C++ Qt開發：QTcpSocket網絡通信組件

Qt 是一個跨平臺C++圖形界面開發庫，利用Qt可以快速開發跨平臺窗體應用程序，在Qt中我們可以通過拖拽的方式將不同組件放到指定的位置，實現圖形化開發極大的方便了開發效率，本章將重點介紹如何運用QTcpSocket組件實現基於TCP的網絡通信功能。

QTcpSocket和QTcpServer是Qt中用於實現基於TCP（Transmission Control Protocol）通信的兩個關鍵類。TCP是一種面向連接的協議，它提供可靠的、雙向的、面向字節流的通信。這兩個類允許Qt應用程序在網絡上建立客戶端和服務器之間的連接。

以下是QTcpSocket類的一些常用函數：

函數	描述
`QTcpSocket()`	構造函數，創建一個新的`QTcpSocket`對象。
`~QTcpSocket()`	析構函數，釋放`QTcpSocket`對象及其資源。
`void connectToHost(const QString &hostName, quint16 port)`	嘗試與指定主機名和端口建立連接。
`void disconnectFromHost()`	斷開與主機的連接。
`QAbstractSocket::SocketState state() const`	返回套接字的當前狀態。
`QHostAddress peerAddress() const`	返回與套接字連接的遠程主機的地址。
`quint16 peerPort() const`	返回與套接字連接的遠程主機的端口。
`QAbstractSocket::SocketError error() const`	返回套接字的當前錯誤代碼。
`qint64 write(const char *data, qint64 maxSize)`	將數據寫入套接字，返回實際寫入的字節數。
`qint64 read(char *data, qint64 maxSize)`	從套接字讀取數據，返回實際讀取的字節數。
`void readyRead()`	當套接字有可供讀取的新數據時發出信號。
`void bytesWritten(qint64 bytes)`	當套接字已經寫入指定字節數的數據時發出信號。
`void error(QAbstractSocket::SocketError socketError)`	當套接字發生錯誤時發出信號。

以下是QTcpServer類的一些常用函數及其簡要解釋：

函數	描述
`QTcpServer()`	構造函數，創建一個新的`QTcpServer`對象。
`~QTcpServer()`	析構函數，釋放`QTcpServer`對象及其資源。
`bool listen(const QHostAddress &address = QHostAddress::Any, quint16 port = 0)`	開始監聽指定的地址和端口。
`void close()`	停止監聽並關閉服務器。
`bool isListening() const`	返回服務器是否正在監聽連接。
`QList<QTcpSocket*> pendingConnections()`	返回等待處理的掛起連接的列表。
`virtual void incomingConnection(qintptr socketDescriptor)`	當有新連接時調用，可以在子類中實現以處理新連接。
`void maxPendingConnections() const`	返回允許的最大掛起連接數。
`void setMaxPendingConnections(int numConnections)`	設置允許的最大掛起連接數。
`QNetworkProxy proxy() const`	返回服務器的代理設置。
`void setProxy(const QNetworkProxy &networkProxy)`	設置服務器的代理設置。
`QAbstractSocket::SocketError serverError() const`	返回服務器的當前錯誤代碼。
`QString errorString() const`	返回服務器的錯誤消息字符串。
`void pauseAccepting()`	暫停接受新連接，但保持現有連接。
`void resumeAccepting()`	恢復接受新連接。
`void close()`	關閉服務器。

如上這些只是常用函數的簡要描述，詳細的函數說明和用法可以參考Qt官方文檔或相關文檔。

1.1 通信的流程

1.1.1 服務端流程

在使用TCP通信時同樣需要導入Qt+=network模塊，並在頭文件中引入QTcpServer和QTcpSocket兩個模塊，當有了模塊的支持，接着就是偵聽套接字，此處可通過調用server.listen來實現偵聽，此函數原型如下；

bool QTcpServer::listen(
    const QHostAddress &address = QHostAddress::Any, 
    quint16 port = 0
);

