Socket模型c++版本详解.doc

Socket模型详解转Winsock的I/O操作：1、两种I/O模式阻塞模式：执行I/O操作完成前会一直进行等待，不会将控制权交给程序。套接字默认为阻塞模式。可以通过多线程技术进行处理。非阻塞模式：执行I/O操作时，Winsock函数会返回并交出控制权。这种模式使用起来比较复杂，因为函数在没有运行完成就进行返回，会不断地返回WSAEWOULDBLOCK错误。但功能强大。为了解决这个问题，提出了进行I/O操作的一些I/O模型,下面介绍最常见的三种：WindowsSocket五种I/O模型代码全攻略如果你想在Windows平台上构建服务器应用，那么I/O模型是你必须考虑的。Windows操作系统提供了选择（Select）、异步选择（WSAAsyncSelect）、事件选择（WSAEventSelect）、重叠I/O（OverlappedI/O）和完成端口（CompletionPort)共五种I/O模型。每一种模型均适用于一种特定的应用场景。程序员应该对自己的应用需求非常明确，而且综合考虑到程序的扩展性和可移植性等因素，作出自己的选择。我会以一个回应反射式服务器（与Windows网络编程第八章一样）来介绍这五种I/O模型。我们假设客户端的代码如下（为代码直观，省去所有错误检查，以下同）：#include#include#defineSERVER_ADDRESS137.117.2.148#definePORT5150#defineMSGSIZE1024#pragmacomment(lib,ws2_32.lib)intmain()WSADATAwsaData;SOCKETsClient;SOCKADDR_INserver;charszMessageMSGSIZE;intret;/InitializeWindowssocketlibraryWSAStartup(0x0202,&wsaData);/CreateclientsocketsClient=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);/Connecttoservermemset(&server,0,sizeof(SOCKADDR_IN);server.sin_family=AF_INET;server.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr(SERVER_ADDRESS);server.sin_port=htons(PORT);connect(sClient,(structsockaddr*)&server,sizeof(SOCKADDR_IN);while(TRUE)printf(Send:);gets(szMessage);/Sendmessagesend(sClient,szMessage,strlen(szMessage),0);/Receivemessageret=recv(sClient,szMessage,MSGSIZE,0);szMessageret=0;printf(Received%dbytes:%sn,ret,szMessage);/Cleanupclosesocket(sClient);WSACleanup();return0;客户端所做的事情相当简单，创建套接字，连接服务器，然后不停的发送和接收数据。比较容易想到的一种服务器模型就是采用一个主线程，负责监听客户端的连接请求，当接收到某个客户端的连接请求后，创建一个专门用于和该客户端通信的套接字和一个辅助线程。以后该客户端和服务器的交互都在这个辅助线程内完成。这种方法比较直观，程序非常简单而且可移植性好，但是不能利用平台相关的特性。例如，如果连接数增多的时候（成千上万的连接），那么线程数成倍增长，操作系统忙于频繁的线程间切换，而且大部分线程在其生命周期内都是处于非活动状态的，这大大浪费了系统的资源。所以，如果你已经知道你的代码只会运行在Windows平台上，建议采用WinsockI/O模型。一.选择模型Select（选择）模型是Winsock中最常见的I/O模型。之所以称其为“Select模型”，是由于它的“中心思想”便是利用select函数，实现对I/O的管理。最初设计该模型时，主要面向的是某些使用UNIX操作系统的计算机，它们采用的是Berkeley套接字方案。Select模型已集成到Winsock1.1中，它使那些想避免在套接字调用过程中被无辜“锁定”的应用程序，采取一种有序的方式，同时进行对多个套接字的管理。由于Winsock1.1向后兼容于Berkeley套接字实施方案，所以假如有一个Berkeley套接字应用使用了select函数，那么从理论角度讲，毋需对其进行任何修改，便可正常运行。