NebulaChat：C++ 高并发聊天室服务端 - 教程

项目地址：https://github.com/elaysia-feng/NebulaChat.git

基于 C++17 的高并发聊天室服务端，是一个涵盖现代 C++、Linux 网络编程、MySQL、Redis 的综合项目。

一、功能概览

1. 用户系统

用户名 + 密码登录
手机号 + 短信验证码登录（模拟短信服务）
用户注册（手机号 + 验证码 + 用户名 + 密码）
忘记密码（手机号 + 验证码重置密码）
登录后修改昵称

2. 聊天系统

多聊天室房间（roomId）
登录后自动加入默认房间（如 1 号房）
房间容量限制（如 MAX_ROOM_SIZE = 100）
房间内广播消息：一人发言，房间内所有在线用户收到
拉取历史消息，支持指定条数 limit

3. 存储与缓存

MySQL 持久化：
- 用户信息
- 聊天消息
Redis 缓存：
- 用户缓存（用户名 / 手机号 → 用户信息或 null）
- 短信验证码
- 聊天历史缓存（按房间 + limit 维度）
缓存策略：
- 空值缓存：不存在的用户结果会缓存 "null"
- 历史消息：互斥锁 + double-check，避免热点 key 失效时的缓存击穿
- 历史缓存 TTL 加随机抖动，减轻缓存雪崩

4. 并发模型

单 Reactor（epoll）+ 多线程线程池
非阻塞 socket，支持边缘触发和水平触发
使用 eventfd 唤醒 Reactor
线程安全任务队列 SafeQueue
会话结构 Connection：记录用户登录状态、房间号、输入输出缓冲等

二、技术栈

语言：C++17
平台：Linux（如 Ubuntu 20.04+）
构建工具：CMake
网络编程：
- socket / bind / listen / accept
- epoll 多路复用
- 非阻塞 I/O
- TCP_NODELAY
并发相关：
- std::thread
- std::mutex / std::unique_lock / std::condition_variable
- std::atomic<bool> 控制连接写状态、短关标记等
存储：
- MySQL（libmysqlclient）
- Redis（hiredis）
第三方库：
- nlohmann::json 处理 JSON 协议

三、项目目录结构示例

.
├── CMakeLists.txt
├── src
│   ├── main.cpp
│   ├── core
│   │   ├── Reactor.cpp
│   │   ├── Server.cpp
│   │   ├── ThreadPool.cpp
│   ├── chat
│   │   ├── MessageHandler.cpp
│   │   ├── AuthService.cpp
│   │   ├── SmsService.cpp
│   │   ├── ChatHistory.cpp
│   │   ├── RoomManager.cpp
│   ├── db
│   │   ├── DBconnection.cpp
│   │   ├── DBpool.cpp
│   │   ├── RedisConnection.cpp
│   │   ├── RedisPool.cpp
│   ├── utils
│       ├── Random.cpp
│       └── ...
└── include
    ├── core/*.h
    ├── chat/*.h
    ├── db/*.h
    └── utils/*.h

四、核心设计

1. 网络层（core）

Reactor

封装 epoll
负责：
- 注册 / 修改 / 删除 fd 事件
- 主循环 loop()
- 处理 eventfd 唤醒
- 分发回调（dispatcher_）

Server

管理监听 fd 和所有客户端连接
主要职责：
- start()：创建 socket，设置非阻塞和端口复用，加入 Reactor
- onAccept()：接受新连接，创建 Connection，放入 conns_ 容器，注册读事件
- onConnRead()：
  - 非阻塞读取数据到 Connection::inbuf
  - 按 \n 拆包（行协议）
  - 将每条 JSON 请求放入线程池异步处理
- postWrite(fd, data)：
  - 线程安全地将响应追加到 Connection::outbuf
  - 打开该 fd 的 EPOLLOUT 事件
  - 调用 reactor_.wakeup() 唤醒事件循环
- onConnWrite()：
  - 非阻塞写 outbuf 到 socket
  - 写完关闭 EPOLLOUT
  - 若标记 shortClose，则在写完后关闭连接
- broadcastToRoom(roomId, data)：
  - 遍历 conns_ 中所有连接
  - 按 Connection.roomId 筛选房间内用户，逐个调用 postWrite

Connection（`namespace utils`）

int fd：socket 描述符
std::string inbuf：输入缓冲区
std::string outbuf：输出缓冲区
I/O 状态：
- std::atomic<bool> wantWrite
- std::atomic<bool> shortClose
会话状态：
- bool authed：是否已登录
- int userId：用户 ID
- std::string name：用户名
- int roomId：所在房间号

ThreadPool 与 SafeQueue

SafeQueue<T>：
- 使用 std::mutex 和 std::condition_variable 实现的阻塞队列
- 提供 Safepush / Safepop 接口
ThreadPool：
- 维护若干工作线程
- 从任务队列中取任务执行
- Server::onConnRead 中将业务处理逻辑投递到线程池