這個函數用於開始在指定的地址和端口上監聽連接。它的參數包括：

address：一個QHostAddress對象，指定要監聽的主機地址。默認爲QHostAddress::Any，表示監聽所有可用的網絡接口。
port：一個quint16類型的端口號，指定要監聽的端口。如果設置爲0，系統將選擇一個可用的未使用端口。

函數返回一個bool值，表示是否成功開始監聽。如果成功返回true，否則返回false，並且可以通過調用errorString()獲取錯誤消息。

緊隨套接字偵聽其後，通過使用一個waitForNewConnection等待新的連接到達。它的原型如下：

bool QTcpServer::waitForNewConnection(
    int msec = 0, 
    bool *timedOut = nullptr
);

該函數在服務器接受新連接之前會一直阻塞。參數包括：

msec：等待連接的超時時間（以毫秒爲單位）。如果設置爲0（默認值），則表示無限期等待，直到有新連接到達。
timedOut：一個可選的布爾指針，用於指示等待是否超時。如果傳遞了此參數，並且等待時間達到了指定的超時時間，*timedOut將被設置爲true，否則爲false。如果不關心超時，可以將此參數設置爲nullptr。

函數返回一個布爾值，表示是否成功等待新連接。如果在超時時間內有新連接到達，返回true，否則返回false。如果等待超時，可以通過檢查timedOut參數來確定。如果函數返回false，可以通過調用errorString()獲取錯誤消息。

套接字的接收會使用nextPendingConnection()函數來實現，nextPendingConnection 是 QTcpServer 類的成員函數，用於獲取下一個已接受的連接的套接字（QTcpSocket）。它的原型如下：

QTcpSocket *QTcpServer::nextPendingConnection();

函數返回一個指向新連接套接字的指針。如果沒有已接受的連接，則返回 nullptr。

使用這個函數，你可以在服務器接受連接之後獲取相應的套接字，以便進行數據傳輸和通信。一般來說，在收到 newConnection 信號後，你可以調用這個函數來獲取新連接的套接字。

當有了套接字以後，就可以通過QTcpServer指針判斷對應的套接字狀態，一般套接字的狀態被定義在QAbstractSocket類內。以下是QAbstractSocket類中定義的一些狀態及其對應的標誌：

狀態標誌	描述
`UnconnectedState`	未連接狀態，套接字沒有連接到遠程主機。
`HostLookupState`	正在查找主機地址狀態，套接字正在解析主機名。
`ConnectingState`	連接中狀態，套接字正在嘗試與遠程主機建立連接。
`ConnectedState`	已連接狀態，套接字已經成功連接到遠程主機。
`BoundState`	已綁定狀態，套接字已經與地址和端口綁定。
`ClosingState`	關閉中狀態，套接字正在關閉連接。
`ListeningState`	監聽中狀態，用於`QTcpServer`，表示服務器正在監聽連接。

這些狀態反映了套接字在不同階段的連接和通信狀態。在實際使用中，可以通過調用state()函數獲取當前套接字的狀態，並根據需要處理相應的狀態。例如，可以使用信號和槽機制來捕獲狀態變化，以便在連接建立或斷開時執行相應的操作。

當套接字被連接後則可以通過socket->write()方法向上線客戶端發送一個字符串，此處我們以發送lyshark爲例，發送時需要向write()中傳入兩個參數。其原型如下：

qint64 QTcpSocket::write(const char *data, qint64 maxSize);

該函數接受兩個參數：

data：指向要寫入套接字的數據的指針。
maxSize：要寫入的數據的最大字節數。

函數返回實際寫入的字節數，如果發生錯誤，則返回 -1。在寫入數據之後，可以使用 bytesWritten 信號來獲取寫入的字節數。此外，你也可以使用 waitForBytesWritten 函數來阻塞等待直到所有數據都被寫入。

至此服務端代碼可總結爲如下案例；

#include <QCoreApplication>
#include <QTcpServer>
#include <QTcpSocket>
#include <iostream>