（节选自Windows网络编程第八章)下面的这段程序就是利用选择模型实现的Echo服务器的代码（已经不能再精简了）：#include#include#definePORT5150#defineMSGSIZE1024#pragmacomment(lib,ws2_32.lib)intg_iTotalConn=0;SOCKETg_CliSocketArrFD_SETSIZE;DWORDWINAPIWorkerThread(LPVOIDlpParameter);intmain()WSADATAwsaData;SOCKETsListen,sClient;SOCKADDR_INlocal,client;intiaddrSize=sizeof(SOCKADDR_IN);DWORDdwThreadId;/InitializeWindowssocketlibraryWSAStartup(0x0202,&wsaData);/CreatelisteningsocketsListen=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);/Bindlocal.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);local.sin_family=AF_INET;local.sin_port=htons(PORT);bind(sListen,(structsockaddr*)&local,sizeof(SOCKADDR_IN);/Listenlisten(sListen,3);/CreateworkerthreadCreateThread(NULL,0,WorkerThread,NULL,0,&dwThreadId);while(TRUE)/AcceptaconnectionsClient=accept(sListen,(structsockaddr*)&client,&iaddrSize);printf(Acceptedclient:%s:%dn,inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port);/Addsockettog_CliSocketArrg_CliSocketArrg_iTotalConn+=sClient;return0;DWORDWINAPIWorkerThread(LPVOIDlpParam)inti;fd_setfdread;intret;structtimevaltv=1,0;charszMessageMSGSIZE;while(TRUE)FD_ZERO(&fdread);for(i=0;ig_iTotalConn;i+)FD_SET(g_CliSocketArr,&fdread);/Weonlycarereadeventret=select(0,&fdread,NULL,NULL,&tv);if(ret=0)/Timeexpiredcontinue;for(i=0;ig_iTotalConn;i+)if(FD_ISSET(g_CliSocketArr,&fdread)/Areadeventhappenedong_CliSocketArrret=recv(g_CliSocketArr,szMessage,MSGSIZE,0);if(ret=0|(ret=SOCKET_ERROR&WSAGetLastError()=WSAECONNRESET)/Clientsocketclosedprintf(Clientsocket%dclosed.n,g_CliSocketArr);closesocket(g_CliSocketArr);if(ig_iTotalConn-1)g_CliSocketArri-=g_CliSocketArr-g_iTotalConn;else/WereceivedamessagefromclientszMessageret=0;send(g_CliSocketArr,szMessage,strlen(szMessage),0);return0;服务器的几个主要动作如下：1.创建监听套接字，绑定，监听；2.创建工作者线程；3.创建一个套接字数组，用来存放当前所有活动的客户端套接字，每accept一个连接就更新一次数组；4.接受客户端的连接。这里有一点需要注意的，就是我没有重新定义FD_SETSIZE宏，所以服务器最多支持的并发连接数为64。而且，这里决不能无条件的accept,服务器应该根据当前的连接数来决定是否接受来自某个客户端的连接。一种比较好的实现方案就是采用WSAAccept函数，而且让WSAAccept回调自己实现的ConditionFunction。如下所示：intCALLBACKConditionFunc(LPWSABUFlpCallerId,LPWSABUFlpCallerData,LPQOSlpSQOS,LPQOSlpGQOS,LPWSABUFlpCalleeId,LPWSABUFlpCalleeData,GROUPFAR*g,DWORDdwCallbackData)if(当前连接数FD_SETSIZE)returnCF_ACCEPT;elsereturnCF_REJECT;工作者线程里面是一个死循环，一次循环完成的动作是：1.将当前所有的客户端套接字加入到读集fdread中；2.调用select函数；3.查看某个套接字是否仍然处于读集中，如果是，则接收数据。如果接收的数据长度为0，或者发生WSAECONNRESET错误，则表示客户端套接字主动关闭，这时需要将服务器中对应的套接字所绑定的资源释放掉，然后调整我们的套接字数组（将数组中最后一个套接字挪到当前的位置上）除了需要有条件接受客户端的连接外，还需要在连接数为0的情形下做特殊处理，因为如果读集中没有任何套接字，select函数会立刻返回，这将导致工作者线程成为一个毫无停顿的死循环，CPU的占用率马上达到100%。