通信综合课程设计报告

通信综合课程设计

设

计

报

告

课题名称：基于C++的局域网聊天软件设计与实现专业班级：

姓名：

学号：

起止时间： 2019年4月29日-2019年7月5日

重庆交通大学

信息科学与工程学院

目录

1 课题内容 (1)

1.1 课题目的 (1)

1.2 课题要求 (1)

1.3 实验条件 (1)

2 需求分析与可行性研究 (2)

2.1 课题背景 (2)

2.2 需求分析 (2)

2.3 可行性分析 (3)

3 总体设计 (5)

3.1 设计方案 (5)

3.2 编译工具 (6)

4 详细设计与编码实现 (8)

4.1 创建新的工程 (8)

4.2 主界面 (9)

4.3 服务器 (13)

4.4 客户端 (19)

4.5 功能函数 (22)

5 测试结果及分析 (25)

5.1 生成可执行程序 (25)

5.2 测试结果 (25)

6 实验总结与体会 (31)

7 参考文献 (32)

1 课题内容

1.1 课题目的

本课题是基于C++这一编程语言和Microsoft提供的MFC库进行设计和编程，用Socket套接字通信的方式实现在局域网内的聊天。设计运用C++面向对象的编程方法，以Visiual Studio 2015为开发平台，通过复习和巩固大一学习的面向对象编程知识以及网上搜索相关资料和教程来完成这一设计，进而提高自己对通信软件设计方面的学习能力和实践能力。

1.2 课题要求

设计的程序具有实用性和可用性的特性。实用性是指由具体的实用价值，能够完成某一项具体的功能，这个设计的实用性就是能够在局域网内实现两台及以上的电脑连接通信，实现聊天室功能；可用性是对程序的基本要求，要求程序设计出来能够使用，基本功能能够实现，没有逻辑错误。在以上的基础上，设计的程序还需考虑美观和方便使用的问题。

在设计软件时需要对主要的设计和程序代码进行记录，这里主要以设计报告的形式体现。

1.3 实验条件

在搭载Windows 10 professional的电脑上，使用C++语言编写程序，使用的编译器为Visiual Studio 2015（C++编译器版本为Visual C++14），需使用MFC库来实现GUI编程，利用Microsoft提供的标准API函数实现socket连接。成果软件的使用环境为若干台连接在用一局域网的Windows系统电脑，有能力执行exe程序，局域网以各台电脑连接在同一WIFI热点来实现。

2 需求分析与可行性研究

2.1 课题背景

在网络普及和高度发达的现代社会，通信需求不断增长，通信手段变得更加先进，现代通信已由原来的书信形式变成了现在的即时多媒体数据交换，我们可以使用电子信息技术来实现更快更直观的通信。聊天室可以实现若干成员同时交流，帮助人们通过网络讨论，不需要面对面交流，提高人们的通信效率，节约时间。基于socket的局域网通信是一种灵活的、简单的、易于实现的、低成本的方法，基于此开发的聊天室软件可以实现并且先例很多。

2.2 需求分析

2.2.1 用户需求

在一个局域网内使用聊天室软件进行交流，用户用软件创建一个server，等待其他client连接，连接完成后进入聊天室，各个client发送信息，所有信息将在所有端的聊天记录中显示。用户需要一个简单的操作界面，并且这个界面是可视化的，有操作提示的，方便使用的。用户直接使用软件，不需要用户来编译生成可执行文件。用户在Windows系统上使用这一软件，成本低廉，程序对硬件要求不应过高。

2.2.2 设计要求

使用C++作为编程语言，开发Windows应用程序，聊天室采用C/S模式，支持多个用户同时在线聊天，客户端与服务器端使用socket进行连接，客户端和服务器通过网络交换聊天字符串内容，根据这些要求设计一个可以实现客户端和服务器两种终端功能的软件。该软件带有可视化的操作界面，能够根据用户的点击和输入执行相应的进程完成功能。在MFC类库的支持下，软件采用多线程的方式完成功能。

