網(wǎng)絡(luò)通信編程技術(shù)3

1、第3 章 Windows 套接字I/O 模型 1阻塞（blocking）模型選擇（select）模型WSAAsyncSelect 模型WSAEventSelect 模型重疊（overlapped ）模型完成端口（completion port ）模型23.1.1 阻塞模式套接字創(chuàng)建時(shí)，默認(rèn)工作在阻塞模式下。例如，對(duì)recv 函數(shù)的調(diào)用會(huì)使程序進(jìn)入等待狀態(tài)，直到接收到數(shù)據(jù)才返回。第2 章的示例程序都是這種情況。大多數(shù)Winsock 程序設(shè)計(jì)者都是從阻塞套接字模式開始學(xué)習(xí)的，因?yàn)檫@是最容易和最直接的方式。處理阻塞模式套接字的應(yīng)用程序使用的程序框架便是阻塞模型。此模型是非常容易理解的。阻塞套接字的好

2、處是使用簡(jiǎn)單，但是當(dāng)需要處理多個(gè)套接字連接時(shí)，就必須創(chuàng)建多個(gè)線程，即典型的一個(gè)連接使用一個(gè)線程的問(wèn)題，這給編程帶來(lái)了許多不便。所以實(shí)際開發(fā)中使用最多的還是下面要講述的非阻塞模式。33.1.2 非阻塞模式非阻塞套接字使用起來(lái)比較復(fù)雜，但是卻有許多優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用程序可以調(diào)用ioctlsocket 函數(shù)顯式地讓套接字工作在非阻塞模式下，如下代碼所示。u_long ul = 1; SOCKET s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); ioctlsocket(s, FIONBIO, (u_long *)&ul); 一旦套接字被置于非阻塞模式，處理發(fā)送和接收數(shù)據(jù)或者管理連接的

3、Winsock 調(diào)用將會(huì)立即返回。大多少情況下，調(diào)用失敗的出錯(cuò)代碼是WSAEWOULDBLOCK ，這意味著請(qǐng)求的操作在調(diào)用期間沒(méi)有完成。例如，如果系統(tǒng)輸入緩沖區(qū)中沒(méi)有待處理的數(shù)據(jù)，那么對(duì)recv 的調(diào)用將返回WSAEWOULDBLOCK 。通常，要對(duì)相同函數(shù)調(diào)用多次，直到它返回成功為止。非阻塞調(diào)用經(jīng)常以WSAEWOULDBLOCK 出錯(cuò)代碼失敗，所以將套接字設(shè)置為非阻塞之后，關(guān)鍵的問(wèn)題在于如何確定套接字什么時(shí)候可讀/可寫，也就是說(shuō)確定網(wǎng)絡(luò)事件何時(shí)發(fā)生。如果需要自己不斷調(diào)用函數(shù)去測(cè)試的話，程序的性能勢(shì)必會(huì)受到影響，解決的辦法就是使用Windows 提供的不同的I/O 模型， 43.2 選擇（s

4、elect ）模型select 模型是一個(gè)廣泛在Winsock 中使用的I/O 模型。稱它為select 模型，是因?yàn)樗饕鞘褂胹elect 函數(shù)來(lái)管理I/O 的。這個(gè)模式的設(shè)計(jì)源于UNIX 系統(tǒng)，目的是允許那些想要避免在套接字調(diào)用上阻塞的應(yīng)用程序有能力管理多個(gè)套接字。53.2.1 select 函數(shù)select 函數(shù)可以確定一個(gè)或者多個(gè)套接字的狀態(tài)。如果套接字上沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生，便進(jìn)入等待狀態(tài)，以便執(zhí)行同步I/O。函數(shù)定義如下。int select( int nfds, / 忽略，僅是為了與Berkeley 套接字兼容fd_set* readfds, / 指向一個(gè)套接字集合，用來(lái)檢查其可讀

