【網絡編程】WebSocket 實現簡易Web多人聊天室

一、實現思路

  • Web端就是使用html + JavaScript來實現頁面，通過WebSocket長連接和服務器保持通訊，協議的payload使用JSON格式封裝

  • 服務端使用C++配合第三方庫WebSocket++和nlonlohmann庫來實現

二、Web端

2.1 界面顯示

首先，使用html來設計一個簡單的靜態框架：

  • 有一個聊天室的標題
  • 然后一個文本框加上一個發送按鈕
<body><h1>WebSocket簡易聊天室</h1><div id="app"><input id="sendMsg" type="text" /><button id="sendBtn">發送</button></div>
</body>

然后我們還需要顯示聊天信息，我們可以利用腳本每次有信息的時候，就把這個信息嵌入到<body>里面，這個信息本身存放在<div>里面，如下：

  • 加入房間顯示藍色
  • 離開房間顯示紅色
  • 聊天信息顯示黑色
function showMessage(str, type) {var div = document.createElement("div");div.innerHTML = str;if (type == "enter") div.style.color = "blue";else if (type == "leave") div.style.color = "red";document.body.appendChild(div);
}

2.2 WebSocket 連接

接下來我們配合JavaScript腳本，先連接服務端的WebSocket服務器

var websocket = new WebSocket('ws://192.168.217.128:9002');

我們需要實現WebSocket的幾個回調函數：

  1. onopen
  • 這個回調函數在連接服務器成功時觸發，我們在連接成功的時候，綁定上發送按鈕的點擊事件
// 連接成功
websocket.onopen = function () {console.log("連接服務器成功");document.getElementById("sendBtn").onclick = function () {var msg = document.getElementById("sendMsg").value;if (msg) {websocket.send(msg);}};
};
  1. onmessage
  • 這個回調函數在接收到服務端的消息后觸發，這里是JSON格式，我們服務端定義了data為key，對應的消息就是data后面的value了
websocket.onmessage = function (e) {var mes = JSON.parse(e.data);showMessage(mes.data, mes.type);
};
  1. onclose
  • 這個回調函數在連接斷開的時候觸發，在這里我們簡單的打印一下即可：
// 連接關閉
websocket.onclose = function (event) {console.log("連接已關閉", "代碼：", event.code, "原因：", event.reason);
};

2.3 完整代碼

完整的Web代碼如下：

<!DOCTYPE html>
<html><body><h1>WebSocket簡易聊天室</h1><div id="app"><input id="sendMsg" type="text" /><button id="sendBtn">發送</button></div>
</body>
<script>function showMessage(str, type) {var div = document.createElement("div");div.innerHTML = str;if (type == "enter") div.style.color = "blue";else if (type == "leave") div.style.color = "red";document.body.appendChild(div);}var websocket = new WebSocket('ws://192.168.217.128:9002');// 連接成功websocket.onopen = function () {console.log("連接服務器成功");document.getElementById("sendBtn").onclick = function () {var msg = document.getElementById("sendMsg").value;if (msg) {websocket.send(msg);}};};// 接收消息websocket.onmessage = function (e) {var mes = JSON.parse(e.data);showMessage(mes.data, mes.type);};// 連接關閉websocket.onclose = function (event) {console.log("連接已關閉", "代碼：", event.code, "原因：", event.reason);};// 錯誤處理websocket.onerror = function (error) {console.error("WebSocket錯誤:", error);};</script></html>

三、服務端代碼

確保你已經配置好了第三方庫，下面我們開始講解服務端代碼：

3.1 echo_server改造

首先這里我們是使用WebSocket++這個第三方庫的配套示例echo_server.cpp改造的，因此我們只講解改造的部分，未修改源代碼echo_server.cpp如下：

