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Linux 网络编程（12）：IM 聊天系统——项目分析和架构搭建
IM 聊天系统——项目分析和架构搭建
本节开始搭建 IM 聊天系统项目，首先分析注册、登录、聊天、添加好友和上下线等基本功能，并划分客户端、服务端、数据库及网络通信模块的职责。
随后通过中介者模式降低 kernel 与具体网络实现之间的耦合，对比单例、工厂和中介者模式各自解决的问题，并使用抽象父类 INet 统一 TCP 与 UDP 网络层接口。
一、IM 聊天系统的基本功能
主要功能包括：
- 注册；
- 登录；
- 聊天；
- 添加好友；
- 上线与下线。
登录成功可以看作用户上线，退出或断开连接则对应下线。
项目整体采用 C/S（Client/Server，客户端/服务端）架构：
- 客户端负责界面展示、收集用户输入、组织请求；
- 服务端负责接收请求、处理业务、访问数据库并返回结果。
二、客户端与服务端的类职责
1. 服务端
| 模块/类 | 主要职责 |
|---|---|
| 数据库类 | 连接数据库、查询、更新、断开连接 |
kernel 类 | 处理收到的数据，组织需要发送的数据 |
| 中介者类 | 发送数据、转发数据、打开网络、关闭网络 |
| 网络类 | 初始化网络、发送数据、接收数据、关闭网络 |
2. 客户端
| 模块/类 | 主要职责 |
|---|---|
| UI 界面类 | 显示界面，采集用户输入的数据 |
kernel 类 | 处理收到的数据，组织需要发送的数据 |
| 中介者类 | 发送数据、转发数据、打开网络、关闭网络 |
| 网络类 | 初始化网络、发送数据、接收数据、关闭网络 |
客户端与服务端都需要网络类和中介者类，二者的整体结构相近，具体网络行为有所不同。
3. 数据流向
flowchart LR
UI["UI 界面"] -->|"用户输入"| CK["客户端 Kernel"]
CK -->|"待发送的数据"| CM["客户端中介者"]
CM --> CN["客户端网络类"]
CN <-->|"TCP / UDP"| SN["服务端网络类"]
SN --> SM["服务端中介者"]
SM -->|"转发收到的数据"| SK["服务端 Kernel"]
SK <-->|"查询、更新"| DB["数据库类"]
中介者本身通常不负责真正的业务处理和底层网络通信，它负责在 kernel 与网络类之间传递消息：
- 发送方向：
kernel → 中介者 → 网络类； - 接收方向：
网络类 → 中介者 → kernel。
三、中介者模式
1. 为什么引入中介者
如果 kernel 直接依赖 UDP、TCP 客户端、TCP 服务端等具体网络类，那么网络实现一变化，kernel 也需要跟着修改，类之间会形成较强的耦合。
加入中介者后：
kernel面向中介者接口发送数据；- 网络类收到数据后交给中介者；
- 中介者再把数据转发给
kernel； kernel与具体网络实现不再直接交互。
用租房中介作类比：租客和房东不直接反复沟通，而是让中介在双方之间传递信息。软件中的中介者同样用于集中协调对象之间的交互。
2. 中介者模式解决的问题
- 减少对象之间的直接引用；
- 把复杂的交互关系集中到中介者中；
- 降低模块耦合；
- 便于替换底层网络实现；
- 使客户端与服务端能够复用相似的框架。
四、单例模式、工厂模式、中介者模式比较
| 对比项 | 单例模式 | 工厂模式 | 中介者模式 |
|---|---|---|---|
| 类型 | 创建型模式 | 创建型模式 | 行为型模式 |
| 核心问题 | 一个类怎样只保留一个实例 | 对象应由谁、按什么条件创建 | 多个对象之间怎样协作 |
| 核心做法 | 隐藏构造，提供唯一访问入口 | 把 new 和类型选择封装起来 | 让对象通过中介者交互 |
| 主要收益 | 避免重复实例，便于共享统一状态 | 调用方不依赖具体创建过程 | 减少对象之间的网状依赖 |
| 主要风险 | 容易形成全局状态，测试困难 | 类型过多时工厂层次会膨胀 | 中介者可能承担过多逻辑 |
1. 三者不是互相替代关系
- 单例模式解决“对象有几个”；
- 工厂模式解决“对象怎么创建”；
- 中介者模式解决“对象怎么交互”。
2. 选择原则
- 只是需要唯一对象：考虑单例；
- 需要隐藏复杂创建过程或切换实现：考虑工厂；
- 多个模块彼此直接依赖、交互混乱：考虑中介者；
- 不要为了“使用设计模式”而使用设计模式，应先判断项目中真正存在的问题。
五、网络层的抽象设计
程序需要支持 TCP 和 UDP，因此不能把所有网络代码都堆在一个类中。这里设计了一个抽象父类 INet，再由具体网络类继承并实现它。
1. 类层次
INet（抽象父类）├── TcpClient├── TcpServer└── Udp父类规定所有网络类共同具有的行为：
- 初始化网络；
- 关闭网络；
- 发送数据；
- 开始接收数据。
具体子类根据协议和角色实现这些函数。
这种设计利用了多态：上层统一保存 INet*，指针实际指向哪个子类对象，就执行哪个子类实现。以后换协议时，上层调用形式不必跟着改变。
网络层和中介者层还可以单独封装成库，在其他需要网络通信的项目中复用。
2. 为什么 UDP 只有一个类，TCP 却分为两个类
- UDP 客户端和服务端的流程基本相同，主要差异是是否绑定本地 IP 和端口；UDP 客户端也可以主动绑定，因此二者可以共用一个
Udp类。 - TCP 客户端要主动
connect服务端；TCP 服务端则要bind、listen、accept。 - 一个 TCP 服务端可以连接多个客户端：除了监听套接字，还要保存每个已连接客户端对应的套接字，管理方式明显不同。
因此这里把 TCP 拆成 TcpClient 和 TcpServer，而 UDP 只设计一个 Udp 类。
3. 不同网络角色的大致流程
| 网络角色 | 主要流程 |
|---|---|
| UDP 客户端 | 加载库、创建套接字、绑定 IP 和端口、发送、接收、关闭套接字、卸载库 |
| UDP 服务端 | 加载库、创建套接字、绑定 IP 和端口、接收、发送、关闭套接字、卸载库 |
| TCP 客户端 | 加载库、创建套接字、连接服务端、发送、接收、关闭套接字、卸载库 |
| TCP 服务端 | 加载库、创建套接字、绑定 IP 和端口、监听、接受连接、接收、发送、关闭套接字、卸载库 |
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