5、性 fd_set* writefds, / 指向一個(gè)套接字集合，用來(lái)檢查其可寫性 fd_set* exceptfds, / 指向一個(gè)套接字集合，用來(lái)檢查錯(cuò)誤const struct timeval* timeout / 指定此函數(shù)等待的最長(zhǎng)時(shí)間，如果為NULL，則最長(zhǎng)時(shí)間為無(wú)限大); 函數(shù)調(diào)用成功，返回發(fā)生網(wǎng)絡(luò)事件的所有套接字?jǐn)?shù)量的總和。如果超過(guò)了時(shí)間限制，返回0，失敗則返回SOCKET_ERROR。1套接字集合fd_set 結(jié)構(gòu)可以把多個(gè)套接字連在一起，形成一個(gè)套接字集合。select 函數(shù)可以測(cè)試這個(gè)集合中哪些套接字有事件發(fā)生。下面是這個(gè)結(jié)構(gòu)在WINSOCK2.h 中的定義。63.2.1

6、select 函數(shù)1套接字集合fd_set 結(jié)構(gòu)可以把多個(gè)套接字連在一起，形成一個(gè)套接字集合。select 函數(shù)可以測(cè)試這個(gè)集合中哪些套接字有事件發(fā)生。下面是這個(gè)結(jié)構(gòu)在WINSOCK2.h 中的定義。typedef struct fd_set u_int fd_count; / 下面數(shù)組的大小 SOCKET fd_arrayFD_SETSIZE; / 套接字句柄數(shù)組 fd_set; 下面是WINSOCK 定義的4 個(gè)操作fd_set 套接字集合的宏。73.2.1 select 函數(shù)FD_ZERO(*set) 初始化set 為空集合。集合在使用前應(yīng)該總是清空z FD_CLR(s, *set) 從

7、set 移除套接字s z FD_ISSET(s, *set) 檢查s 是不是set 的成員，如果是返回TRUE z FD_SET(s, *set) 添加套接字到集合83.2.1 select 函數(shù)網(wǎng)絡(luò)事件傳遞給select 函數(shù)的3 個(gè)fd_set 結(jié)構(gòu)中，一個(gè)是為了檢查可讀性（readfds），一個(gè)是為了檢查可寫性（writefds），另一個(gè)是為了檢查錯(cuò)誤（exceptfds）。 select 函數(shù)返回之后，如果有下列事件發(fā)生，其對(duì)應(yīng)的套接字就會(huì)被標(biāo)識(shí)。 93.2.1 select 函數(shù)下面的例子示例了select 函數(shù)的用法。程序運(yùn)行之后，在4567 端口監(jiān)聽，接受客戶端連接請(qǐng)求，打印出接

8、收到的數(shù)據(jù)。大家可以看到采用select 模型之后，即便是在單個(gè)線程中，也可以管理多個(gè)套接字。具體編程流程如下：（1）初始化套接字集合fdSocket，向這個(gè)集合添加監(jiān)聽套接字句柄。（2）將fdSocket 集合的拷貝fdRead 傳遞給select 函數(shù)，當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，select 函數(shù)移除fdRead 集合中沒(méi)有未決I/O 操作的套接字句柄，然后返回。（3）比較原來(lái)fdSocket 集合與select 處理過(guò)的fdRead 集合，確定哪些套接字有未決I/O， 并進(jìn)一步處理這些I/O。（4）回到第2 步繼續(xù)進(jìn)行選擇處理。 103.2.1 select 函數(shù)實(shí)際例程113.3 WSAAsyn

9、cSelect 模型WSAAsyncSelect 模型允許應(yīng)用程序以Windows 消息的形式接收網(wǎng)絡(luò)事件通知。這個(gè)模型是為了適應(yīng)Windows 的消息驅(qū)動(dòng)環(huán)境而設(shè)置的，現(xiàn)在許多對(duì)性能要求不高的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序都采用WSAAsyncSelect 模型，MFC（Microsoft Foundation Class，Microsoft 基礎(chǔ)類庫(kù)）中的CSocket 類也使用了它。123.3 WSAAsyncSelect 模型3.3.1 消息通知和WSAAsyncSelect 函數(shù)WSAAsyncSelect 函數(shù)自動(dòng)把套接字設(shè)為非阻塞模式，并且為套接字綁定一個(gè)窗口句柄，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時(shí)，便向這個(gè)窗口

