Socket編程的幾種模式

其基本原理是：首先建立壹個socket連接，然後對其進行操作，比如，從該socket讀數據。因為網絡傳輸是要壹定的時間的，即使網絡通暢的情況下，接受數據的操作也要花費時間。對於壹個簡單的單線程程序，接收數據的過程是無法處理其他操作的。比如壹個窗口程序，當妳接收數據時，點擊按鈕或關閉窗口操作都不會有效。它的缺點顯而易見，壹個線程妳只能處理壹個 socket，用來教課還行，實際使用效果就不行了。select模型為了處理多個socket連接，聰明的人們發明了select模型。該模型以集合來管理socket連接，每次去查詢集合中的socket狀態，從而達到處理多連接的能力，其函數原型是int select(int nfds, fd_set FAR * readfds, fd_set FAR * writefds, fd_set FAR * exceptfds, const struct timeval FAR * timeout)。比如我們判斷某個socket是否有數據可讀，我們首先將壹個fdread集合置空，然後將socket加入到該集合，調用 select(0,&fdread,NULL,NULL,NULL)，之後我們判斷socket是否還在fdread中，如果還在，則說明有數據可讀。數據的讀取和阻塞模型相同，調用recv函數。但是每個集合容量都有壹個限值，默認情況下是64個，當然妳可以重新定義它的大小，但還是有壹個最上限，自己設置也不能超過該值，壹般情況下是1024。盡管select模型可以處理多連接，但集合的管理多少讓人感到繁瑣。異步選擇模型熟悉windows操作系統的都知道，其窗口處理是基於消息的。人們又發明了壹種新的網絡模型——WSAAsyncSelect模型，即異步選擇模型。該模型為每個socket綁定壹個消息，當socket上出現事先設置的socket事件時，操作系統就會給應用程序發送這個消息，從而對該 socket事件進行處理，其函數原型是int WSAAsynSelect(SOCKET s, HWND hWnd, unsigned int wMsg, long lEvent)。hWnd指明接收消息的句柄，wMsg指定消息ID，lEvent按位設置感興趣的網絡事件，入 WSAAsyncSelect(s,hwnd,WM_SOCKET, FD_CONNECT | FD_READ | FD_CLOSE)。該模型的優點是在系統開銷不大的情況下同時處理許多連接，也不需要什麽集合管理。缺點很明顯，即使妳的程序不需要窗口，也要專門為 WSAAsyncSelect模型定義壹個窗口。另外，讓單個窗口去處理成千上萬的socket操作事件，很可能成為性能瓶頸。事件選擇模型與WSAAsynSelect模型類似，人們還發明了WSAEventSelect模型，即事件選擇模型。看名字就可以猜測出來，它是基於事件的。WSAAsynSelect模型在出現感興趣的socket事件時，系統會發壹個相應的消息。而WSAEventSelect模型在出現感興趣的socket事件時，系統會將相應WSAEVENT事件設為傳信。可能妳現在對sokect事件和普通WSAEVENT事件還不是很清楚。 socket事件是與socket操作相關的壹些事件，如FD_READ,FD_WRITE,FD_ACCEPT等。而WSAEVENT事件是傳統的事件，該事件有兩種狀態，傳信（signaled)和未傳信(non-signaled）。所謂傳信，就是事件發生了，未傳信就是還沒有發生。我們每次建立壹個連接，都為其綁定壹個事件，等到該連接變化時，事件就會變為傳信狀態。那麽，誰去接受這個事件變化呢？我們通過壹個 WSAWaitForMultipleEvents（...）函數來等待事件發生，傳入參數中的事件數組中，只有有壹個事件發生，該函數就會返回（也可以設置為所有事件發生才返回，在這裏沒用），返回值為事件的數組序號，這樣我們就知道了哪個事件發生了，也就是該事件對應的socket有了socket操作事件。該模型比起WSAAsynSelect模型的優勢很明顯，不需要窗口。唯壹缺點是，該模型每次只能等待64個事件，這壹限制使得在處理多 socket時，有必要組織壹個線程池，伸縮性不如後面要講的重疊模型。重疊I/O（Overlapped I/O）模型重疊I/O（Overlapped I/O）模型使應用程序達到更佳的系統性能。重疊模型的基本設計原理是讓應用程序使用重疊數據結構，壹次投遞壹個或多個Winsock I/O請求。重疊模型到底是什麽東西呢？可以與WSAEventSelect模型做類比（其實不恰當，後面再說），事件選擇模型為每個socket連接綁定了壹個事件，而重疊模型為每個socket連接綁定了壹個重疊。當連接上發生socket事件時，對應的重疊就會被更新。其實重疊的高明之處在於，它在更新重疊的同時，還把網絡數據傳到了實現指定的緩存區中。我們知道，前面的網絡模型都要用戶自己通過recv函數來接受數據，這樣就降低了效率。