2. 业务层（chat）

MessageHandler

根据请求 JSON 中的 cmd 字段分发业务逻辑：
- login：用户名密码登录或短信登录
- register：短信校验后注册用户
- reset_pass：手机号 + 验证码重置密码
- update_name：修改昵称
- join_room：加入或切换聊天室（带房间容量限制）
- send_msg：发送消息（房间广播 + 写入历史）
- get_history：拉取历史消息（使用缓存）
通信协议为一行 JSON，以 \n 结尾。

AuthService

登录相关逻辑：
- 用户名 + 密码登录
- 手机号 + 短信验证码登录
- 注册用户
- 修改用户名
- 重置密码
依赖：
- DBPool 操作 MySQL
- RedisPool做用户缓存与空值缓存，减少 DB 压力

SmsService

模拟短信验证码服务：
- 生成随机验证码
- 将验证码写入 Redis，key 类似 sms:phone:<手机号>
- 同时写日志，方便在终端查看验证码
校验逻辑：
- 从 Redis 中读取验证码并比对
- 可设置一次性使用和过期时间

RoomManager

管理房间在线人数：
- tryEnterRoom(roomId, maxSize)：若当前人数小于 maxSize，则人数加一并返回 true
- leaveRoom(roomId)：用户离开房间时人数减一
- getRoomSize(roomId)：查询当前房间在线人数
内部使用：
- std::mutex
- std::unordered_map<int, int> 存储房间人数

ChatHistory

SaveMessage()：
- 将单条消息写入 MySQL messages 表，字段包括：
  - room_id
  - user_id
  - username
  - content
  - created_at
- 使用 mysql_real_escape_string 转义字符串，避免 SQL 注入和语法错误
GetHistoryWithCache(roomId, limit, historyOut)：
- Redis 正常：
  1. 尝试 GET room:history:<roomId>:<limit>
  2. 命中缓存则直接解析返回
  3. 未命中：
    - 使用互斥锁 + double-check 避免多个线程同时回源
    - 从 DB 拉取最近 limit 条消息
    - 写回 Redis，TTL 基础值加随机抖动
- Redis 不可用：
  - 进入降级模式
  - 使用简单限流及互斥锁串行访问 DB，避免瞬间大量请求压垮数据库

3. 基础设施层（db 与 utils）

DBPool / DBConnection

提供简单的 MySQL 连接池
封装：
- MYSQL_RES* query(const std::string& sql)
- bool update(const std::string& sql)
连接参数（host、user、password、db、port）在代码中配置

RedisPool / RedisConnection

基于 hiredis 封装的 Redis 连接池
提供：
- bool get(const std::string& key, std::string& out)
- bool setEX(const std::string& key, const std::string& value, int ttl)

utils::Random

随机数工具：
- int RandInt(int min, int max)：使用线程本地 mt19937 和均匀分布生成区间随机整数

五、通信协议示例（JSON 行协议）

所有请求和响应统一为：一行 JSON 字符串 + 换行符 \n。

1. 用户名 + 密码登录

请求：

{"cmd": "login", "mode": "password", "user": "elias", "pass": "123456"}

成功响应示例：

{
  "ok": true,
  "roomId": 1
}

2. 发送消息

请求：

{"cmd": "send_msg", "text": "hello, everyone"}

广播给房间内所有用户的响应示例：

{
  "ok": true,
  "broadcast": true,
  "roomId": 1,
  "fromId": 1001,
  "fromName": "elias",
  "text": "hello, everyone",
  "ts": 1732250000
}

3. 加入或切换房间

请求：

{"cmd": "join_room", "roomId": 2}

成功响应：

{"ok": true, "roomId": 2, "msg": "join room success"}

房间已满时的响应：

{"ok": false, "roomId": 1, "msg": "room is full"}

4. 拉取历史消息

请求：

{"cmd": "get_history", "limit": 20}

响应示例：

{
  "ok": true,
  "roomId": 1,
  "history": [
    {
      "id": 123,
      "roomId": 1,
      "fromId": 1001,
      "fromName": "elias",
      "text": "hello",
      "ts": 1732250000
    }
  ]
}

六、构建与运行

1. 环境依赖

Linux（推荐 Ubuntu 20.04 及以上）
g++（支持 C++17）
CMake 3.10 及以上
MySQL 服务器和开发库：
- 示例安装命令：
```
sudo apt install mysql-server libmysqlclient-dev
```
Redis 服务器和 hiredis：
- 示例安装命令：
```
sudo apt install redis-server libhiredis-dev
```

2. 配置数据库与 Redis

在 DBpool.cpp 和 RedisPool.cpp 中配置：

host
user
password
database
port

确保：

MySQL 中已创建所需数据库和数据表（例如 users、messages）
Redis 已启动，密码和端口与代码配置一致

3. 编译与运行

mkdir build
cd build
cmake ..
make -j

编译成功后执行：

./NebulaChat

发表于 2025-12-23 19:47 jzssuanfa 阅读(0) 评论(0) 收藏举报

刷新页面返回顶部