10、發(fā)送消息。函數(shù)用法如下。int WSAAsyncSelect( SOCKET s, / 需要設(shè)置的套接字句柄 HWND hWnd, / 指定一個(gè)窗口句柄， / 套接字的通知消息將被發(fā)送到與其對(duì)應(yīng)的窗口過(guò)程中 u_int wMsg, / 網(wǎng)絡(luò)事件到來(lái)時(shí)接收到的消息ID，/ 可以在WM_USER 以上的數(shù)值中任意選擇一個(gè)用做ID。 long lEvent / 指定哪些通知碼需要發(fā)送 ); 133.3 WSAAsyncSelect 模型最后一個(gè)參數(shù)lEvent 指定了要發(fā)送的通知碼，可以是如下取值的組合：z FD_READ 套接字接收到對(duì)方發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包，表明這時(shí)可以去讀套接字了z FD_WRIT

11、E 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿后再次變空時(shí)，WinSock 接口通過(guò)該通知碼通知應(yīng)用程序。表示可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)了（短時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)多，便會(huì)造成數(shù)據(jù)緩沖區(qū)變滿）z FD_ACCEPT 監(jiān)聽中的套接字檢測(cè)到有連接進(jìn)入z FD_CONNECT 如果用套接字去連接對(duì)方的主機(jī)，當(dāng)連接動(dòng)作完成以后會(huì)接收到這個(gè)通知碼z FD_CLOSE 檢測(cè)到套接字對(duì)應(yīng)的連接被關(guān)閉例如，在監(jiān)聽套接字上可以這樣調(diào)用WSAAsyncSelect 函數(shù)：:WSAAsyncSelect(sListen, hWnd, WM_SOCKET, FD_ACCEPT|FD_CLOSE); / WM_SOCKET 為自定義消息上述代碼將套接字sListe

12、n 設(shè)為窗口通知消息類型。WM_SOCKET 為自定義網(wǎng)絡(luò)通知消息，F(xiàn)D_CLOSE|FD_ACCEPT 指定了sListen 套接字只接收FD_CLOSE 和FD_ACCEPT 通知消息。當(dāng)有客戶連接或套接字關(guān)閉時(shí)，Winsock 接口將向指定的窗口發(fā)送WM_SOCKET 消息。143.3 WSAAsyncSelect 模型最后一個(gè)參數(shù)lEvent 指定了要發(fā)送的通知碼，可以是如下取值的組合：z FD_READ 套接字接收到對(duì)方發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包，表明這時(shí)可以去讀套接字了z FD_WRITE 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿后再次變空時(shí)，WinSock 接口通過(guò)該通知碼通知應(yīng)用程序。表示可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)了（短時(shí)間

13、內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)多，便會(huì)造成數(shù)據(jù)緩沖區(qū)變滿）z FD_ACCEPT 監(jiān)聽中的套接字檢測(cè)到有連接進(jìn)入z FD_CONNECT 如果用套接字去連接對(duì)方的主機(jī)，當(dāng)連接動(dòng)作完成以后會(huì)接收到這個(gè)通知碼z FD_CLOSE 檢測(cè)到套接字對(duì)應(yīng)的連接被關(guān)閉例如，在監(jiān)聽套接字上可以這樣調(diào)用WSAAsyncSelect 函數(shù)：:WSAAsyncSelect(sListen, hWnd, WM_SOCKET, FD_ACCEPT|FD_CLOSE); / WM_SOCKET 為自定義消息上述代碼將套接字sListen 設(shè)為窗口通知消息類型。WM_SOCKET 為自定義網(wǎng)絡(luò)通知消息，F(xiàn)D_CLOSE|FD_ACCEPT