// examples目錄是官方的一些例子 本次使用的是echo_server\echo_server.cpp
// 該原程序只支持一對一發送后回復
// 改造后可以通知所有連接上來的客戶端。
// 編譯 g++ main.cpp -o main -lboost_system -lboost_chrono#include <websocketpp/config/asio_no_tls.hpp>#include <websocketpp/server.hpp>#include <iostream>
#include <list>#include <functional> typedef websocketpp::server<websocketpp::config::asio> server;using websocketpp::lib::bind;
using websocketpp::lib::placeholders::_1;
using websocketpp::lib::placeholders::_2;// pull out the type of messages sent by our config
typedef server::message_ptr message_ptr;std::list<websocketpp::connection_hdl> vgdl;// Define a callback to handle incoming messages
void on_message(server *s, websocketpp::connection_hdl hdl, message_ptr msg)
{// std::cout << "on_message called with hdl: " << hdl.lock().get()//           << " and message: " << msg->get_payload()//           << std::endl;// check for a special command to instruct the server to stop listening so// it can be cleanly exited.if (msg->get_payload() == "stop-listening"){s->stop_listening();return;}for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); it++){if (it->expired())//移除連接斷開的{it = vgdl.erase(it);continue;}if (it != vgdl.end())s->send(*it, msg->get_payload(), msg->get_opcode());// t.wait();}// try {//     s->send(hdl, msg->get_payload()+std::string("aaaaa"), msg->get_opcode());// } catch (websocketpp::exception const & e) {//     std::cout << "Echo failed because: "//               << "(" << e.what() << ")" << std::endl;// }
}
//將每個連接存入容器
void on_open(websocketpp::connection_hdl hdl)
{std::string msg = "link OK";printf("%s\n", msg.c_str());// printf("fd %d\n",(int)hdl._M_ptr());vgdl.push_back(hdl);
}void on_close(websocketpp::connection_hdl hdl)
{std::string msg = "close OK";printf("%s\n", msg.c_str());
}
int main()
{// Create a server endpointserver echo_server;try{// Set logging settings 設置logecho_server.set_access_channels(websocketpp::log::alevel::all);echo_server.clear_access_channels(websocketpp::log::alevel::frame_payload);// Initialize Asio 初始化asioecho_server.init_asio();// Register our message handler// 綁定收到消息后的回調echo_server.set_message_handler(bind(&on_message, &echo_server, ::_1, ::_2));//當有客戶端連接時觸發的回調std::function<void(websocketpp::connection_hdl)> f_open;f_open = on_open;echo_server.set_open_handler(websocketpp::open_handler(f_open));//關閉是觸發std::function<void(websocketpp::connection_hdl)> f_close(on_close);echo_server.set_close_handler(f_close);// Listen on port 9002echo_server.listen(9002);//監聽端口// Start the server accept loopecho_server.start_accept();// Start the ASIO io_service run loopecho_server.run();}catch (websocketpp::exception const &e){std::cout << e.what() << std::endl;}catch (...){std::cout << "other exception" << std::endl;}
}

3.2 管理用戶名

  • 對于每一個連接上來的用戶，對應唯一的connection_hdl類型的值，是一個用于標識和跟蹤 WebSocket 連接的句柄類型，其本質是對連接對象的弱引用（封裝了 std::weak_ptr）

  • 因此我們可以把它映射到每一個用戶名，這樣我們就知道發送過來的連接句柄對應是哪個用戶了，實際這里我們每次連接都分配了一個用戶名：

std::string username = "user:" + std::to_string(++totalUser);

這里我們使用std::map進行映射，由于websocketpp::connection_hdl類型不具備運算符<，因此我們自己寫一個仿函數，里面用它內部的weak_ptr進行比較

struct ConnectionHdlCompare {bool operator()(const websocketpp::connection_hdl& a, const websocketpp::connection_hdl& b) const {// 通過獲取底層的弱指針的原始指針進行比較return a.lock() < b.lock();}
};

然后這樣定義std::map：

std::map<websocketpp::connection_hdl, std::string, ConnectionHdlCompare> user_map;

3.3 連接事件

  • 每個用戶連接的時候，需要分配一個唯一的用戶名，然后廣播給全部用戶，該用戶加入房間了，我們使用JSON進行序列化，類型是enter，同時，把這個連接句柄加入全局的鏈表中
void on_open(websocketpp::connection_hdl hdl)
{std::string msg = "link OK";printf("%s\n", msg.c_str());vgdl.push_back(hdl);// 生成唯一用戶名std::string username = "user:" + std::to_string(++totalUser);user_map[hdl] = username;  // 記錄連接對應的用戶名// 廣播用戶加入消息json j;j["type"] = "enter";j["data"] = username + "加入房間";std::string json_str = j.dump();std::cout << "json_str = " << json_str << std::endl;send_msg(&echo_server, json_str);
}

  • 廣播函數send_msg我們重載了兩個版本，其中一個版本是字符串std::string發送，另一個則是使用message_ptr類型，其內部封裝了消息幀的數據，比如payload負載、opcode操作碼，它本質也是一個weak_ptr