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

    QTcpServer server;

    server.listen(QHostAddress::Any,9000);
    server.waitForNewConnection(100000);

    QTcpSocket *socket;

    socket = server.nextPendingConnection();
    if(socket->state() && QAbstractSocket::ConnectedState)
    {
        QByteArray bytes = QString("lyshark").toUtf8();
        socket->write(bytes.data(),bytes.length());
    }

    socket->close();
    server.close();
    return a.exec();
}

1.1.2 客戶端流程

客戶端的流程與服務端基本保持一致，唯一的區別在於將server.listen更換爲socket.connectToHost連接到對應的主機，QTcpSocket 的 connectToHost 函數的原型如下：

void QTcpSocket::connectToHost(
const QString &hostName, 
quint16 port, 
OpenMode openMode = ReadWrite
);

hostName：遠程主機的主機名或IP地址。
port：要連接的端口號。
openMode：套接字的打開模式，默認爲 ReadWrite。

函數用於初始化與指定遠程主機和端口的連接。在實際使用中，你可以通過調用這個函數來發起與目標主機的連接嘗試。

讀取數據時可以使用readAll函數來實現，socket.readAll() 是 QTcpSocket 類的成員函數，用於讀取所有可用的數據並返回一個 QByteArray 對象。其函數函數原型如下：

QByteArray QTcpSocket::readAll();

該函數返回一個包含從套接字中讀取的所有數據的 QByteArray 對象。通常，你可以通過這個函數來獲取已經到達的所有數據，然後對這些數據進行進一步的處理。其客戶端功能如下所示；

#include <QCoreApplication>
#include <QTcpServer>
#include <QTcpSocket>
#include <iostream>

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

    QTcpSocket socket;
    socket.connectToHost(QHostAddress::LocalHost,9000);

    if(socket.state() && QAbstractSocket::ConnectedState)
    {
        socket.waitForReadyRead(10000);

        QByteArray ref = socket.readAll();

        QString ref_string;

        ref_string.prepend(ref);

        std::cout << ref_string.toStdString() << std::endl;
    }

    socket.close();
    return a.exec();
}

1.2 圖形化應用

1.2.1 服務端流程

與命令行版本的網絡通信不同，圖形化部分需要使用信號與槽函數進行綁定，所有的通信流程都是基於信號的，對於服務端而言我們需要導入QTcpServer、QtNetwork、QTcpSocket模塊，並新增四個槽函數分別對應四個信號；

信號	槽函數	描述
`connected()`	`onClientConnected()`	當 `tcpSocket` 成功連接到遠程主機時觸發，執行 `onClientConnected()` 函數。
`disconnected()`	`onClientDisconnected()`	當 `tcpSocket` 斷開連接時觸發，執行 `onClientDisconnected()` 函數。
`stateChanged(QAbstractSocket::SocketState)`	`onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState)`	當 `tcpSocket` 的狀態發生變化時觸發，執行 `onSocketStateChange()` 函數，傳遞新的狀態。
`readyRead()`	`onSocketReadyRead()`	當 `tcpSocket` 有可讀取的新數據時觸發，執行 `onSocketReadyRead()` 函數。

在程序入口處我們通過new QTcpServer(this)新建TCP套接字類，並通過connect()連接到初始化槽函數上，當程序運行後會首先觸發newConnection信號，執行onNewConnection槽函數。

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

    // 新建TCP套接字類
    tcpServer=new QTcpServer(this);

    // 連接信號初始化其他信號
    connect(tcpServer,SIGNAL(newConnection()),this,SLOT(onNewConnection()));
}

而在槽函數onNewConnection中，通過nextPendingConnection新建一個套接字，並綁定其他四個槽函數，這裏的槽函數功能各不相同，將其對應的信號綁定到對應槽函數上即可；

// 初始化信號槽函數
void MainWindow::onNewConnection()
{
    // 創建新套接字
    tcpSocket = tcpServer->nextPendingConnection();

    // 連接觸發信號
    connect(tcpSocket, SIGNAL(connected()),this, SLOT(onClientConnected()));
    onClientConnected();

