Qt中TCP Socket的实现_C/C++

1 -> 概述

tcp（transmission control protocol，传输控制协议）是一种面向连接、可靠、基于字节流的传输层通信协议。在 qt 框架中，tcp 网络编程主要通过 qtcpserver 和 qtcpsocket 两个核心类来实现，它们封装了底层 socket 的复杂性，提供了面向对象、事件驱动的高级 api，大大简化了网络应用的开发过程。

qt 的网络模块是跨平台的，这意味着使用 qt 编写的 tcp 程序可以在 windows、linux、macos 等操作系统上运行而无需修改代码，这对于需要部署在多种环境下的应用程序来说是一个巨大的优势。

在 qt 中进行 tcp 编程，本质上是在构建客户端-服务器模型。服务器负责监听指定端口、接受客户端连接请求并与客户端进行数据交换；客户端则主动发起连接，与服务器建立通信链路并进行数据传输。qt 的信号与槽机制非常适合处理网络事件，例如连接建立、数据到达、连接断开等，使得程序逻辑清晰、易于维护。

2 -> 核心 api 详解

2.1 -> qtcpserver

qtcpserver 类用于创建一个 tcp 服务器，其主要职责是监听指定 ip 地址和端口，接受传入的连接请求，并为每个连接创建一个独立的 qtcpsocket 对象来处理后续通信。

2.1.1 -> 关键方法

bool listen(const qhostaddress &address = qhostaddress::any, quint16 port = 0)
启动服务器监听。
- address：监听的 ip 地址，qhostaddress::any 表示监听所有网络接口。
- port：端口号，如果设为 0，系统会自动分配一个可用端口。
- 返回值：成功监听返回 true，否则返回 false（可通过 errorstring() 获取错误信息）。
qtcpsocket *nextpendingconnection()
获取下一个等待处理的客户端连接。
该方法返回一个已建立连接的 qtcpsocket 对象，该对象由 qtcpserver 内部创建并管理，用于后续与对应客户端的数据交换。
注意：每次调用都应检查返回值是否为 nullptr。

2.1.2 -> 关键信号

void newconnection()
当有新的客户端连接成功时触发此信号。通常在此信号的槽函数中调用 nextpendingconnection() 获取新连接并进行初始化设置（如连接信号槽、保存 socket 对象等）。

2.1.3 -> 工作流程简述

创建 qtcpserver 对象。
调用 listen() 绑定端口并开始监听。
连接 newconnection() 信号到自定义槽函数。
在槽函数中通过 nextpendingconnection() 获取客户端 socket。
为获取到的 socket 连接相关信号（如 readyread、disconnected），实现业务逻辑。

2.2 -> qtcpsocket

qtcpsocket 类代表一个 tcp 连接，既可用于客户端发起连接，也可用于服务器端处理某个具体客户端的通信。它继承自 qabstractsocket，并间接继承自 qiodevice，因此可以像文件一样进行读写操作。

2.2.1 -> 关键方法

void connecttohost(const qstring &hostname, quint16 port, openmode openmode = readwrite)
（客户端使用）连接到指定的服务器。
- hostname：主机名或 ip 地址。
- port：目标端口。
- openmode：打开模式，通常为 readwrite。
qint64 read(char *data, qint64 maxsize) / qbytearray readall() / qbytearray read(qint64 maxsize)
从接收缓冲区读取数据。readall() 会读取所有当前可用的数据，返回 qbytearray 对象。
qint64 write(const char *data, qint64 size) / qint64 write(const qbytearray &data)
向连接中写入数据。数据会被放入发送缓冲区，由 qt 在后台异步发送。
void disconnectfromhost()
主动断开连接。断开过程是异步的，可配合 disconnected() 信号使用。
void abort()
立即中止连接，丢弃所有未发送或未接收的数据。

2.2.2 -> 关键信号

void connected()
成功连接到远程主机后触发。
void disconnected()
连接断开时触发（可能是远程主机关闭、网络故障或主动断开）。
void readyread()
当有新的数据到达并可供读取时触发。由于 tcp 是流式协议，数据可能分多次到达，通常在此信号的槽函数中循环读取直到 bytesavailable() 为 0。
void byteswritten(qint64 bytes)
当部分数据被成功写入底层 socket 时触发，可用于实现发送进度指示或流量控制。

2.2.3 -> 关键属性与状态

state()
返回 socket 的当前状态（如 unconnectedstate、connectedstate 等）。
error() 与 errorstring()
获取最后一次发生的错误代码及描述。
peeraddress() 与 peerport()
获取远程对端的 ip 地址和端口号（在连接建立后有效）。

2.3 -> qbytearray 与 qstring 的转换

由于网络传输的是字节流，而 qt 程序中常使用 qstring 处理文本，因此两者间的转换非常常见：

qstring → qbytearray

qstring str = "hello";
qbytearray data = str.toutf8(); // 常用 utf-8 编码

qbytearray → qstring

qbytearray data = ...;
qstring str = qstring::fromutf8(data);

3 -> 通信流程概述

3.1 -> 服务器端典型流程

创建 qtcpserver，监听指定端口。
在 newconnection() 槽中接受新连接，获取 qtcpsocket。
为该 socket 连接 readyread() 信号，在槽函数中读取请求数据，处理业务，并回复响应。
连接 disconnected() 信号，在客户端断开时进行资源清理（如调用 deletelater() 删除 socket 对象）。