2.2.3 功能要求

要求设计的软件完成以下各个功能：

①在一个软件里可以自行选择作为服务器工作还是作为客户端工作；

②用户可以在内容框输入内容，点击发送即可发送信息；

③允许多个客户端连接并且同时发送信息，发送的信息所有端均可看到；

④作为客户端时，可以设置服务器的IP和端口并且连接到该服务器；

⑤作为服务器时可以设置监听端口，转发接受的消息给所有端；

⑥有图形化操作界面GUI，使用时有所提示；

⑦当用户有非法操作时，软件能有提示或者给与警告。

2.3 可行性分析

2.3.1 C++编程语言

程序使用C++语言编写，C++是由C的进一步扩充和完善而来的，是一种面向对象的程序设计语言，十分经典和完善，至今这种语言以后很久的历史，可以参考的文献资料丰富，利于设计编程时查找资料。C++与C可以共用一个编译环境，实现两者混用（不建议这样使用），在有一定C语言基础时可以运用已经学会的C语言技巧处理一些算法。C++可以运行在多种平台上，在这个设计中，主要是在Windows系统中VS中编译，可以直接使用Microsoft 提供的众多库函数，十分方便。

2.3.2 MFC

MFC（Microsoft Foundation Class）是一个C++的类库，Microsoft提供了一个基础类库MFC，其中包含用来开发C++和C++ Windows应用程序的一组类。它大大简化了Windows的编程工作，它完全支持Windows所有的函数、空间、消息、GDI基本图形函数，菜单及对话框，类的设计以及同API函数的结合相当合理。MFC提供了大量代码，指导用户编程时实现某些技术和功能。对用户来说，用MFC开发的最终应用程序具有标准的、熟悉的Windows 界面，这样的应用程序易学易用。

MFC的众多函数可以在MSDN中查询定义、使用方法等，方便编程人员使用。

2.3.3 Socket

本设计使用socket套接字作为作为原型开发，使用socket开发可以方便建立连接、数据传输、断开连接，从而实现聊天室发送消息和接收消息。基于socket的局域网通信可以为局域网用户提供一种良好的、安全的、快速的通信机制，它的实现无需用户对原有的局域网硬件进行任何的改动，具有实

现成本低廉的优点；它的使用能降低局域网通信负荷，提高局域网使用效率，满足用户通信需求。

Windows中的Socket是由unix系统发展而来的，所以叫Winsock，Winsock 取用方便，使用VS在创建工程时可在引导界面勾选Windows socket来引用这个接口模型。类型有流式套接字（使用TCP）、数据报套接字（使用UDP）、原始套接字等。TCP与UDP套接字各有优劣，TCP面向连接，稳定但是需要的资源较多；UDP无需连接，不稳定但是需要的资源少。这里我们选用TCP，其调用函数流程如下图：

图 1 TCP_Socket函数调用流程图

2.3.4 多线程

根据用户需求，服务端在接受一条由用户端发来的消息后，会转发给每个客户端，这样需要创建多个线程来执行转发程序实现这个功能。在服务器等待客户端连接时也需要创建进程循环执行监听任务，线程对程序的实现十分重要。

选择（select）模型是Winsock中最常见的I/O模型。核心便是利用select 函数，实现对I/O的管理。利用select 函数来判断某Socket上是否有数据可读，或者能否向一个套接字写入数据，防止程序在Socket处于阻塞模式中时。在一次I/O 调用（如send或recv、accept等）过程中，被迫进入“锁定”状态。

可以同时等待多个套接字，当某个或者多个套接字满足可读写条件时，通知应用程序调用输入或者输出函数进行读写。

3 总体设计

3.1 设计方案

3.1.1 设计流程

根据对用户的要求及功能设置可以得到以下的流程图，用户首先启动客户端，用户选择功能，如果选择作为服务器，那么设置本机监听端口号，连接成功之后进入聊天室开始聊天；如果作为客户端，那么用户设置服务器的IP和端口号，连接成功后进入聊天室开始聊天。

