C++ Qt開發：QUdpSocket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QUdpSocket組件實現基於UDP的網絡通信功能。

與QTcpSocket組件功能類似，QUdpSocket組件是 Qt 中用於實現用戶數據報協議（UDP，User Datagram Protocol）通信的類。UDP 是一種無連接的、不可靠的數據傳輸協議，它不保證數據包的順序和可靠性，但具有低延遲和簡單的特點。

以下是 QUdpSocket 類的完整函數及其簡要解釋：

函數	描述
QUdpSocket(QObject *parent = nullptr)	構造函數，創建一個新的 QUdpSocket 對象。
~QUdpSocket()	析構函數，釋放 QUdpSocket 對象及其資源。
void bind(const QHostAddress &address, quint16 port, BindMode mode = DefaultForPlatform)	將套接字綁定到指定的本地地址和端口。
void close()	關閉套接字。
bool joinMulticastGroup(const QHostAddress &groupAddress, const QNetworkInterface &iface = QNetworkInterface())	加入多播組。
bool leaveMulticastGroup(const QHostAddress &groupAddress, const QNetworkInterface &iface = QNetworkInterface())	離開多播組。
qint64 pendingDatagramSize() const	返回下一個待讀取的數據報的大小。
qint64 readDatagram(char *data, qint64 maxSize, QHostAddress *address = nullptr, quint16 *port = nullptr)	讀取數據報。
QByteArray readDatagram(qint64 maxSize, QHostAddress *address = nullptr, quint16 *port = nullptr)	讀取數據報，返回 QByteArray 對象。
qint64 writeDatagram(const char *data, qint64 size, const QHostAddress &address, quint16 port)	發送數據報。
qint64 writeDatagram(const QByteArray &datagram, const QHostAddress &address, quint16 port)	發送數據報，接受 QByteArray 對象。
QAbstractSocket::SocketState state() const	返回套接字的當前狀態。
QAbstractSocket::SocketType socketType() const	返回套接字的類型。
bool isValid() const	如果套接字有效，則返回 true；否則返回 false。
int error() const	返回套接字的當前錯誤代碼。
QHostAddress localAddress() const	返回本地地址。
quint16 localPort() const	返回本地端口。
int readBufferSize() const	返回讀取緩衝區的大小。
void setReadBufferSize(int size)	設置讀取緩衝區的大小。
QNetworkInterface multicastInterface() const	返回多播組的網絡接口。
void setMulticastInterface(const QNetworkInterface &iface)	設置多播組的網絡接口。
bool hasPendingDatagrams() const	如果有待讀取的數據報，則返回 true；否則返回 false。
bool isReadable() const	如果套接字可讀，則返回 true；否則返回 false。
bool isWritable() const	如果套接字可寫，則返回 true；否則返回 false。
bool setSocketDescriptor(int socketDescriptor, QUdpSocket::SocketState socketState = ConnectedState, QIODevice::OpenMode openMode = ReadWrite)	設置套接字描述符。
int socketDescriptor() const	返回套接字描述符。
bool waitForReadyRead(int msecs = 30000)	等待套接字可讀取數據。
bool waitForBytesWritten(int msecs = 30000)	等待套接字已寫入指定字節數的數據。
void ignoreSslErrors(const QList<QSslError> &errors)	忽略 SSL 錯誤。
void abort()	強制關閉套接字。
QNetworkProxy proxy() const	返回套接字的代理設置。
void setProxy(const QNetworkProxy &networkProxy)	設置套接字的代理設置。
QString errorString() const	返回套接字的錯誤消息字符串。

這些函數提供了在 UDP 通信中使用 QUdpSocket 的各種功能，包括綁定、發送和接收數據報、設置和獲取套接字的狀態等。

1.1 初始化部分

在初始化部分我們首先通過new QUdpSocket來實現創建UDP對象，QUdpSocket 構造函數的函數原型如下：

QUdpSocket::QUdpSocket(QObject * parent = nullptr)

如上構造函數創建一個新的 QUdpSocket 對象。如果提供了 parent 參數，則會將新創建的 QUdpSocket 對象添加到 parent 對象的子對象列表中，並且在 parent 對象被銷燬時自動銷燬 QUdpSocket 對象。如果沒有提供 parent 參數，則 QUdpSocket 對象將不會有父對象，並且需要手動管理其生命週期。

初始化結束後，則下一步需要調用bind()，bind() 函數是 QUdpSocket 類的一個成員函數，用於將套接字綁定到特定的本地地址和端口。它的函數原型如下：

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

• address：要綁定的本地地址，通常是 QHostAddress::Any，表示綁定到所有可用的網絡接口。
• port：要綁定的本地端口號。
• mode：綁定模式，指定套接字的行爲。默認值是 DefaultForPlatform，表示使用平臺默認的綁定模式。