14、指定了sListen 套接字只接收FD_CLOSE 和FD_ACCEPT 通知消息。當(dāng)有客戶連接或套接字關(guān)閉時(shí)，Winsock 接口將向指定的窗口發(fā)送WM_SOCKET 消息。153.3 WSAAsyncSelect 模型成功調(diào)用WSAAsyncSelect 之后，應(yīng)用程序便開始以Windows 消息的形式在窗口函數(shù)接收網(wǎng)絡(luò)事件通知。下面是窗口函數(shù)的定義。LRESULT CALLBACK WindowProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam); wParam 參數(shù)指定了發(fā)生網(wǎng)絡(luò)事件的套接字句柄，lParam 參數(shù)的低字位指定

15、了發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)事件，高字位包含了任何可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤代碼，可以使用宏WSAGETSELECTERROR 和WSAGETSELECTEVENT 將這些信息取出，這兩個(gè)宏定義在Winsock2.h 文件中。#define WSAGETSELECTERROR(lParam) HIWORD(lParam) / 高字為出錯(cuò)代碼#define WSAGETSELECTEVENT(lParam) LOWORD(lParam) / 低字為通知碼如果沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，出錯(cuò)代碼為0，程序可以繼續(xù)檢查通知碼，以確定發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)事件。163.3 WSAAsyncSelect 模型3.3.2 應(yīng)用舉例。173.4 WSAEven

16、tSelect 模型Winsock 提供了另一種有用的異步事件通知I/O 模型WSAEventSelect 模型。這個(gè)模型與WSAAsyncSelect 模型類似，允許應(yīng)用程序在一個(gè)或者多個(gè)套接字上接收基于事件的網(wǎng)絡(luò)通知。它與WSAAsyncSelect 模型類似是因?yàn)樗步邮誇D_XXX 類型的網(wǎng)絡(luò)事件，不過(guò)并不是依靠Windows 的消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制，而是經(jīng)由事件對(duì)象句柄通知。183.4.1 WSAEventSelect 函數(shù)使用這個(gè)模型的基本思路是為感興趣的一組網(wǎng)絡(luò)事件創(chuàng)建一個(gè)事件對(duì)象，再調(diào)用WSAEventSelect 函數(shù)將網(wǎng)絡(luò)事件和事件對(duì)象關(guān)聯(lián)起來(lái)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時(shí)，Winsock 使

17、相應(yīng)的事件對(duì)象受信，在事件對(duì)象上的等待函數(shù)就會(huì)返回。之后，調(diào)用WSAEnumNetworkEvents 函數(shù)便可獲取到底發(fā)生了什么網(wǎng)絡(luò)事件。Winsock 中創(chuàng)建事件對(duì)象的函數(shù)是WSACreateEvent ，定義如下：WSAEVENT WSACreateEvent(void); / 返回一個(gè)手工重置的事件對(duì)象句柄創(chuàng)建事件對(duì)象之后，必須調(diào)用WSAEventSelect 函數(shù)將指定的一組網(wǎng)絡(luò)事件與它關(guān)聯(lián)在一起，函數(shù)用法如下。int WSAEventSelect( SOCKET s, / 套接字句柄 WSAEVENT hEventObject, / 事件對(duì)象句柄 long lNetworkEven

18、ts / 感興趣的FD_XXX 網(wǎng)絡(luò)事件的組合); 網(wǎng)絡(luò)事件與事件對(duì)象關(guān)聯(lián)之后，應(yīng)用程序便可以在事件對(duì)象上等待了。Winsock 提供了WSAWaitForMultipleEvents 函數(shù)在一個(gè)或多個(gè)事件對(duì)象上等待，當(dāng)所等待的事件對(duì)象受信，或者指定的時(shí)間過(guò)去時(shí)，此函數(shù)返回。WSAWaitForMultipleEvents 函數(shù)用法如下。DWORD WSAWaitForMultipleEvents( DWORD cEvents, / 指定下面lphEvents 所指的數(shù)組中事件對(duì)象句柄的個(gè)數(shù) const WSAEVENT* lphEvents, / 指向一個(gè)事件對(duì)象句柄數(shù)組BOOL fWait