    // 關閉觸發信號
    connect(tcpSocket, SIGNAL(disconnected()),this, SLOT(onClientDisconnected()));

    // 狀態改變觸發信號
    connect(tcpSocket,SIGNAL(stateChanged(QAbstractSocket::SocketState)),this,SLOT(onSocketStateChange(QAbstractSocket::SocketState)));
    onSocketStateChange(tcpSocket->state());

    // 讀入數據觸發信號
    connect(tcpSocket,SIGNAL(readyRead()),this,SLOT(onSocketReadyRead()));
}

當讀者點擊偵聽時則直接調用tcpServer->listen實現對本地IP的8888端口的偵聽功能，停止偵聽則是調用tcpServer->close函數實現，如下所示；

// 開始偵聽
void MainWindow::on_pushButton_2_clicked()
{
    // 此處指定綁定本機的8888端口
    tcpServer->listen(QHostAddress::LocalHost,8888);
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[+] 開始監聽");
    ui->plainTextEdit->appendPlainText(" 服務器地址：" + tcpServer->serverAddress().toString() +
                                       " 服務器端口："+QString::number(tcpServer->serverPort())
                                       );
}

// 停止偵聽
void MainWindow::on_pushButton_3_clicked()
{
    if (tcpServer->isListening())
    {
        tcpServer->close();
    }
}

對於讀取數據可以通過canReadLine()函數判斷行，並通過tcpClient->readLine()逐行讀入數據，相對應的發送數據可通過調用tcpSocket->write函數實現，在發送之前需要將其轉換爲QByteArray類型的字符串格式，如下所示；

// 讀取數據
void MainWindow::onSocketReadyRead()
{
    while(tcpSocket->canReadLine())
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("[接收] | " + tcpSocket->readLine());
}

// 發送數據
void MainWindow::on_pushButton_clicked()
{
    QString  msg=ui->lineEdit->text();
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[發送] | " + msg);

    QByteArray str=msg.toUtf8();
    str.append('\n');
    tcpSocket->write(str);
}

運行服務端程序，並點擊偵聽按鈕此時將會在本地的8888端口上啓用偵聽，如下圖所示；

1.2.2 客戶端流程

對於客戶端而言同樣需要綁定四個信號並對應到特定的槽函數上，其初始化部分與服務端保持一致，唯一不同的是客戶端使用connectToHost函數鏈接到服務端上，斷開連接時使用的是disconnectFromHost函數，如下所示；

// 連接服務器時觸發
void MainWindow::on_pushButton_2_clicked()
{
    // 連接到8888端口
    tcpClient->connectToHost(QHostAddress::LocalHost,8888);
}

// 斷開時觸發
void MainWindow::on_pushButton_3_clicked()
{
    if (tcpClient->state()==QAbstractSocket::ConnectedState)
        tcpClient->disconnectFromHost();
}

此處的讀取數據與服務端保持一致，發送數據時則是通過tcpClient->write(str)函數直接傳遞給客戶端，代碼如下所示；

// 讀取數據時觸發
void MainWindow::onSocketReadyRead()
{
    while(tcpClient->canReadLine())
    {
        ui->plainTextEdit->appendPlainText("[接收] | " + tcpClient->readLine());
    }
}

// 發送消息時觸發
void MainWindow::on_pushButton_clicked()
{
    QString msg=ui->lineEdit->text();
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[發送] | " + msg);
    QByteArray str=msg.toUtf8();
    str.append('\n');
    tcpClient->write(str);
}

運行後，服務端啓用偵聽等待客戶端連接，客戶端連接後，雙方則可以實現數據的收發功能，由於採用了信號機制，兩者的收發並不會阻斷可同時進行，如下圖所示；

C++ Qt開發：QTcpSocket網絡通信組件

1.1 通信的流程

1.1.1 服務端流程

1.1.2 客戶端流程

1.2 圖形化應用

1.2.1 服務端流程

1.2.2 客戶端流程

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