該函數允許 QUdpSocket 在本地網絡接口上監聽傳入的數據報。一旦調用了 bind() 函數，QUdpSocket 就可以接收來自指定地址和端口的數據報。

在調用 bind() 函數之後，如果成功綁定了指定的地址和端口，套接字將處於 BoundState 狀態。如果出現錯誤，可以通過檢查 error() 函數獲取錯誤代碼，並通過 errorString() 函數獲取錯誤消息。

接着我們通過connect()函數依次綁定套接字到stateChanged狀態改變信號，以及readyRead()讀取信號上，這段初始化代碼如下所示；

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

    udpSocket=new QUdpSocket(this);

    // 生成隨機整數 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() + " 綁定端口：" + 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()));
}

接着切換到讀取信號所對應的槽函數上，onSocketReadyRead是我們自定義的一個槽，該槽函數功能如下所示；

// 讀取收到的數據報
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="[消息來自 " + peerAddr.toString()+":"+QString::number(peerPort)+"] | ";

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

首先在代碼中調用pendingDatagramSize函數，pendingDatagramSize() 是 QUdpSocket 類的一個成員函數，用於獲取下一個待讀取的數據報的大小。它的函數原型如下：

qint64 QUdpSocket::pendingDatagramSize() const

該函數返回一個 qint64 類型的值，表示下一個待讀取的數據報的大小（以字節爲單位）。如果沒有待讀取的數據報，或者發生了錯誤，該函數將返回 -1。

通常，可以在調用 readDatagram() 函數之前調用 pendingDatagramSize() 函數來獲取下一個待讀取的數據報的大小。這樣可以爲數據緩衝區分配正確大小的空間，以確保完整地讀取數據報。

當有了待讀取字節後，接着就可以直接通過調用readDatagram函數來從套接字中讀取數據報，readDatagram() 是 QUdpSocket 類的一個成員函數，它有幾個重載形式，其中最常用的是：

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

該函數用於讀取數據報並將其存儲到指定的緩衝區 data 中，最多讀取 maxSize 個字節的數據。可選參數 address 和 port 用於返回數據報的源地址和端口號。如果不需要這些信息，可以將它們設置爲 nullptr。

函數返回實際讀取的字節數，如果發生錯誤，返回 -1。要查看錯誤信息，可以使用 error() 和 errorString() 函數。

另外，還有一個更簡單的重載形式：

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

這個重載函數直接返回一個 QByteArray 對象，其中包含了讀取的數據報。

1.2 單播與廣播消息

單播（Unicast）和廣播（Broadcast）是網絡通信中常見的兩種數據傳輸方式，它們在數據包的傳輸範圍和目標數量上有所不同。

單播（Unicast）

單播是一種一對一的通信方式，其中數據包從一個發送者傳輸到一個接收者。在單播通信中，數據包只發送到目標主機的網絡接口，並且只有目標主機能夠接收和處理這個數據包。

• 一對一通信：每個數據包只有一個發送者和一個接收者。
• 目標明確：數據包只發送到特定的目標主機，其他主機不會接收到這個數據包。
• 點到點通信：適用於直接通信的場景，如客戶端與服務器之間的通信。

當按鈕發送消息被點擊後，則是一種單播模式，通常該模式需要得到目標地址與端口號，並通過調用writeDatagram來實現數據的發送，該函數通過傳入三個參數，分別是發送字符串，目標地址與目標端口來實現一對一推送。

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();

    // 發送數據報
    udpSocket->writeDatagram(str,targetAddr,targetPort);
    ui->plainTextEdit->appendPlainText("[單播消息] | " + msg);
}

廣播（Broadcast）

廣播是一種一對多的通信方式，其中數據包從一個發送者傳輸到同一網絡中的所有主機。在廣播通信中，數據包被髮送到網絡中的所有主機，並且所有的主機都能夠接收和處理這個數據包。

• 一對多通信：每個數據包有一個發送者，但可以有多個接收者。
• 目標不明確：數據包被髮送到網絡中的所有主機，不需要知道接收者的具體地址。
• 廣播域：在局域網中進行廣播，只有在同一廣播域內的主機才能接收到廣播消息。
• 網絡負載：在大型網絡中使用廣播可能會產生大量的網絡流量，影響網絡性能。

當按鈕廣播消息被點擊後，則同樣是調用writeDatagram函數與，唯一的區別在於第二個參數並未指定地址，而是使用了QHostAddress::Broadcast來代替，意味着只要端口是一致的則對所有的客戶推送消息，其他保持不變。

void MainWindow::on_pushButton_2_clicked()
{
    // 廣播地址
    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("[廣播消息] | " + msg);
}

讀者可自行運行兩次客戶端，此時的端口將會隨機分配，當指定對端端口後就可以向其發送數據，如下圖所示；具體實現細節，請參考文章附件。