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十、即时消息

公司软件的一个重要特征是与员工沟通的能力。因此，内部即时消息系统是软件的关键部分。通过在 Qt 中加入网络模块，我们可以很容易地用它创建一个聊天系统。

在本章中，我们将涵盖以下主题:

  • Qt 网络模块
  • 创建即时消息服务器
  • 创建即时消息客户端

使用 Qt 创建一个即时通讯系统比你想象的要容易得多。我们开始吧！

Qt 网络模块

在下一节中，我们将了解 Qt 网络模块，以及它如何帮助我们通过 TCP 或 UDP 连接协议实现服务器-客户端通信。

连接协议

Qt 中的网络模块是既提供低级网络功能(如 TCP 和 UDP 套接字)又提供高级网络类(用于 web 集成和网络通信)的模块。

在本章中，我们将使用 TCP ( 传输控制协议)互联网协议来代替 UDP ( 用户数据报协议)协议。主要区别在于，TCP 是一种面向连接的协议，要求所有客户端在能够相互通信之前建立与服务器的连接。

另一方面，UDP 是一种不需要连接的无连接协议。客户端将只发送它需要发送到目的地的任何数据，而不检查数据是否已经被另一端接收到。两种协议各有利弊，但 TCP 更适合我们的示例项目。我们想确保收件人收到每条聊天消息，不是吗？

两种协议的区别如下:

  • TCP:
    • 面向连接的协议
    • 适用于要求高可靠性的应用，并且对数据传输时间要求不高
    • TCP 的速度比 UDP 慢
    • 在发送下一个数据之前，要求接收客户端确认收到
    • 绝对保证传输的数据保持完整，并按照发送的顺序到达
  • UDP:
    • 无连接协议
    • 适合需要快速、高效传输的应用，如游戏和 VOIP
    • 因为不尝试错误恢复，所以 UDP 比 TCP 轻量级且更快
    • 也适用于回答来自大量客户端的小查询的服务器
    • 不能保证发送的数据到达目的地，因为没有跟踪连接，也不需要接收客户端的任何确认

由于我们不采用对等连接方式，我们的聊天系统将需要两个不同的软件——服务器程序和客户端程序。服务器程序将充当中间人(就像邮递员一样)，接收来自所有用户的所有消息，并将它们相应地发送给目标接收者。服务器程序将在服务器机房的一台计算机上与普通用户隔离。

另一方面，客户端程序是所有用户都使用的即时通讯软件。这个程序是安装在用户计算机上的程序。用户可以使用这个客户端程序发送他们的消息，也可以看到其他人发送的消息。我们的消息传递系统的整体架构如下所示:

让我们开始设置我们的项目并启用 Qt 的网络模块！对于这个项目，我们将先从服务器程序开始，然后再处理客户端程序。

设置新项目

首先，创建一个新的 Qt 控制台应用项目。然后，打开项目文件(.pro)并添加以下模块:

QT += core network 
Qt -= gui

你应该注意到这个项目没有任何gui模块(我们确保它被明确删除)，因为我们不需要任何服务器程序的用户界面。这也是我们选择 Qt 控制台应用而不是通常的 Qt 小部件应用的原因。

实际上，就是这样——您已经成功地将网络模块添加到您的项目中。在下一节中，我们将学习如何为我们的聊天系统创建服务器程序。

创建即时消息服务器

在下一节中，我们将学习如何创建一个即时消息服务器来接收用户发送的消息，并将它们重新分发到各自的收件人。

创建传输控制协议服务器

在本节中，我们将学习如何创建一个不断监听特定端口的传入消息的 TCP 服务器。为了简单起见，我们将只创建一个全局聊天室，其中每个用户都可以看到聊天室中每个用户发送的消息，而不是带有朋友列表的一对一消息传递系统。一旦你理解了聊天系统是如何工作的，你就可以很容易地把这个系统即兴发挥给后者。