图 2 流程框图

3.1.2 服务器设计

服务器创建Socket并一直监听，若有客户端连接就接连执行下面的功能函数，实现消息接受和向所有客户端发信的功能。服务器socket由以下六个功能模块组成：

3.1.3 客户端设计

客户端创建Socket并连接，若连接到服务器就发送和接受消息。客户端Socket由以下四个功能模块组成：

3.1.4 多线程

为防止程序运行时发生阻塞，对一些监听任务用多线程的方式实现，这些线程功能如下所示：

ListenThreadFunc：创建一个合法的监听进程，一直监听，若有

新的客户端连接，判断监听是否成功，若成

功则启动服务器成功，之后创建

ClientThreadProc进程

Server

ClientThreadProc：为每一个接入的客户端创建一个进程，用异步

I/O模式（Select）收发信

Client - ConnectThreadFunc：连接到可用的服务器，成功连接后用异步

I/O模式收发信。

3.2 编译工具

Visual Studio(简称VC)是Microsoft公司推出的目前使用极为广泛的基于Windows平台的程序可视化开发环境。VC基于C，C++语言，主要由是MFC 组成，是与系统联系非常紧密的编程工具，它兼有高级，和低级语言的双重

性，功能强大，灵活，执行效率高，几乎可说VC在 Windows平台无所不能。VC主要是针对Windows系统，适合一些系统级的开发，可以方便实现一些底层的调用。在VC里边嵌入汇编语言很简单。当对系统性能要求很高的时候，可用VC开发。VC在多线程、网络通信、分布应用方面，有着不可比拟的优势。

VS2015支持MFC以及微软API函数，丰富的编程工具以及插件，良好的操作体验支持文档众多。

图 3 VS2015编译界面

4 详细设计与编码实现

4.1 创建新的工程

创建工程时需要注意，这是一个GUI程序而不是控制台应用程序，新建的项目应该是[MFC应用程序]，并且在向导里面的应用程序类型应该勾选[基于对话框]，项目类型勾选[MFC标准]，在MFC的使用选项勾选[在静态库中使用MFC]，高级功能中打勾[Windows套接字]，其他都用默认选项。

完成向导之后生成若干个工程文件，这些文件时默认的，并且还有引导函数，以下详细编码在这些文件的基础之下编辑。其中ChatRoomDlg.cpp文件是GUI文件，用以编辑图形界面，在Header File文件夹自动生成若干头文件，在Source Files文件夹存放源码文件，除了由默认生成的文件外，我创建了Server.cpp来存放关于服务器的进程源码，Client.cpp用来存放客户端的进程源码，创建一个新的头文件Inc.h，这样做可以让整个编码框架更清晰。

图 4 更改默认设置

图 5 更改默认设置

4.2 主界面

4.2.1 UI设计

主页面是所有功能的入口，需要做到简洁明了。主界面的设计如下图：

图6主界面设计

以上界面的生成方法：打开ChatRoom资源视图中的[Dialog]->[IDD_CHATROOM_DIALOG]，这个文件是GUI的文件，根据可视化的编辑界面可以制作UI和各个功能按钮和编辑框。

图7 工具箱中的可视化对话框

在设置按钮（button）时，对所有按钮的ID进行见名知义的命名，详细的ID如下表所示：

表一对话框与对应ID

4.2.2 初始化界面

为方便用户使用，在首次打开程序时会给一些对话框默认值，例如在端口输入栏中默认文本为5566，用户可以直接使用而不需自己再去设置，当然这些数值用户可以自行修改。

按钮初始化：使用CheckRadioButton函数，效果为在设计的UI两个

初始不可用按钮置灰：开始时一些按钮不能使用，需要置灰（设置为不可用Wnd）以提示用户不能使用，提高可用性。为方便编程实现，使用封装函数实现封装函数中GetDlgItem函数实现输出传入对象的cWnd指针，解决

4.2.3 动态伸缩窗口

动态伸缩窗口可以隐藏设置界面，用户可以专注于聊天功能，又增加界面美观。点击网络设置按钮展出网络设置界面，再点击该按钮隐藏，效果如下图：

图8 聊天界面

图9 展出网络设置

设置默认为不显示网络设置（在声明中BOOL bShow=FALSE），通过调用OnBnClickedNetset()触发动作。

窗口判断、伸缩窗口：

4.3 服务器

4.3.1 实现函数

点击客户端选项：点击服务器设置RadioButton，使用封装函数EnableWindow 恢复监听端口输入框IDC_STATIC_LISTEN_PORT和开启服务器按钮

点击开启服务器按钮：开启服务器时创建新线程监听端口，用到Server.cpp文件中的ListenThreadFunc进程。调用进程函数使用的是API标准库中的CreateThread函数，其参数说明如下：

