Linux C++網絡編程實例分享——有關結構體、字節對齊、大小端字節序

1.項目背景

我需要通過UDP接收GPS設備的位置信息，廠家定義的數據包結構大致如下：

數據包頭：

描述	字節數
命令標誌	2
版本號	2
數據體大小	4

數據體：

描述	字段類型	數據長度
設備編號	unsigned char	10
設備類型	unsigned char	1
經度	double	8
緯度	doube	8

設備編號：不足20位數字，在數字前補零，每兩個數字共用一個字節

2.初始設計

按照以前的經驗，我很自然地先定義了一個結構體：

typedef struct dataHeader
{
    unsigned short Flag;
    unsigned short Ver;
    unsigned int Size;
}Header;

typedef struct dataLocation
{
    unsigned char   DeviceName[10];
    unsigned char   DeviceType;
    double          Longitude;
    double          Latitude;
}Location;

typedef struct Data
{
    Header      header;
    Location    location;
}GPSData;

然後就是一段簡單的接收程序：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sstream>

#include "tUtil.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int ret;

    char* PORT="9302";
    
    //定義udp套接字
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(atoi(PORT));
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);

    int sock;
    if ( (sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0)
    {
        perror("Socket init error;");
        exit(1);
    }
    //綁定端口
    if (bind(sock, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0)
    {
        perror("Socket bind error;");
        exit(1);
    }

    //發送端地址
    struct sockaddr_in clientAddr;
    memset(&clientAddr,0,sizeof(clientAddr));
    size_t n;
    socklen_t len = sizeof(clientAddr);

     //聲明接收數據結構體
    GPSData gpsLoc;
    char buff[sizeof(gpsLoc)];
    memset(buff,0x00,sizeof(buff));
    
    while (1)
    {
        n = recvfrom(sock, buff, sizeof(buff), 0, (struct sockaddr*)&clientAddr, &len);
        
        if (n > 0)
        {
            memcpy(&gpsLoc,buff,sizeof(gpsLoc));
            //打印發送端信息
            printf("From address: %s port: %u \n", inet_ntoa(clientAddr.sin_addr), ntohs(clientAddr.sin_port));
            
            //處理接收到的信息
            //先打印個編號吧
            char id[20]="";
            for(int i =0;i<10;i++)
            {
                char ts[2]="";
                sprintf(ts,"%02x",gpsLoc.location.DeviceName[i]);
                sprintf(id,"%s%s",id,ts);
            }
            printf("GPS Info: DeviceID: %s\n",id);)
        }
    }
    return 0;
}

一切看起來都那麼美好，開始測試啦！

3.測試過程

3.1 篩選數據

當我收到第一條消息後：程序卒；

抓個包看下，來了一條跟上面結構完全不一樣的數據，好吧，原來有其他格式的消息發過來了。這時候我要做個數據篩選，於是我改成了這樣：

if (n>0 && buff[1] == 0xcc)
{
	...
}

再跑一下試試，等了好久，沒有一條符合要求的，是不是沒有消息推過來啊，再抓個包分析下，有數據的啊，爲什麼不符合判斷條件呢？

打印一下buff[1]發現，它不是0xcc，是0xffffffcc，這跟我想像的不一樣啊！然後我看到了這篇博客，簡單來講就是：printf()函數的%x(X)輸出的是Int型別的16進制格式，所以char型別的c變量會被轉換成Int型別，而char類型是有符號的。再看看上面別人數據接口的定義：

unsigned char   DeviceName[10];

恍然大悟，我的buff數組是char類型的，而別人發過來的是unsigned char的，所以將判斷條件改成下面這樣：

if (n>0 && （unsigned char）buff[1] == 0xcc)
{
	...
}

終於收到數據啦，打印出來一串設備編號，很開心啊！

3.2 結構體大小

接下來解析經緯度了，double數據嘛，很容易的：

//把上面那句打印編號的代碼改成這樣
printf("GPS Info: DeviceID: %s, Longitude: %f Latitude: %f \n",id, gpsLoc.location.Longitude,gpsLoc.location.Latitude);

收到的結果是經緯度都是0，剛開始想想，正常嘛，也許沒有收到信號呢，再等等吧…

依舊是0，偶爾還有非常長的一串數字…

直覺告訴我，解析出錯了，錯在哪呢？還是分析抓到的數據包。

收到的數據長度是35，我之前還特意算了一下自己定義的結構體的size應該是40，顯然對方發過來的數據，沒有按默認的字節對齊方式，而是按照1字節對齊了，應該是爲了節省發送的數據量；

那麼就需要按1字節對齊，在結構體定義的最前面加上#pragma pack(1)，這裏提醒一下，結構體定義完成後一定要養成#pragma pack()恢復默認的對齊方式，因爲很可能影響到你用的第三方庫，比如我這個項目剛好用了tinyxml生成xml，剛開始沒有加#pragma pack()，結果生成xml結構就一直出錯。

好了，那麼下面應該就沒問題了吧。

3.3 大小端、網絡字節序

事實證明，並沒有好，輸出的現象跟上面一樣，一定是哪裏不對。

這裏要說一下，別人的接口中說明了用的是網絡字節序，在UDP/TCP/IP協議中，規定網絡字節序用的是大端模式，所以，我立刻檢查了下我係統使用的是大端還是小端模式，一段代碼驗證一下，結果是小端模式，那麼接下來的事情就清晰明瞭了，我得轉換一下字節序，

所以我把解析經緯度的代碼改成了這樣：

typedef union cTod{
    char a[8];
    double f;
}CTOD;

//處理接收到的double數據
CTOD lonUnion,latUnion;
memcpy(lonUnion.a,buff+19,8);
memcpy(latUnion.a,buff+27,8);

//測試系統大小端
union check
{
    int i;
    char ch;
} c;
c.i = 1;
if(c.ch == 1)//小端模式
{
    for(int n =0;n<4;n++)
    {
        char tmp = lonUnion.a[n];
        lonUnion.a[n] = lonUnion.a[7-n];
        lonUnion.a[7-n] = tmp;

        tmp = latUnion.a[n];
        latUnion.a[n] = latUnion.a[7-n];
        latUnion.a[7-n] = tmp;
    }
    printf("*************Little endian Union result: Longitude: %f Latitude: %f **********\n", lonUnion.f,latUnion.f);
}
else if(c.ch == 0)//大端模式，與網絡字節序一致
{
    printf("*************Big endian Union result:, Longitude: %f Latitude: %f **********\n", lonUnion.f,latUnion.f);
}

printf("GPS Info: DeviceID: %s, Longitude: %f Latitude: %f \n",id, lonUnion.f,latUnion.f);

這裏用到了聯合體，對，就是那個我平時都不知道用來幹嘛的玩意兒。

我用union的性質，實現double類型和char數組之間的數據內存共享，順便用它判斷一下本機的字節序是大端還是小端。

將收到的經緯度數據保存到union的char數組中，對於小端模式的系統，再對char數組做一下逆序操作，這樣union中的double數據就是我要的經緯度了。

4.總結

跑了一下，終於可以正常運行了，也看到了熟悉的經緯度數據。最終的代碼我傳到CSDN了，有興趣的同學可以在我的資源主頁找到。

學習C++的道路漫長而又曲折啊…