19、All, / 指定是否等待所有事件對(duì)象都變成受信狀態(tài)193.4.1 WSAEventSelect 函數(shù)DWORD dwTimeout, / 指定要等待的時(shí)間，WSA_INFINITE 為無(wú)窮大BOOL fAlertable / 在使用WSAEventSelect 模型時(shí)可以忽略，應(yīng)設(shè)為FALSE ); WSAWaitForMultipleEvents 最多支持WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS 個(gè)對(duì)象，WSA_MAXIMUM_WAIT_EVENTS 被定義為64。因此，這個(gè)I/O 模型在一個(gè)線程中同一時(shí)間最多能支持64 個(gè)套接字，如果需要使用這個(gè)模型管理更多套接字，就需要?jiǎng)?chuàng)建額外的

20、工作線程了。WSAWaitForMultipleEvents 函數(shù)會(huì)等待網(wǎng)絡(luò)事件的發(fā)生。如果過(guò)了指定的時(shí)間，函數(shù)返回WSA_WAIT_TIMEOUT ；如果在指定時(shí)間內(nèi)有網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生，函數(shù)的返回值會(huì)指明是哪一個(gè)事件對(duì)象促使函數(shù)返回的；函數(shù)調(diào)用失敗時(shí)返回值是WSA_WAIT_FAILED 。也可以將dwTimeout 的值設(shè)為0，這時(shí)函數(shù)測(cè)試指定事件對(duì)象的狀態(tài)，并立即返回，通過(guò)函數(shù)的返回值便可知道事件對(duì)象是否受信。注意，將fWaitAll 參數(shù)設(shè)為FALSE 以后，如果同時(shí)有幾個(gè)事件對(duì)象受信，WSAWaitForMultipleEvents 函數(shù)的返回值也僅能指明一個(gè)，就是句柄數(shù)組中最前面的那個(gè)

21、。如果指明的這個(gè)事件對(duì)象總有網(wǎng)絡(luò)時(shí)間發(fā)生，那么后面其他事件對(duì)象所關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)事件就得不到處理了。解決辦法是，WSAWaitForMultipleEvents 函數(shù)返回后，對(duì)每個(gè)事件都再次調(diào)用WSAWaitForMultipleEvents 函數(shù)，以便確定其狀態(tài)。具體過(guò)程請(qǐng)參考后面的實(shí)例代碼。 203.4.1 WSAEventSelect 函數(shù)一旦事件對(duì)象受信，那么找到與之對(duì)應(yīng)的套接字，然后調(diào)用WSAEnumNetworkEvents 函數(shù)即可查看發(fā)生了什么網(wǎng)絡(luò)事件，函數(shù)用法如下。int WSAEnumNetworkEvents( SOCKET s, / 套接字句柄 WSAEVENT hEvent

22、Object, / 對(duì)應(yīng)的事件對(duì)象句柄。如果提供了此參數(shù)，本函數(shù)會(huì)重置這個(gè)事件對(duì)象的狀態(tài) LPWSANETWORKEVENTS lpNetworkEvents / 指向一個(gè)WSANETWORKEVENTS 結(jié)構(gòu)); 最后一個(gè)參數(shù)用來(lái)取得在套接字上發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)事件和相關(guān)的出錯(cuò)代碼，其結(jié)構(gòu)定義如下。typedef struct _WSANETWORKEVENTS long lNetworkEvents; / 指定已發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)事件（如FD_ACCEPT 、FD_READ 等） int iErrorCodeFD_MAX_EVENTS; / 與lNetworkEvents 相關(guān)的出錯(cuò)代碼 WSANETWO

