C++ TCPでのデータの受け渡しについて

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2024年9月16日

C++でネットワークプログラミングを行う際、TCP（Transmission Control Protocol）は信頼性の高いデータ通信を実現するための重要なプロトコルです。本記事では、C++を使用してTCP通信を実装し、データの送受信を行う方法について、初心者にもわかりやすく解説します。ソケットプログラミングの基礎から、実際のクライアント・サーバーモデルの実装まで、段階的に学んでいきましょう。

TCP通信の基本

TCP通信は、コネクション型のプロトコルで、データの送受信を行う前に接続を確立し、通信終了後に接続を切断します。この特性により、データの順序保証や再送制御が行われ、信頼性の高い通信が可能となります。

C++でTCP通信を実装するには、主に以下の手順を踏みます：

ソケットの作成
サーバー側：バインドとリッスン
クライアント側：サーバーへの接続
データの送受信
接続の終了

それでは、具体的なコード例を見ながら、これらの手順を詳しく見ていきましょう。

サーバー側の実装

まず、基本的なTCPサーバーの実装例を示します：

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define PORT 8080

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[1024] = {0};
    const char* hello = "Hello from server";

    // ソケットの作成
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // ソケットオプションの設定
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);

    // バインド
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // リッスン
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // クライアントからの接続を受け入れ
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
        perror("accept");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // クライアントからデータを受信
    int valread = read(new_socket, buffer, 1024);
    std::cout << "クライアントからのメッセージ: " << buffer << std::endl;

    // クライアントにデータを送信
    send(new_socket, hello, strlen(hello), 0);
    std::cout << "Hello メッセージを送信しました" << std::endl;

    // ソケットをクローズ
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

この例では、サーバーはポート8080でクライアントからの接続を待ち受け、接続が確立されるとクライアントからのメッセージを受信し、応答を返します。

クライアント側の実装

次に、対応するクライアントの実装例を示します：

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define PORT 8080

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    const char* hello = "Hello from client";
    char buffer[1024] = {0};

    // ソケットの作成
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        std::cerr << "Socket creation error" << std::endl;
        return -1;
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);

    // サーバーのIPアドレスを設定（ここではローカルホスト）
    if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        std::cerr << "Invalid address/ Address not supported" << std::endl;
        return -1;
    }

    // サーバーに接続
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        std::cerr << "Connection Failed" << std::endl;
        return -1;
    }

    // サーバーにデータを送信
    send(sock, hello, strlen(hello), 0);
    std::cout << "Hello メッセージを送信しました" << std::endl;

    // サーバーからデータを受信
    int valread = read(sock, buffer, 1024);
    std::cout << "サーバーからのメッセージ: " << buffer << std::endl;

    // ソケットをクローズ
    close(sock);
    return 0;
}

このクライアントは、ローカルホスト上のポート8080で動作しているサーバーに接続し、メッセージを送信した後、サーバーからの応答を受信します。

データの送受信

TCP通信でのデータの送受信は、主にsend()とrecv()（またはread()）関数を使用して行います。

大量のデータの送受信

実際のアプリケーションでは、しばしば大量のデータを送受信する必要があります。その場合、以下のような方法を使用できます：

ループを使用して分割送信
データサイズのヘッダーを付加

以下は、大きなデータを送信する例です：

void sendLargeData(int sock, const char* data, size_t length) {
    size_t total_sent = 0;
    while (total_sent < length) {
        int sent = send(sock, data + total_sent, length - total_sent, 0);
        if (sent == -1) {
            perror("send failed");
            break;
        }
        total_sent += sent;
    }
}

受信側では、以下のようにデータを受け取ります：

void receiveLargeData(int sock, char* buffer, size_t buffer_size) {
    size_t total_received = 0;
    while (total_received < buffer_size) {
        int received = recv(sock, buffer + total_received, buffer_size - total_received, 0);
        if (received == -1) {
            perror("recv failed");
            break;
        }
        if (received == 0) {
            std::cout << "Connection closed by peer" << std::endl;
            break;
        }
        total_received += received;
    }
}

構造体の送受信

複雑なデータ構造を送受信する場合、構造体を使用すると便利です。ただし、構造体をそのまま送信すると、パディングやエンディアンの問題が発生する可能性があるため、シリアライズ処理が必要です。

以下は、簡単な構造体の送受信例です：

struct Message {
    int id;
    char content[256];
};

void sendMessage(int sock, const Message& msg) {
    // ネットワークバイトオーダーに変換
    int net_id = htonl(msg.id);
    send(sock, &net_id, sizeof(net_id), 0);
    send(sock, msg.content, sizeof(msg.content), 0);
}

void receiveMessage(int sock, Message& msg) {
    int net_id;
    recv(sock, &net_id, sizeof(net_id), 0);
    // ホストバイトオーダーに変換
    msg.id = ntohl(net_id);
    recv(sock, msg.content, sizeof(msg.content), 0);
}