首先，转到文件|新建文件或项目，并在 C++ 类别下选择 C++ 类。然后，将类命名为server，选择 QObject 作为基类。在继续创建自定义类之前，请确保选中了包含对象选项。你应该也注意到了mainwindow.ui、mainwindow.h和mainwindow.cpp的缺席。这是因为控制台应用项目中没有用户界面。

一旦创建了服务器类，让我们打开server.h并添加以下头、变量和函数:

#ifndef SERVER_H 
#define SERVER_H 

#include <QObject> 
#include <QTcpServer> 
#include <QTcpSocket> 
#include <QDebug> 
#include <QVector> 

private: 
   QTcpServer* chatServer; 
   QVector<QTcpSocket*>* allClients; 

public:
   explicit server(QObject *parent = nullptr);
 void startServer();
   void sendMessageToClients(QString message); public slots: void newClientConnection();
  void socketDisconnected();
  void socketReadyRead();
  void socketStateChanged(QAbstractSocket::SocketState state);

接下来，创建一个名为startServer()的函数，并将以下代码添加到server.cpp中的函数定义中:

void server::startServer() 
{ 
   allClients = new QVector<QTcpSocket*>; 

   chatServer = new QTcpServer(); 
   chatServer->setMaxPendingConnections(10); 
   connect(chatServer, SIGNAL(newConnection()), this, 
   SLOT(newClientConnection())); 

   if (chatServer->listen(QHostAddress::Any, 8001)) 
   { 
         qDebug() << "Server has started. Listening to port 8001."; 
   } 
   else 
   { 
         qDebug() << "Server failed to start. Error: " + chatServer-
         >errorString(); 
   } 
}

我们创建了一个名为chatServer的QTcpServer对象，并让它不断地监听端口8001。您可以选择任何未使用的端口号，范围从1024到49151。这个范围之外的其他号码通常是为普通系统保留的，比如 HTTP 或 FTP 服务，所以我们最好不要使用它们来避免冲突。我们还创建了一个名为allClients的QVector数组来存储所有连接的客户端，以便我们以后可以使用它来将传入的消息重定向到所有用户。

我们还使用setMaxPendingConnections()功能将最大挂起连接数限制为 10 个客户端。您可以使用此方法将活动客户端的数量保持在特定数量，以便服务器的带宽始终在其限制范围内。这样可以保证良好的服务质量，保持积极的用户体验。

倾听客户

每当客户端连接到服务器时，chatServer将触发newConnection()信号，因此我们将该信号连接到名为newClientConnection()的自定义插槽功能。插槽功能如下所示:

void server::newClientConnection() 
{ 
   QTcpSocket* client = chatServer->nextPendingConnection(); 
   QString ipAddress = client->peerAddress().toString(); 
   int port = client->peerPort(); 

   connect(client, &QTcpSocket::disconnected, this, &server::socketDisconnected); 
   connect(client, &QTcpSocket::readyRead, this, &server::socketReadyRead); 
   connect(client, &QTcpSocket::stateChanged, this, &server::socketStateChanged); 

   allClients->push_back(client); 

   qDebug() << "Socket connected from " + ipAddress + ":" + QString::number(port); 
}

每一个连接到服务器的新客户端都是一个QTcpSocket对象，可以通过调用nextPendingConnection()从QTcpServer对象中获取。您可以通过分别拨打peerAddress()和peerPort()获取客户端的信息，如其 IP 地址和端口号。然后，我们将每个新客户端存储到allClients阵列中以备将来使用。我们还将客户端的disconnected()、readyRead()和stateChanged()信号连接到其各自的插槽功能。

