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。