23、RKEVENTS, *LPWSANETWORKEVENTS; iErrorCode 參數(shù)是一個(gè)數(shù)組，數(shù)組的每個(gè)成員對(duì)應(yīng)著一個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件的出錯(cuò)代碼。可以用預(yù)定義標(biāo)識(shí)FD_READ_BIT 、FD_WRITE_BIT 等來(lái)索引FD_READ、FD_WRITE 等事件發(fā)生時(shí)的出錯(cuò)代碼。如下面代碼片段所示。if(event.lNetworkEvents & FD_READ) / 處理FD_READ 通知消息213.4.2 應(yīng)用舉例下面使用WSAEventSelect 模型重寫上節(jié)的TCP 服務(wù)器例子。使用WSAEventSelect 模型編程的基本步驟如下。（1）創(chuàng)建一個(gè)事件句柄表和一個(gè)對(duì)應(yīng)的套接字句柄

24、表。（2）每創(chuàng)建一個(gè)套接字，就創(chuàng)建一個(gè)事件對(duì)象，把它們的句柄分別放入上面的兩個(gè)表中，并調(diào)用WSAEventSelect 添加它們的關(guān)聯(lián)。（3）調(diào)用WSAWaitForMultipleEvents 在所有事件對(duì)象上等待，此函數(shù)返回后，我們對(duì)事件句柄表中的每個(gè)事件調(diào)用WSAWaitForMultipleEvents 函數(shù)，以便確認(rèn)在哪些套接字上發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)事件。（4）處理發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)事件，繼續(xù)在事件對(duì)象上等待。下面是程序代碼。223.4.3 基于WSAEventSelect 模型的服務(wù)器設(shè)計(jì)這個(gè)例子的功能和上一小節(jié)的一樣，不同的是它使用了線程池，可以處理大量的客戶I/O 請(qǐng)求。這個(gè)例子稍微復(fù)雜，但卻是

25、后面設(shè)計(jì)功能更強(qiáng)大的服務(wù)器程序的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的總體思路比較簡(jiǎn)單，程序的主線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽客戶端的連接請(qǐng)求，接受到新連接之后，將新套接字安排給工作線程處理I/O。每個(gè)工作線程最多處理64 個(gè)套接字，如果再有新的套接字，就再創(chuàng)建新的工作線程。下面先討論兩個(gè)重要的結(jié)構(gòu)，然后再講述具體的實(shí)現(xiàn)代碼。1套接字對(duì)象程序用下面的SOCKET_OBJ 結(jié)構(gòu)來(lái)記錄每個(gè)客戶端套接字的信息。typedef struct _SOCKET_OBJ 233.4.3 基于WSAEventSelect 模型的服務(wù)器設(shè)計(jì) SOCKET s; / 套接字句柄HANDLE event; / 與此套接字相關(guān)聯(lián)的事件對(duì)象句柄sockaddr_

26、in addrRemote; / 客戶端地址信息_SOCKET_OBJ *pNext; / 指向下一個(gè)SOCKET_OBJ 對(duì)象，以連成一個(gè)表 SOCKET_OBJ, *PSOCKET_OBJ; 服務(wù)器程序每接受到一個(gè)新的連接，便為新連接申請(qǐng)一個(gè)SOCKET_OBJ 結(jié)構(gòu)，初始化該結(jié)構(gòu)的成員。當(dāng)連接關(guān)閉或者出錯(cuò)時(shí)，再釋放內(nèi)存空間。下面的GetSocketObj 和FreeSocketObj 函數(shù)分別用于申請(qǐng)和釋放一個(gè)SOCKET_OBJ 對(duì)象。PSOCKET_OBJ GetSocketObj(SOCKET s) / 申請(qǐng)一個(gè)套接字對(duì)象，初始化它的成員 PSOCKET_OBJ pSocket = (PSOCKET_OBJ):GlobalAlloc(GPTR, sizeof(SOCKET_OBJ); if(pSocket != NULL) pSocket-s = s; pSocket-event = :WSACreateEvent(); return pSocket; void FreeSocketObj(PSOCKET_OBJ pSocket) / 釋放一個(gè)套接字對(duì)象 :CloseHandle(pSocket-event); if(pSocke