HANDLE CreateThread(

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,//安全指针，设置为默认NULL即可

SIZE_T dwStackSize,//堆栈的初始大小，设置默认0 LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,//指向由线程执行的应用程序定义函数的指针

__drv_aliasesMem LPVOID lpParameter,//指向要传递给线程的变量的指针。设置为当前指针this

DWORD dwCreationFlags,//控制线程创建的标志设置为默认0

LPDWORD lpThreadId//指向接收线程标识符的变量的指针。如果此参数为NULL，则不返回线程标识符。

4.3.2 调用线程

Select多路检测异步I/O模型：调用已有的Select模型，它的参数如下：int select(

int nfds, //忽略，只是为了与Berkeley套接字兼容;

fd_set* readfds, //可读性Socket集合;

fd_set* writefds, //可写性Socket集合;

fd_set* exceptfds, //异常性Socket集合;

const struct timeval* timeout //超时时间；

);

如果检测到有消息，则iRet置为非零，如果没有检测到消息，则iRet置零，

监听端口ListenThreadFunc线程：该进程用来创建合法的服务器socket端口，流程为新建Socket，如果新建失败则提示并结束进程；如果成功取用监听端口号，判断端口号是否合法（合法的端口号在1-65535之间，这些端口号是合法的，建议取5566以上，5566以下是系统用端口号），非法则结束进程；绑定这个端口，绑定失败则结束线程；继续监听，失败则结束线程；以上结束完成服务器的创建，创建sockaddr_in类存储结点信息（包括IP），之后调用Select循环检查是否有socket连接，有新的socket连接则用sockaddr_in存储

if ( iPort <= 0 || iPort > 65535 ) {

AfxMessageBox(_T("输入端口非法！请输入合适的端口：1 - 65535"));

goto __Error_End;

}

sockaddr_in service;

service.sin_family = AF_INET;

service.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;//存储IP的结构-其他IP

service.sin_port = htons(iPort);

if ( bind(pChatRoom->m_ListenSock, (sockaddr*)&service, sizeof(sockaddr_in)) == SOCKET_ERROR ) {//绑定

AfxMessageBox(_T("绑定端口失败！"));

goto __Error_End;

}

if( listen(pChatRoom->m_ListenSock, 5) == SOCKET_ERROR ) {

AfxMessageBox(_T("监听失败！"));

goto __Error_End;

}

pChatRoom->ShowMsg(_T("系统信息：启动服务器成功！"));

pChatRoom->m_bIsServer = TRUE;

pChatRoom->EnableWindow(IDC_START_SERVER, FALSE);

pChatRoom->EnableWindow(IDC_STOP_SERVER);

while( TRUE && !(pChatRoom->bShutDown)) { //循环检查调用select

if ( SOCKET_Select(pChatRoom->m_ListenSock, 100, TRUE) ) {//select

sockaddr_in clientAddr;

int iLen = sizeof(sockaddr_in);

SOCKET accSock = accept(pChatRoom->m_ListenSock, (struct sockaddr *)&clientAddr , &iLen);

if (accSock == INVALID_SOCKET) {

continue;

}

CClientItem tItem; //加入客户端结点到队列

tItem.m_Socket = accSock;

tItem.m_pMainWnd = pChatRoom;

tItem.m_strIp = inet_ntoa(clientAddr.sin_addr);//IP转换为字符串

INT_PTR idx = pChatRoom->m_ClientArray.Add(tItem);

//创建新进程

tItem.hThread = CreateThread(NULL, 0, ClientThreadProc, &(pChatRoom->m_ClientArray.GetAt(idx)), CREATE_SUSPENDED, NULL);

pChatRoom->m_ClientArray.GetAt(idx).hThread = tItem.hThread;

ResumeThread(tItem.hThread);

CString strMsg;

strMsg = _T("客户端：") + tItem.m_strIp + _T(" 进入聊天室！");

pChatRoom->ShowMsg(strMsg);

pChatRoom->SendClientsMsg(strMsg, &tItem);

Sleep(100);

}

}

__Error_End:

closesocket(pChatRoom->m_ListenSock);

return TRUE;

}

客户端线程处理ClientThreadProc线程：接上衣线程处理，当有客户端接入，