关系到套接字列表的操作都需要使用循环,在轮询的时候,需要遍历一次,再新的一轮开始时,将列表加入队列又需要遍历一次.也就是说,Select在工作一次时,需要至少遍历2次列表,这是它效率较低的原因之一.在大规模的网络连接方面,还是推荐使用IOCP或EPOLL模型.但是Select模型可以使用在诸如对战类游戏上,比如类似星际这种,因为它小巧易于实现,而且对战类游戏的网络连接量并不大.对于Select模型想要突破Windows64个限制的话,可以采取分段轮询,一次轮询64个.例如套接字列表为128个,在第一次轮询时,将前64个放入队列中用Select进行状态查询,待本次操作全部结束后.将后64个再加入轮询队列中进行轮询处理.这样处理需要在非阻塞式下工作.以此类推,Select也能支持无限多个.二.异步选择Winsock提供了一个有用的异步I/O模型。利用这个模型，应用程序可在一个套接字上，接收以Windows消息为基础的网络事件通知。具体的做法是在建好一个套接字后，调用WSAAsyncSelect函数。该模型最早出现于Winsock的1.1版本中，用于帮助应用程序开发者面向一些早期的16位Windows平台（如WindowsforWorkgroups），适应其“落后”的多任务消息环境。应用程序仍可从这种模型中得到好处，特别是它们用一个标准的Windows例程（常称为WndProc），对窗口消息进行管理的时候。该模型亦得到了MicrosoftFoundationClass（微软基本类，MFC）对象CSocket的采纳。（节选自Windows网络编程第八章)我还是先贴出代码，然后做详细解释：#include#include#definePORT5150#defineMSGSIZE1024#defineWM_SOCKETWM_USER+0#pragmacomment(lib,ws2_32.lib)LRESULTCALLBACKWndProc(HWND,UINT,WPARAM,LPARAM);intWINAPIWinMain(HINSTANCEhInstance,HINSTANCEhPrevInstance,PSTRszCmdLine,intiCmdShow)staticTCHARszAppName=_T(AsyncSelectModel);HWNDhwnd;MSGmsg;WNDCLASSwndclass;wndclass.style=CS_HREDRAW|CS_VREDRAW;wndclass.lpfnWndProc=WndProc;wndclass.cbClsExtra=0;wndclass.cbWndExtra=0;wndclass.hInstance=hInstance;wndclass.hIcon=LoadIcon(NULL,IDI_APPLICATION);wndclass.hCursor=LoadCursor(NULL,IDC_ARROW);wndclass.hbrBackground=(HBRUSH)GetStockObject(WHITE_BRUSH);wndclass.lpszMenuName=NULL;wndclass.lpszClassName=szAppName;if(!RegisterClass(&wndclass)MessageBox(NULL,TEXT(ThisprogramrequiresWindowsNT!),szAppName,MB_ICONERROR);return0;hwnd=CreateWindow(szAppName,/windowclassnameTEXT(AsyncSelectModel),/windowcaptionWS_OVERLAPPEDWINDOW,/windowstyleCW_USEDEFAULT,/initialxpositionCW_USEDEFAULT,/initialypositionCW_USEDEFAULT,/initialxsizeCW_USEDEFAULT,/initialysizeNULL,/parentwindowhandleNULL,/windowmenuhandlehInstance,/programinstancehandleNULL);/creationparametersShowWindow(hwnd,iCmdShow);UpdateWindow(hwnd);while(GetMessage(&msg,NULL,0,0)TranslateMessage(&msg);DispatchMessage(&msg);returnmsg.wParam;LRESULTCALLBACKWndProc(HWNDhwnd,UINTmessage,WPARAMwParam,LPARAMlParam)WSADATAwsd;staticSOCKETsListen;SOCKETsClient;SOCKADDR_INlocal,client;intret,iAddrSize=sizeof(client);charszMessageMSGSIZE;switch(message)caseWM_CREATE:/InitializeWindowsSocketlibraryWSAStartup(0x0202,&wsd);/CreatelisteningsocketsListen=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);/Bindlocal.