我們打個比方，WSAEventSelect模型就像郵局的包裹通知，用戶收到通知後要自己去郵局取包裹。而重疊模型就像送貨上門，郵遞員發給妳通知時，也把包裹放到了妳事先指定的倉庫中。重疊模型又分為事件通知和完成例程兩種模式。在分析這兩種模式之前，我們還是來看看重疊數據結構：typedef struct WSAOVERLAPPED{DWORD Internal;DWORD InternalHigh;DWORD Offset;DWORD OffsetHigh;WSAEVENT hEvent;}WSAOVERLAPPED, FAR * LPWSAOVERLAPPED;該數據結構中，Internal、InternalHigh、Offset、OffsetHigh都是系統使用的，用戶不用去管，唯壹關註的就是 hEvent。如果使用事件通知模式，那麽hEvent就指向相應的事件句柄。如果是完成例程模式，hEvent設為NULL。我們現在來看事件通知模式，首先創建壹個事件hEvent，並創建壹個重疊結構AcceptOverlapped，並設置AcceptOverlapped.hEvent = hEvent，DataBuf是我們事先設置的數據緩存區。調用 WSARecv(AcceptSocket,&DataBuf,1,&RecvBytes,&Flags,&AcceptOverlapped,NULL)，則將AcceptSocket與AcceptOverlapped重疊綁定在了壹起。當接收到數據以後，hEvent就會設為傳信，而數據就會放到 DataBuf中。我們再通過WSAWaitForMultipleEvents（...）接收到該事件通知。這裏我們要註意，既然是基於事件通知的，那它就有壹個事件處理上限，壹般為64。完成例程和事件通知模式的區別在於，當相應的socket事件出現時，系統會調用用戶事先指定的回調函數，而不是設置事件。其實就是將WSARecv的最後壹個參數設為函數指針。該回調函數的原型如下：void CALLBACK CompletionROUTINE(DWORD dwError,DWORD cbTransferred,LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,DWORD dwFlags);其中，cbTransferred表示傳輸的字節數，lpOverlapped是發生socket事件的重疊指針。我們調用 WSARecv(AcceptSocket,&DataBuf,1,&RecvBytes,&Flags,&AcceptOverlapped,WorkerRoutine) 將AcceptSocket與WorkRoutine例程綁定。這裏有壹點小提示，當我們創建多個socket的連接時，最好把重疊與相應的數據緩存區用壹個大的數據結構放到壹塊，這樣，我們在例程中通過lpOverlapped指針就可以直接找到相應的數據緩存區。這裏要註意，不能將多個重疊使用同壹個數據緩存區，這樣在多個重疊都在處理時，就會出現數據混亂。完成端口模型下面我們來介紹專門用於處理為數眾多socket連接的網絡模型——完成端口。因為需要做出大量的工作以便將socket添加到壹個完成端口，而其他方法的初始化步驟則省事多了，所以對新手來說，完成端口模型好像過於復雜了。然而，壹旦弄明白是怎麽回事，就會發現步驟其實並非那麽復雜。所謂完成端口，實際是Windows采用的壹種I/O構造機制，除套接字句柄之外，還可以接受其他東西。使用這種模式之前，首先要創建壹個I/O完成端口對象，該函數定義如下：HANDLE CreateIoCompletionPort(HANDLE FileHandle,HANDLE ExistingCompletionPort,DWORD CompletionKey,DWORD NumberOfConcurrentThreads);該函數用於兩個截然不同的目的：1）用於創建壹個完成端口對象。2）將壹個句柄同完成端口關聯到壹起。通過參數NumberOfConcurrentThreads，我們可以指定同時運行的線程數。理想狀態下，我們希望每個處理器各自負責壹個線程的運行，為完成端口提供服務，避免過於頻繁的線程任務切換。對於壹個socket連接，我們通過 CreateIoCompletionPort((HANDLE)Accept,CompletionPort, (DWORD)PerHandleData,0)將Accept連接與CompletionPort完成端口綁定到壹起，CompetionPort對應的那些線程不斷通過GetQueuedCompletionStatus來查詢與其關聯的socket連接是否有I/O操作完成，如果有，則做相應的數據處理，然後通過WSARecv將該socket連接再次投遞，繼續工作。完成端口在性能和伸縮性方面表現都很好，相關聯的socket連接數目沒有限制。