当客户端与服务器断开连接时，会触发disconnected()信号，随后会调用socketDisconnected()、slot功能。我们在这个函数中所做的只是在服务器控制台上显示消息，仅此而已。您可以在这里做任何您喜欢的事情，比如将用户的离线状态保存到数据库等等。为了简单起见，我们将在控制台窗口上打印出消息:

void server::socketDisconnected() 
{ 
   QTcpSocket* client = qobject_cast<QTcpSocket*>(QObject::sender()); 
   QString socketIpAddress = client->peerAddress().toString(); 
   int port = client->peerPort(); 

   qDebug() << "Socket disconnected from " + socketIpAddress + ":" + 
   QString::number(port); 
}

接下来，每当客户端向服务器发送消息时，都会触发readyRead()信号。我们已经将信号连接到一个名为socketReadyRead()的槽函数，它看起来像这样:

void server::socketReadyRead() 
{ 
   QTcpSocket* client = qobject_cast<QTcpSocket*>(QObject::sender()); 
   QString socketIpAddress = client->peerAddress().toString(); 
   int port = client->peerPort(); 

   QString data = QString(client->readAll()); 

   qDebug() << "Message: " + data + " (" + socketIpAddress + ":" + 
   QString::number(port) + ")"; 

   sendMessageToClients(data); 
}

在前面的代码中，我们只是将消息重定向到一个名为sendMessageToClients()的自定义函数，该函数负责将消息传递给所有连接的客户端。我们一会儿就来看看这个函数是如何工作的。我们使用QObject::sender()获取发出readyRead信号的对象的指针，并将其转换为QTcpSocket类，这样我们就可以访问其readAll()功能。

之后，我们还将另一个名为stateChanged()的信号连接到socketStateChanged()槽功能。慢速功能如下所示:

void server::socketStateChanged(QAbstractSocket::SocketState state) 
{ 
   QTcpSocket* client = qobject_cast<QTcpSocket*>(QObject::sender()); 
   QString socketIpAddress = client->peerAddress().toString(); 
   int port = client->peerPort(); 

   QString desc; 

   if (state == QAbstractSocket::UnconnectedState) 
         desc = "The socket is not connected."; 
   else if (state == QAbstractSocket::HostLookupState) 
         desc = "The socket is performing a host name lookup."; 
   else if (state == QAbstractSocket::ConnectingState) 
         desc = "The socket has started establishing a connection."; 
   else if (state == QAbstractSocket::ConnectedState) 
         desc = "A connection is established."; 
   else if (state == QAbstractSocket::BoundState) 
         desc = "The socket is bound to an address and port."; 
   else if (state == QAbstractSocket::ClosingState) 
         desc = "The socket is about to close (data may still be 
         waiting to be written)."; 
   else if (state == QAbstractSocket::ListeningState) 
         desc = "For internal use only."; 

   qDebug() << "Socket state changed (" + socketIpAddress + ":" + 
   QString::number(port) + "): " + desc; 
}

每当客户端的网络状态发生变化时，例如连接、断开、侦听等，就会触发此功能。我们将简单地根据它的新状态打印出相关的消息，这样我们就可以更容易地调试我们的程序。

现在，让我们看看sendMessageToClients()函数是什么样子的:

void server::sendMessageToClients(QString message) 
{ 
   if (allClients->size() > 0) 
   { 
         for (int i = 0; i < allClients->size(); i++) 
         { 
               if (allClients->at(i)->isOpen() && allClients->at(i)-
               >isWritable()) 
               { 
                     allClients->at(i)->write(message.toUtf8()); 
               } 
         } 
   } 
}

在前面的代码中，我们简单地循环通过allClients数组，并将消息数据传递给所有连接的客户端。

最后，打开main.cpp并添加以下代码来启动我们的服务器:

#include <QCoreApplication> 
#include "server.h" 

int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
   QCoreApplication a(argc, argv); 

   server* myServer = new server(); 
   myServer->startServer(); 

   return a.exec(); 
}

现在构建并运行程序，您应该会看到如下内容:

除了显示服务器正在监听端口8001之外，看起来没有任何事情发生。别担心，因为我们还没有创建客户端程序。我们继续！

创建即时消息客户端

在下一节中，我们将继续创建我们的即时消息客户端，用户将使用它来发送和接收消息。

设计用户界面

在本节中，我们将学习如何为即时消息客户端设计用户界面并为其创建功能:

  1. 首先，通过转到文件|新文件或项目来创建另一个 Qt 项目。然后在应用类别下选择 Qt 小部件应用。
  2. 项目创建完成后，打开mainwindow.ui并将线条编辑和文本浏览器拖到窗口画布上。然后，选择中心小部件，并单击位于上面小部件栏上的垂直布局按钮，将垂直布局效果应用于小部件:

  1. 之后，在底部放置一个水平布局，并将线编辑放入布局中。然后，从小部件框中拉出一个按钮，将其命名为sendButton；我们还将其标签设置为Send，如下图:

  1. 完成后，拖放另一个水平布局，并将其放在文本浏览器的顶部。之后，在水平布局中放置标签、线编辑和按钮，如下所示:

我们调用行编辑小部件nameInput，并为其设置一个默认文本为John Doe，这样用户就有了一个默认名称。然后，我们调用按钮connectButton并将其标签更改为Connect。

我们已经完成了一个非常简单的即时消息程序的用户界面设计，它将完成以下任务:

  1. 连接到服务器
  2. 让用户设置他们的名字
  3. 可以看到所有用户发送的消息
  4. 用户可以输入并发送他们的消息，让所有人都能看到

现在编译并运行项目，您应该会看到您的程序如下所示:

请注意，我还将窗口标题更改为Chat Client，使其看起来稍微专业一些。您可以通过在层次窗口中选择MainWindow对象并更改其windowTitle属性来实现。

在下一节中，我们将开始编程部分的工作，并实现上面列表中提到的特性。

实现聊天功能

在我们开始编写任何代码之前，我们必须首先通过打开我们的项目文件(.pro)来启用网络模块，并在那里添加network关键字:

QT += core gui network

接下来，打开mainwindow.h并添加以下标题和变量:

#ifndef MAINWINDOW_H 
#define MAINWINDOW_H 

#include <QMainWindow> 
#include <QDebug> 
#include <QTcpSocket> 

private: 
   Ui::MainWindow *ui; 
   bool connectedToHost; 
   QTcpSocket* socket;

我们在mainwindow.cpp中默认将connectedToHost变量设置为false:

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

完成后，我们需要实现的第一个特性是服务器连接。打开mainwindow.ui，右键单击连接按钮，然后选择转到插槽...，并选择clicked()。之后，会自动为您创建一个槽函数。在SLOT功能中添加以下代码:

void MainWindow::on_connectButton_clicked() 
{ 
   if (!connectedToHost) 
   { 
         socket = new QTcpSocket(); 

         connect(socket, SIGNAL(connected()), this, 
         SLOT(socketConnected())); 
         connect(socket, SIGNAL(disconnected()), this, 
         SLOT(socketDisconnected())); 
         connect(socket, SIGNAL(readyRead()), this, 
         SLOT(socketReadyRead())); 

         socket->connectToHost("127.0.0.1", 8001); 
   } 
   else 
   { 
         QString name = ui->nameInput->text(); 
         socket->write("<font color="Orange">" + name.toUtf8() + " has 
         left the chat room.</font>"); 

         socket->disconnectFromHost(); 
   } 
}

我们在前面的代码中所做的基本上是检查connectedToHost变量。如果变量是false(意味着客户端没有连接到服务器)，创建一个名为socket的QTcpSocket对象，并使其连接到端口8801上的127.0.0.1主机。IP 地址127.0.0.1代表本地主机。由于这仅用于测试目的，我们将客户端连接到位于同一台计算机上的测试服务器。如果您在另一台计算机上运行服务器，您可以根据需要将 IP 地址更改为局域网或广域网地址。