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);local.sin_family=AF_INET;local.sin_port=htons(PORT);bind(sListen,(structsockaddr*)&local,sizeof(local);/Listenlisten(sListen,3);/AssociatelisteningsocketwithFD_ACCEPTeventWSAAsyncSelect(sListen,hwnd,WM_SOCKET,FD_ACCEPT);return0;caseWM_DESTROY:closesocket(sListen);WSACleanup();PostQuitMessage(0);return0;caseWM_SOCKET:if(WSAGETSELECTERROR(lParam)closesocket(wParam);break;switch(WSAGETSELECTEVENT(lParam)caseFD_ACCEPT:/AcceptaconnectionfromclientsClient=accept(wParam,(structsockaddr*)&client,&iAddrSize);/AssociateclientsocketwithFD_READandFD_CLOSEeventWSAAsyncSelect(sClient,hwnd,WM_SOCKET,FD_READ|FD_CLOSE);break;caseFD_READ:ret=recv(wParam,szMessage,MSGSIZE,0);if(ret=0|ret=SOCKET_ERROR&WSAGetLastError()=WSAECONNRESET)closesocket(wParam);elseszMessageret=0;send(wParam,szMessage,strlen(szMessage),0);break;caseFD_CLOSE:closesocket(wParam);break;return0;returnDefWindowProc(hwnd,message,wParam,lParam);在我看来，WSAAsyncSelect是最简单的一种WinsockI/O模型（之所以说它简单是因为一个主线程就搞定了）。使用RawWindowsAPI写过窗口类应用程序的人应该都能看得懂。这里，我们需要做的仅仅是：1.在WM_CREATE消息处理函数中，初始化WindowsSocketlibrary，创建监听套接字，绑定，监听，并且调用WSAAsyncSelect函数表示我们关心在监听套接字上发生的FD_ACCEPT事件；2.自定义一个消息WM_SOCKET，一旦在我们所关心的套接字（监听套接字和客户端套接字）上发生了某个事件，系统就会调用WndProc并且message参数被设置为WM_SOCKET；3.在WM_SOCKET的消息处理函数中，分别对FD_ACCEPT、FD_READ和FD_CLOSE事件进行处理；4.在窗口销毁消息(WM_DESTROY)的处理函数中，我们关闭监听套接字，清除WindowsSocketlibrary下面这张用于WSAAsyncSelect函数的网络事件类型表可以让你对各个网络事件有更清楚的认识：表1FD_READ应用程序想要接收有关是否可读的通知，以便读入数据FD_WRITE应用程序想要接收有关是否可写的通知，以便写入数据FD_OOB应用程序想接收是否有带外（OOB）数据抵达的通知FD_ACCEPT应用程序想接收与进入连接有关的通知FD_CONNECT应用程序想接收与一次连接或者多点join操作完成的通知FD_CLOSE应用程序想接收与套接字关闭有关的通知FD_QOS应用程序想接收套接字“服务质量”（QoS）发生更改的通知FD_GROUP_QOS应用程序想接收套接字组“服务质量”发生更改的通知（现在没什么用处，为未来套接字组的使用保留）FD_ROUTING_INTERFACE_CHANGE应用程序想接收在指定的方向上，与路由接口发生变化的通知FD_ADDRESS_LIST_CHANGE应用程序想接收针对套接字的协议家族，本地地址列表发生变化的通知三.事件选择Winsock提供了另一个有用的异步I/O模型。和WSAAsyncSelect模型类似的是，它也允许应用程序在一个或多个套接字上，接收以事件为基础的网络事件通知。对于表1总结的、由WSAAsyncSelect模型采用的网络事件来说，它们均可原封不动地移植到新模型。在用新模型开发的应用程序中，也能接收和处理所有那些事件。该模型最主要的差别在于网络事件会投递至一个事件对象句柄，而非投递至一个窗口例程。