  • 創建文本幀如下，我們發送JSON，使用的是text

    • 0x0：延續幀（用于分片傳輸大消息，當前幀是消息的中間部分）；
    • 0x1：文本幀（payload 是 UTF-8 編碼的文本數據）；
    • 0x2：二進制幀（payload 是任意二進制數據，如圖片、protobuf 等）；
    • 0x8：關閉幀（通知對方關閉連接，payload 可包含關閉原因）；
    • 0x9：Ping 幀（心跳檢測，用于確認連接活性）；
    • 0xA：Pong 幀（響應 Ping 幀的心跳回復）。

  • 遍歷的時候，需要判斷是否指針失效了，因為weak_ptr本身并不能管理對象，需要轉換為shared_ptr來查看，可以調用expire()函數來看看是否為nullptr，我們只對有效的連接發送消息，無效的連接直接從鏈表刪除這個句柄

void send_msg(server *s, message_ptr msg){for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); ){if (it->expired()){it = vgdl.erase(it);  // 正確處理迭代器失效：連接斷開}else{try {s->send(*it, msg->get_payload(), msg->get_opcode());} catch (websocketpp::exception const & e) {std::cout << "Broadcast failed because: " << e.what() << std::endl;}++it;  // 只有在未刪除元素時才遞增迭代器}}
}void send_msg(server *s,std::string msg){for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); ){if (it->expired()){it = vgdl.erase(it);  // 正確處理迭代器失效：連接斷開}else{try {s->send(*it, msg, websocketpp::frame::opcode::text);} catch (websocketpp::exception const & e) {std::cout << "Broadcast failed because: " << e.what() << std::endl;}++it;  // 只有在未刪除元素時才遞增迭代器}}
}

3.4 關閉事件

在觸發關閉連接的回調函數中，我們要刪除對應map里面的用戶名，并且我們將這個用戶離開房間的消息轉發給所有人，JSON序列化的type為leave

void on_close(websocketpp::connection_hdl hdl)
{for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); ){if (it->expired()){it = vgdl.erase(it);  // 正確處理迭代器失效：連接斷開}}std::string msg = "close OK";printf("%s\n", msg.c_str());// 清理用戶映射表并廣播離開消息if (user_map.find(hdl) != user_map.end()) {std::string username = user_map[hdl];user_map.erase(hdl);  // 刪除映射記錄json j;j["type"] = "leave";j["data"] = username + "離開房間";std::string json_str = j.dump();send_msg(&echo_server, json_str);}
}

3.5 發送消息事件

  • 在收到客戶端的消息之后，我們需要將這個消息轉發給所有人，JSON序列化的type為message，發送的時候需要加上用戶名，這樣前端顯示才有用戶名：

  • 這里是通過修改message_ptr的payload的形式來發送消息的，因此我們調用send_msg是第一個重載版本

void on_message(server *s, websocketpp::connection_hdl hdl, message_ptr msg)
{std::cout << "on_message called with hdl: " << hdl.lock().get()<< " and message: " << msg->get_payload()<< std::endl;// check for a special command to instruct the server to stop listening so// it can be cleanly exited.if (msg->get_payload() == "stop-listening"){s->stop_listening();return;}//轉發消息json j;j["type"] = "message";j["data"] =  user_map[hdl] + "說:" + msg->get_payload();std::string json_str = j.dump();msg->set_payload(json_str);std::cout << "msg = " << msg->get_payload() << std::endl;send_msg(s, msg);
}