当connected()、disconnected()和readReady()信号被触发时，我们还将socket对象连接到其各自的插槽功能。这与我们之前所做的服务器代码完全相同。如果客户端已经连接到服务器，并且单击了连接(现在标记为Disconnect)按钮，则向服务器发送断开消息并终止连接。

接下来，我们将看看槽函数，我们在上一步中将其连接到了socket对象。第一个是socketConnected()函数，当客户端成功连接到服务器时将调用该函数:

void MainWindow::socketConnected() 
{ 
   qDebug() << "Connected to server."; 

   printMessage("<font color="Green">Connected to server.</font>"); 

   QString name = ui->nameInput->text(); 
   socket->write("<font color="Purple">" + name.toUtf8() + " has joined 
   the chat room.</font>"); 

   ui->connectButton->setText("Disconnect"); 
   connectedToHost = true; 
}

首先，客户端将在应用输出和文本浏览器小部件上显示Connected to server.消息。我们将在一分钟后看到printMessage()功能是什么样子的。然后，我们从输入字段中获取用户名，并将其合并到文本消息中，然后将其发送到服务器，以便通知所有用户。最后，将连接按钮的标签设置为Disconnect，将connectedToHost变量设置为true。

在这之后，让我们看看socketDisconnected()，顾名思义，每当客户端与服务器断开连接时都会调用它:

void MainWindow::socketDisconnected() 
{ 
   qDebug() << "Disconnected from server."; 

   printMessage("<font color="Red">Disconnected from server.</font>"); 

   ui->connectButton->setText("Connect"); 
   connectedToHost = false; 
}

前面的代码非常简单。它所做的只是在应用输出和文本浏览器小部件上显示断开的消息，然后将断开按钮的标签设置为Connect，将connectedToHost变量设置为false。请注意，由于只有在客户端与服务器断开连接后才会调用该函数，因此我们无法再向服务器发送任何消息来通知它断开连接。您应该在服务器端检查连接是否断开，并相应地通知所有用户。

然后是socketReadyRead()功能，每当服务器向客户端发送数据时都会触发。这个函数甚至比之前的函数更简单，因为它所做的只是将输入数据传递给printMessage()函数，而没有其他功能:

void MainWindow::socketReadyRead() 
{ 
   ui->chatDisplay->append(socket->readAll()); 
}

最后，我们来看看printMessage()函数是什么样子的。其实也一样简单。它所做的只是将消息附加到文本浏览器中，然后就完成了:

void MainWindow::printMessage(QString message) 
{ 
   ui->chatDisplay->append(message); 
}

最后，让我们看看如何实现向服务器发送消息的功能。打开mainwindow.ui，右键点击发送按钮，选择转到插槽...，并选择clicked()选项。为您创建插槽函数后，向函数中添加以下代码:

void MainWindow::on_sendButton_clicked() 
{ 
   QString name = ui->nameInput->text(); 
   QString message = ui->messageInput->text(); 
   socket->write("<font color="Blue">" + name.toUtf8() + "</font>: " + 
   message.toUtf8()); 

   ui->messageInput->clear(); 
}

首先，我们取用户的名字，并将其与消息结合起来。然后，在通过调用write()将整个东西发送到服务器之前，我们将名称设置为蓝色。之后，清除消息输入字段，我们就完成了。由于文本浏览器默认接受富文本，我们可以通过将文本放在<font>标签中来使用富文本来给文本着色。

立即编译并运行项目；你们应该能够在不同的客户上互相聊天！在连接客户端之前，不要忘记打开服务器。如果一切顺利，你应该看到这样的情况:

同时，您还应该看到服务器端的所有活动:

就这样！我们已经成功地使用 Qt 创建了一个简单的聊天系统。欢迎你即兴发挥，创造一个完善的信息系统！

摘要

在本章中，我们学习了如何使用 Qt 的网络模块创建即时消息系统。在下一章中，我们将深入探讨使用 Qt 进行图形渲染的奇妙之处。