员变量中。
• 步骤：

1. 1. str.find(SPACE)：在字符串 str 中查找第一个空格的位置，用作分隔符。如果找不到，返回 false。
   2. str.rfind(SPACE)：查找最后一个空格的位置，表示第二个操作数的开头。如果找不到，返回 false。
   3. 使用 atoi 函数从字符串中提取整数操作数 _x 和 _y。substr(0, left) 获取左侧字符串，即第一个操作数，substr(right + SPACE_LEN) 获取右侧字符串，即第二个操作数。
   4. 从字符串 str 中获取操作符 _op，位于第一个空格后的位置。
   5. 如果解析成功，返回 true；否则返回 false。

设计思路：

补充

1. 上面代码中的atoi是怎么使用的，介绍一下atoi接口
2. 是如何从字符串 str 中获取操作符 _op

1. atoi 函数的使用：
   atoi 是 C++ 标准库函数之一，它位于 <cstdlib> 头文件中。该函数的作用是将一个字符串（以空字符结尾的字符数组）转换为 int 类型的整数。其原型如下：

int atoi(const char *str);

参数 str 是指向要转换的以空字符结尾的字符串的指针。atoi 会从字符串的开头开始转换，直到遇到第一个非数字字符或到达字符串的结尾。如果字符串以数字开头，atoi 会返回这些数字对应的整数值。如果字符串不是以数字开头，或者字符串为空，atoi 会返回 0。
以下是一些使用 atoi 的例子：

#include <cstdlib>
#include <iostream>
int main() {const char *str1 = "123";const char *str2 = "12abc34";const char *str3 = "abc123";int num1 = atoi(str1); // num1 will be 123int num2 = atoi(str2); // num2 will be 12int num3 = atoi(str3); // num3 will be 0 (no digits at the start)std::cout << "num1: " << num1 << std::endl;std::cout << "num2: " << num2 << std::endl;std::cout << "num3: " << num3 << std::endl;return 0;
}

需要注意的是，atoi 不进行错误检查，如果字符串不能完全转换为数字，那么未转换的部分将被忽略。此外，atoi 无法处理整数溢出，如果转换的数字超出了 int 的表示范围，结果是不确定的。

🎢2. 从字符串 str 中获取操作符 _op：
在 Request 类的 DeSerialize 方法中，以下是获取操作符 _op 的代码片段：

if(left + SPACE_LEN < str.size())
{_op = str[left + SPACE_LEN];return true;
}
else
{return false;
}

这里的 left 是 str 中第一个空格字符的位置，SPACE_LEN 是空格字符的长度，通常为 1。所以 left + SPACE_LEN 是第一个空格字符之后的位置，即操作符 _op 应该出现的位置。str[left + SPACE_LEN] 获取该位置的字符并将其赋值给 _op。

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4. 成员变量

public:int _x;int _y;char _op;
};

Response 类

Response 类表示服务器的响应，包含两个数据成员：计算结果 _ret 和状态码 _code。

1. 构造函数

Response()
{}

这是默认构造函数，不初始化任何成员。

Response(int ret, int code): _code(code), _ret(ret)
{}

这是一个带参数的构造函数，用来初始化响应结果 ret 和状态码 code。

2. 序列化函数：Serialize()

std::string Serialize()
{std::string str = std::to_string(_code);str += SPACE;str += std::to_string(_ret);return str;
}

• 功能：将 Response 对象的两个成员变量 _code 和 _ret 组合成字符串。

3. 反序列化函数：DeSerialize()

bool DeSerialize(std::string &str)
{size_t pos = str.find(SPACE);if(pos == std::string::npos){return false;}_code = atoi(str.substr(0, pos).c_str());_ret = atoi(str.substr(pos + SPACE_LEN).c_str());return true;
}

• 功能：从输入的字符串中解析出状态码 _code 和计算结果 _ret，并存入 Response 对象。

4. 成员变量

int _ret;  // 计算结果
int _code; // 状态码

Response 类包含两个成员变量：

• _ret：存储服务器的计算结果（例如：加法、减法的结果）。
• _code：存储状态码，0 表示成功，非 0 表示错误（例如：除以 0 错误时 _code 可能为 1）。

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总结

class Request
{
public:Request(){}Request(int x, int y, int op): _x(x), _y(y), _op(op){}~Request(){}// _x _op _ystd::string Serialize(){std::string str;str = std::to_string(_x);str += SPACE;str += _op;str += SPACE;str += std::to_string(_y);return str;}bool DeSerialize(const std::string &str){size_t left = str.find(SPACE);if(left == std::string::npos){return false;}size_t right = str.rfind(SPACE);if (right == std::string::npos){return false;}_x = atoi(str.substr(0, left).c_str());_y = atoi(str.substr(right + SPACE_LEN).c_str());if(left + SPACE_LEN < str.size()){_op = str[left + SPACE_LEN];return true;}else{return false;}}public:int _x;int _y;char _op;
};class Response
{
public:Response(){}Response(int ret, int code): _code(code), _ret(ret){}~Response(){}// _code _retstd::string Serialize(){std::string str = std::to_string(_code);str += SPACE;str += std::to_string(_ret);return str;}bool DeSerialize(std::string &str){size_t pos = str.find(SPACE);if(pos == std::string::npos){return false;}_code = atoi(str.substr(0, pos).c_str());_ret = atoi(str.substr(pos + SPACE_LEN).c_str());return true;}public:int _ret;  // 计算结果int _code; // 计算结果的状态码
};