3.6 完整代碼

完整的服務端代碼如下：

// examples目錄是官方的一些例子 本次使用的是echo_server\echo_server.cpp
// 該原程序只支持一對一發送后回復
// 改造后可以通知所有連接上來的客戶端。
// 編譯 g++ main.cpp -o main -lboost_system -lboost_chrono#include <websocketpp/config/asio_no_tls.hpp>#include <websocketpp/server.hpp>#include <iostream>
#include <list>
#include <functional> 
#include <mutex>  // 添加互斥鎖頭文件//json解析
#include<nlohmann/json.hpp>
using json = nlohmann::json;typedef websocketpp::server<websocketpp::config::asio> server;using websocketpp::lib::bind;
using websocketpp::lib::placeholders::_1;
using websocketpp::lib::placeholders::_2;// pull out the type of messages sent by our config
typedef server::message_ptr message_ptr;std::list<websocketpp::connection_hdl> vgdl;
std::mutex vgdl_mutex;  // 添加互斥鎖保護連接列表// 自定義比較函數對象
struct ConnectionHdlCompare {bool operator()(const websocketpp::connection_hdl& a, const websocketpp::connection_hdl& b) const {// 通過獲取底層的弱指針的原始指針進行比較return a.lock() < b.lock();}
};// 使用自定義比較函數對象的連接-用戶名映射表
std::map<websocketpp::connection_hdl, std::string, ConnectionHdlCompare> user_map;  // 新增：連接-用戶名映射表// Define a callback to handle incoming messages// Create a server endpoint
server echo_server;int totalUser = 0;
void send_msg(server *s, message_ptr msg){for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); ){if (it->expired()){it = vgdl.erase(it);  // 正確處理迭代器失效：連接斷開}else{try {s->send(*it, msg->get_payload(), msg->get_opcode());} catch (websocketpp::exception const & e) {std::cout << "Broadcast failed because: " << e.what() << std::endl;}++it;  // 只有在未刪除元素時才遞增迭代器}}
}void send_msg(server *s,std::string msg){for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); ){if (it->expired()){it = vgdl.erase(it);  // 正確處理迭代器失效：連接斷開}else{try {s->send(*it, msg, websocketpp::frame::opcode::text);} catch (websocketpp::exception const & e) {std::cout << "Broadcast failed because: " << e.what() << std::endl;}++it;  // 只有在未刪除元素時才遞增迭代器}}
}
void on_message(server *s, websocketpp::connection_hdl hdl, message_ptr msg)
{std::cout << "on_message called with hdl: " << hdl.lock().get()<< " and message: " << msg->get_payload()<< std::endl;// check for a special command to instruct the server to stop listening so// it can be cleanly exited.if (msg->get_payload() == "stop-listening"){s->stop_listening();return;}//轉發消息json j;j["type"] = "message";j["data"] =  user_map[hdl] + "說:" + msg->get_payload();std::string json_str = j.dump();msg->set_payload(json_str);std::cout << "msg = " << msg->get_payload() << std::endl;send_msg(s, msg);
}//將每個連接存入容器
void on_open(websocketpp::connection_hdl hdl)
{std::string msg = "link OK";printf("%s\n", msg.c_str());vgdl.push_back(hdl);// 生成唯一用戶名std::string username = "user:" + std::to_string(++totalUser);user_map[hdl] = username;  // 記錄連接對應的用戶名// 廣播用戶加入消息json j;j["type"] = "enter";j["data"] = username + "加入房間";std::string json_str = j.dump();std::cout << "json_str = " << json_str << std::endl;send_msg(&echo_server, json_str);
}void on_close(websocketpp::connection_hdl hdl)
{for (auto it = vgdl.begin(); it != vgdl.end(); ){if (it->expired()){it = vgdl.erase(it);  // 正確處理迭代器失效：連接斷開}}std::string msg = "close OK";printf("%s\n", msg.c_str());// 清理用戶映射表并廣播離開消息if (user_map.find(hdl) != user_map.end()) {std::string username = user_map[hdl];user_map.erase(hdl);  // 刪除映射記錄json j;j["type"] = "leave";j["data"] = username + "離開房間";std::string json_str = j.dump();send_msg(&echo_server, json_str);}
}int main()
{try{// Set logging settings 設置logecho_server.set_access_channels(websocketpp::log::alevel::all);echo_server.clear_access_channels(websocketpp::log::alevel::frame_payload);// Initialize Asio 初始化asioecho_server.init_asio();// Register our message handler// 綁定收到消息后的回調echo_server.set_message_handler(bind(&on_message, &echo_server, ::_1, ::_2));//當有客戶端連接時觸發的回調std::function<void(websocketpp::connection_hdl)> f_open;f_open = on_open;echo_server.set_open_handler(websocketpp::open_handler(f_open));//關閉是觸發std::function<void(websocketpp::connection_hdl)> f_close(on_close);echo_server.set_close_handler(f_close);// Listen on port 9002echo_server.listen(9002);//監聽端口// Start the server accept loopecho_server.start_accept();// Start the ASIO io_service run loopecho_server.run();}catch (websocketpp::exception const &e){std::cout << e.what() << std::endl;}catch (...){std::cout << "other exception" << std::endl;}
}

四、運行結果

編譯服務端并啟動：

g++ main.cpp -o main -lboost_system -lboost_chrono
./main

在兩個瀏覽器中打開我們的Web服務端，這里是本地的，所以是

http://127.0.0.1:5500/chatClient.html

兩個用戶加入房間、聊天、離開的效果有不同的顏色，如下所示

在這里插入圖片描述

更多資料：https://github.com/0voice

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