（节选自Windows网络编程第八章)还是让我们先看代码然后进行分析：#include#include#definePORT5150#defineMSGSIZE1024#pragmacomment(lib,ws2_32.lib)intg_iTotalConn=0;SOCKETg_CliSocketArrMAXIMUM_WAIT_OBJECTS;WSAEVENTg_CliEventArrMAXIMUM_WAIT_OBJECTS;DWORDWINAPIWorkerThread(LPVOID);voidCleanup(intindex);intmain()WSADATAwsaData;SOCKETsListen,sClient;SOCKADDR_INlocal,client;DWORDdwThreadId;intiaddrSize=sizeof(SOCKADDR_IN);/InitializeWindowsSocketlibraryWSAStartup(0x0202,&wsaData);/CreatelisteningsocketsListen=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);/Bindlocal.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);local.sin_family=AF_INET;local.sin_port=htons(PORT);bind(sListen,(structsockaddr*)&local,sizeof(SOCKADDR_IN);/Listenlisten(sListen,3);/CreateworkerthreadCreateThread(NULL,0,WorkerThread,NULL,0,&dwThreadId);while(TRUE)/AcceptaconnectionsClient=accept(sListen,(structsockaddr*)&client,&iaddrSize);printf(Acceptedclient:%s:%dn,inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port);/Associatesocketwithnetworkeventg_CliSocketArrg_iTotalConn=sClient;g_CliEventArrg_iTotalConn=WSACreateEvent();WSAEventSelect(g_CliSocketArrg_iTotalConn,g_CliEventArrg_iTotalConn,FD_READ|FD_CLOSE);g_iTotalConn+;DWORDWINAPIWorkerThread(LPVOIDlpParam)intret,index;WSANETWORKEVENTSNetworkEvents;charszMessageMSGSIZE;while(TRUE)ret=WSAWaitForMultipleEvents(g_iTotalConn,g_CliEventArr,FALSE,1000,FALSE);if(ret=WSA_WAIT_FAILED|ret=WSA_WAIT_TIMEOUT)continue;index=ret-WSA_WAIT_EVENT_0;WSAEnumNetworkEvents(g_CliSocketArrindex,g_CliEventArrindex,&NetworkEvents);if(NetworkEvents.lNetworkEvents&FD_READ)/Receivemessagefromclientret=recv(g_CliSocketArrindex,szMessage,MSGSIZE,0);if(ret=0|(ret=SOCKET_ERROR&WSAGetLastError()=WSAECONNRESET)Cleanup(index);elseszMessageret=0;send(g_CliSocketArrindex,szMessage,strlen(szMessage),0);if(NetworkEvents.lNetworkEvents&FD_CLOSE)Cleanup(index);return0;voidCleanup(intindex)closesocket(g_CliSocketArrindex);WSACloseEvent(g_CliEventArrindex);if(indexg_iTotalConn-1)g_CliSocketArrindex=g_CliSocketArrg_iTotalConn-1;g_CliEventArrindex=g_CliEventArrg_iTotalConn-1;g_iTotalConn-;事件选择模型也比较简单，实现起来也不是太复杂，它的基本思想是将每个套接字都和一个WSAEVENT对象对应起来，并且在关联的时候指定需要关注的哪些网络事件。一旦在某个套接字上发生了我们关注的事件（FD_READ和FD_CLOSE），与之相关联的WSAEVENT对象被Signaled。