3.2 -> 客户端典型流程

创建 qtcpsocket，调用 connecttohost() 连接服务器。
连接 connected() 信号，确认连接成功。
连接 readyread() 信号，接收服务器返回的数据。
使用 write() 发送请求数据。
在适当时机断开连接或处理异常断开。

4 -> 代码示例

4.1 -> 回显客户端

widget.cpp

#include "widget.h"
#include "ui_widget.h"

#include <qmessagebox>

widget::widget(qwidget *parent)
    : qwidget(parent)
    , ui(new ui::widget)
{
    ui->setupui(this);

    // 1. 创建 qtcpserver 的实例
    socket = new qtcpsocket(this);

    // 2. 设置标题
    this->setwindowtitle("客户端");

    // 3. 和服务器建立连接
    socket->connecttohost("127.0.0.1", 9090);

    // 4. 连接信号槽, 处理响应
    connect(socket, &qtcpsocket::readyread, this, [=](){
        // a) 读取出响应内容
        qstring response = socket->readall();

        // b) 把响应内容显示到界面上
        ui->listwidget->additem("服务器说: " + response);

    });

    // 5. 等待连接建立的结果. 确认是否连接成功
    bool ret = socket->waitforconnected();
    if (!ret)
    {
        qmessagebox::critical(this, "连接服务器出错", socket->errorstring());
        exit(1);
    }

}

widget::~widget()
{
    delete ui;
}


void widget::on_pushbutton_clicked()
{
    // 1. 获取到输入框中的内容
    const qstring& text = ui->lineedit->text();

    // 2. 发送数据给服务器
    socket->write(text.toutf8());

    // 3. 把发的消息显示到界面上
    ui->listwidget->additem("客户端说: " + text);

    // 4. 清空输入框的内容
    ui->lineedit->settext("");

}

4.2 -> 回显服务端

widget.cpp

#include "widget.h"
#include "ui_widget.h"

#include <qmessagebox>
#include <qtcpsocket>

widget::widget(qwidget *parent)
    : qwidget(parent)
    , ui(new ui::widget)
{
    ui->setupui(this);

    // 1. 创建 qtcpserver 的实例
    tcpserver = new qtcpserver(this);

    // 2. 设置标题
    this->setwindowtitle("服务器");

    // 3. 通过信号槽, 指定如何处理连接
    connect(tcpserver, &qtcpserver::newconnection, this, &widget::processconnection);

    bool ret = tcpserver->listen(qhostaddress::any, 9090);
    if (!ret)
    {
        qmessagebox::critical(this, "服务器启动失败！", tcpserver->errorstring());
        exit(1);
    }

}

widget::~widget()
{
    delete ui;
}

void widget::processconnection()
{
    // 1. 通过 tcpserver 拿到一个 socket 对象, 通过这个对象来和客户端进行通信
    qtcpsocket* clientsocket = tcpserver->nextpendingconnection();
    qstring log = "[ " + clientsocket->peeraddress().tostring() + ": " + qstring::number(clientsocket->peerport()) +
            " ] 客户端上线！";
    ui->listwidget->additem(log);

    // 2. 通过信号槽, 来处理客户端发来请求的情况
    connect(clientsocket, &qtcpsocket::readyread, this, [=](){
        // a) 读取出请求数据. 此处 readall 返回的是 qbytearray, 通过赋值转成 qstring
        qstring request = clientsocket->readall();

        // b) 根据请求处理响应
        const qstring& response = process(request);

        // c) 把响应写回到客户端
        clientsocket->write(response.toutf8());

        // d) 把上述信息记录到日志中
        qstring log = "[ " + clientsocket->peeraddress().tostring() + ": " + qstring::number(clientsocket->peerport()) + " ] "
                + "req: " + request + ", " + "resp: " + response;
        ui->listwidget->additem(log);

    });

    // 3. 通过信号槽, 来处理客户端断开连接的情况
    connect(clientsocket, &qtcpsocket::disconnected, this, [=](){
        // a) 把断开连接的信息通过日志显示出来
        qstring log = "[ " + clientsocket->peeraddress().tostring() + ": " + qstring::number(clientsocket->peerport()) +
                " ] 客户端下线！";
        ui->listwidget->additem(log);
        // b) 手动释放 clientsocket. 直接使用 delete 是下策, 使用 deletelater 更加合适的.
        // delete clientsocket;
        clientsocket->deletelater();
    });

}

// 此处写的是回显服务器
qstring widget::process(const qstring request)
{

    return request;
}

5 -> 总结

qt 的 tcp 网络编程模块通过 qtcpserver 和 qtcpsocket 提供了高度封装、易于使用的 api，大大降低了网络应用程序的开发难度。其特点可总结如下：

面向对象与事件驱动：通过信号与槽机制处理连接、数据接收、断开等事件，代码结构清晰。
跨平台性：同一套代码可在主流操作系统上运行，无需关心底层 socket api 差异。
与 qt 生态无缝集成：可方便地与 gui、多线程、定时器、文件 io 等其他 qt 模块结合使用。
高效的异步 io：基于事件循环，无需阻塞线程即可处理多个并发连接，适合高性能服务器开发。
良好的错误处理机制：提供详细的错误码和描述，便于调试和异常处理。

在实际开发中，除了掌握上述基础 api 外，还需注意资源管理（及时释放 socket）、协议设计（定义清晰的数据包格式以处理粘包/半包问题）、多线程处理（将耗时操作移至子线程以避免阻塞主循环）等高级主题。qt 的网络模块为构建稳定、高效的 c++ 网络应用提供了坚实的基础，是开发跨平台客户端/服务器程序的优秀选择。

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