代码展示了如何将 Request 和 Response 对象进行序列化和反序列化，以便在网络中传输结构化数据。序列化将对象转换为字符串进行网络传输，反序列化将接收到的字符串重新解析为对象，方便在应用程序中处理。

• Request 主要表示操作请求，包括两个操作数和一个操作符。
• Response 表示服务器的响应，包括计算结果和状态码。
• 序列化与反序列化是网络编程中常用的技术，能有效将复杂的结构化数据转化为适合网络传输的简单格式。

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2. 实验：网络版计算器

为了加深理解，我们通过实现一个简单的TCP服务端来展示协议、序列化和反序列化的运作过程。这个服务端会处理简单的数学运算请求，客户端发送请求，服务端进行计算并返回结果。

2.1 定义请求和响应协议

我们定义了一个 Request 类来表示计算请求，包含两个操作数和一个操作符。同时，我们定义了 Response 类来表示响应结果，包含计算结果和状态码。

class Request {
public:Request(int x, int y, char op) : _x(x), _y(y), _op(op) {}// 序列化：将请求转换为字符串格式bool serialize(string *out) {*out = to_string(_x) + " " + _op + " " + to_string(_y);return true;}// 反序列化：从字符串解析出请求内容bool deserialize(const string &in) {auto left = in.find(' ');auto right = in.rfind(' ');if (left == string::npos || right == string::npos || left == right)return false;_x = stoi(in.substr(0, left));_op = in[left + 1];_y = stoi(in.substr(right + 1));return true;}public:int _x; // 操作数1int _y; // 操作数2char _op; // 操作符
};class Response {
public:Response(int exitcode, int result) : _exitcode(exitcode), _result(result) {}// 序列化：将响应转换为字符串格式bool serialize(string *out) {*out = to_string(_exitcode) + " " + to_string(_result);return true;}// 反序列化：从字符串解析出响应内容bool deserialize(const string &in) {auto pos = in.find(' ');if (pos == string::npos) return false;_exitcode = stoi(in.substr(0, pos));_result = stoi(in.substr(pos + 1));return true;}public:int _exitcode; // 状态码int _result;   // 计算结果
};

2.2 TCP 服务端设计

我们设计了一个简单的TCP服务器 CalServer，用于处理客户端的请求并返回响应。

• handlerEntry 函数：负责处理单个客户端连接。接收请求、反序列化、执行计算、序列化响应并发送回客户端。
• CalServer 类：负责监听端口并处理多个客户端连接。

class CalServer {
public:CalServer(const uint16_t port) : _port(port), _listensock(-1) {}void initServer() {_listensock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in local;local.sin_family = AF_INET;local.sin_port = htons(_port);local.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;bind(_listensock, (struct sockaddr*)&local, sizeof(local));listen(_listensock, 5);}void start(func_t func) {signal(SIGCHLD, SIG_IGN);while (true) {int sock = accept(_listensock, nullptr, nullptr);if (fork() == 0) {handlerEntry(sock, func);close(sock);exit(0);}close(sock);}}
};

2.3 业务处理逻辑

处理请求的逻辑被封装在 Cal 函数中。它根据请求中的操作符计算结果并填充响应：

void Cal(const Request &req, Response &resp) {switch (req._op) {case '+': resp._result = req._x + req._y; break;case '-': resp._result = req._x - req._y; break;case '*': resp._result = req._x * req._y; break;case '/': if (req._y == 0) resp._exitcode = 1; else resp._result = req._x / req._y; break;default: resp._exitcode = 2; break;}
}

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3. TCP 客户端实现

客户端通过发送序列化后的请求并接收响应。

class CalClient {
public:CalClient(const string &ip, const uint16_t &port) : _serverip(ip), _serverport(port), _sockfd(-1) {}void initClient() {_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in server;server.sin_family = AF_INET;server.sin_port = htons(_serverport);server.sin_addr.s_addr = inet_addr(_serverip.c_str());connect(_sockfd, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server));}void run() {while (true) {string msg;cout << "Enter calculation: ";getline(cin, msg);Request req = parseInput(msg);string req_str;req.serialize(&req_str);send(_sockfd, req_str.c_str(), req_str.size(), 0);char buffer[1024];recv(_sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);Response resp;resp.deserialize(buffer);cout << "Result: " << resp._result << endl;}}private:string _serverip;uint16_t _serverport;int _sockfd;
};

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4. 序列化与反序列化的重要性

• 序列化：将结构化的数据（如对象）转换为字节流或字符串，以便传输。
• 反序列化：将字节流或字符串重新解析为结构化数据，供应用程序使用。

通过序列化与反序列化，应用程序与网络通信得到了有效解耦。这种设计使得复杂的数据可以轻松地在网络中传输，并且为上层应用提供了灵活的操作方式。

对于网络版计算器所有部分的完整代码，之后将上传 gitee，下篇文章将对于设计思路和一些坑点继续讲解~