程序定义了两个全局数组，一个套接字数组，一个WSAEVENT对象数组，其大小都是MAXIMUM_WAIT_OBJECTS（64），两个数组中的元素一一对应。同样的，这里的程序没有考虑两个问题，一是不能无条件的调用accept，因为我们支持的并发连接数有限。解决方法是将套接字按MAXIMUM_WAIT_OBJECTS分组，每MAXIMUM_WAIT_OBJECTS个套接字一组，每一组分配一个工作者线程；或者采用WSAAccept代替accept，并回调自己定义的ConditionFunction。第二个问题是没有对连接数为0的情形做特殊处理，程序在连接数为0的时候CPU占用率为100%。四.重叠I/O模型Winsock2的发布使得SocketI/O有了和文件I/O统一的接口。我们可以通过使用Win32文件操纵函数ReadFile和WriteFile来进行SocketI/O。伴随而来的，用于普通文件I/O的重叠I/O模型和完成端口模型对SocketI/O也适用了。这些模型的优点是可以达到更佳的系统性能，但是实现较为复杂，里面涉及较多的C语言技巧。例如我们在完成端口模型中会经常用到所谓的“尾随数据”。1.用事件通知方式实现的重叠I/O模型#include#include#definePORT5150#defineMSGSIZE1024#pragmacomment(lib,ws2_32.lib)typedefstructWSAOVERLAPPEDoverlap;WSABUFBuffer;charszMessageMSGSIZE;DWORDNumberOfBytesRecvd;DWORDFlags;PER_IO_OPERATION_DATA,*LPPER_IO_OPERATION_DATA;intg_iTotalConn=0;SOCKETg_CliSocketArrMAXIMUM_WAIT_OBJECTS;WSAEVENTg_CliEventArrMAXIMUM_WAIT_OBJECTS;LPPER_IO_OPERATION_DATAg_pPerIODataArrMAXIMUM_WAIT_OBJECTS;DWORDWINAPIWorkerThread(LPVOID);voidCleanup(int);intmain()WSADATAwsaData;SOCKETsListen,sClient;SOCKADDR_INlocal,client;DWORDdwThreadId;intiaddrSize=sizeof(SOCKADDR_IN);/InitializeWindowsSocketlibraryWSAStartup(0x0202,&wsaData);/CreatelisteningsocketsListen=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);/Bindlocal.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(INADDR_ANY);local.sin_family=AF_INET;local.sin_port=htons(PORT);bind(sListen,(structsockaddr*)&local,sizeof(SOCKADDR_IN);/Listenlisten(sListen,3);/CreateworkerthreadCreateThread(NULL,0,WorkerThread,NULL,0,&dwThreadId);while(TRUE)/AcceptaconnectionsClient=accept(sListen,(structsockaddr*)&client,&iaddrSize);printf(Acceptedclient:%s:%dn,inet_ntoa(client.sin_addr),ntohs(client.sin_port);g_CliSocketArrg_iTotalConn=sClient;/AllocateaPER_IO_OPERATION_DATAstructureg_pPerIODataArrg_iTotalConn=(LPPER_IO_OPERATION_DATA)HeapAlloc(GetProcessHeap(),HEAP_ZERO_MEMORY,sizeof(PER_IO_OPERATION_DATA);g_pPerIODataArrg_iTotalConn-Buffer.len=MSGSIZE;g_pPerIODataArrg_iTotalConn-Buffer.buf=g_pPerIODataArrg_iTotalConn-szMessage;g_CliEventArrg_iTotalConn=g_pPerIODataArrg_iTotalConn-overlap.hEvent=WSACreateEvent();/LaunchanasynchronousoperationWSARecv(g_CliSocketArrg_iTotalConn,&g_pPerIODataArrg_iTotalConn-Buffer,1,&g_pPerIODataArrg_iTotalConn-NumberOfBytesRecvd,&g_pPerIODataArrg_iTotalConn