Windows Socket IO 模型.docx
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Windows Socket IO 模型.docx
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WindowsSocketIO模型
WindowsSocketIO模型
套接字架构
应用程序使用Winsock与传输协议驱动沟通时AFD.SYS负责缓冲区的管理。
这就意味着当一个程序调用send或者WSASend发送数据时,数据将被复制到AFD.SYS它自己的内部缓冲区中(依赖SO_SNDBUF的设置)WSASend调用立即返回。
然后AFD.SYS在程序后台将数据发送出去。
当然,如果程序想要处理一个比SO_SNDBUF设置的缓冲区需求更大的发送请求,WSASend的调用就会阻塞直到所有的数据都被发送出去。
类似的,从远程客户端接收数据时,只要SO_RCVBUF设置的缓冲区还没有满,AFD.SYS就会将数据复制进它自己的缓冲区直到所有的发送都已完成。
当程序调用recv或者是WSARecv,数据就从AFD.SYS的缓冲区复制到了程序提供的缓冲区中了。
使用Winsock的时候还会间接碰到另外两种资源的限制。
第一个页面锁定的限制。
注意重叠操作可能偶然性地以ERROR_INSUFFICIENT_RESOURCES调用失败,这基本上意味着有太多的发送和接收操作在等待中。
另外一个限制是操作系统的非分页池(non-pagedpool)的限制。
阻塞模型
int recv(
SOCKET s,
char* buf,
int len,
int flags
);
int send(
SOCKET s,
const char* buf,
int len,
int flags
);
这种方式最为大家熟悉,Socket默认的就是阻塞模式。
在recv的时候,Socket会阻塞在那里,直到连接上有数据可读,把数据读到buffer里后recv函数才会返回,不然就会一直阻塞在那里。
如果在主线程中被阻塞,而数据迟迟没有过来,那么程序就会被锁死。
这样的问题可以用多线程解决,但是在有多个套接字连接的情况下,这不是一个好的选择,扩展性很差,而且也容易有锁的问题。
线程过多,也导致上下文切换过于频繁,导致系统变慢,而且大部分线程是处于非活动状态的话,这就大大浪费了系统的资源。
非阻塞模型
int ioctlsocket(
IN SOCKET s,
IN long cmd,
IN OUT u_long FAR * argp
);
#defineFIONBIO /*set/clearnon-blockingi/o*/
调用ioctlsocket函数设置FIONBIO为1就转为非阻塞模式。
当recv和send函数没有准备好数据时,函数不会阻塞,立即返回错误值,用GetLastError返回的错误码为WSAEWOULDBLOCK,中文解释为“无法立即完成一个非阻挡性套接字的操作”。
当然,这里你可以用非阻塞模拟阻塞模式,就是用while循环不停调用recv,直到recv返回成功为止。
这样的效率也不高,但好处在于你能在没接收到数据时,有空进行其他操作,或者直接Sleep。
Select模型
int select(
int nfds,
fd_set* readfds,
fd_set* writefds,
fd_set* exceptfds,
const struct timeval* timeout
);
Select模型是非阻塞的,函数内部自动检测WSAEWOULDBLOCK状态,还能有超时设定。
对read,write,except三种事件进行分别检测,except指带外数据可读取,read和write的定义是广义的,accept,close等消息也纳入到read。
Select函数使用fd_set结构,它的结构非常的简单,只有一个数组和计数器。
Timeval结构里可以设置超时的时间。
Select函数返回值表示集合中有事件触发的sock总数,其余操作使用fd_set的宏来完成。
#ifndefFD_SETSIZE
#defineFD_SETSIZE 64
#endif /*FD_SETSIZE*/
typedef struct fd_set {
u_int fd_count; /*howmanyareSET?
*/
SOCKET fd_array[FD_SETSIZE]; /*anarrayofSOCKETs*/
} fd_set;
FD_CLR(s, *set)
FD_ISSET(s, *set)
FD_SET(s, *set)
FD_ZERO(*set)
Select模型流程如下:
fd_set fdread;
timeval tv = {1, 0};
while
(1) {
//初始化fd_set
FD_ZERO(&fdread);
for (int i = 0; i < nSock; i ++)
FD_SET(socks[i], &fdread);
//等待事件触发,或超时返回
int ret = select(0, &fdread, NULL, NULL, &tv);
for (int i = 0; ret > 0 && i < nSock; i ++)
//检测哪个sock有事件触发
if (FD_ISSET(socks[i], &fdread)) {
read_buf(socks[i]);
ret –;
}
}
其实select的原理就是对sock集合进行扫描,有事件或者超时则退出,所以select的效率也是和sock数量成线性关系,而且需要我们自己循环检查哪个sock有事件发生。
它的优点是模型简单,过程清晰,容易管理,支持多个sock服务。
缺点也很明显,本质还是个循环的改进版本,而且fd_set里最多只能放64个sock,还有它无法很好的支持sock事件的先后顺序。
WSAAsynSelect模型
WSAAsynSelect是Windows特有的,可以在一个套接字上接收以Windows消息为基础的网络事件通知。
该模型的实现方法是通过调用WSAAsynSelect函数自动将套接字设置(转变)为非阻塞模式,并向Windows注册一个或多个网络事件lEvent,并提供一个通知时使用的窗口句柄hWnd。
当注册的事件发生时,对应的窗口将收到一个基于消息的通知wMsg。
int WSAAsyncSelect(
SOCKET s,
HWND hWnd,
unsigned int wMsg,
long lEvent
);
WSAAsyncSelect模型流程如下:
#defineWM_SOCKETWM_USER+1
int WINAPI WinMain(HINSTANCE hINstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow) {
SOCKET Listen;
HWND Window;
//创建窗口,绑定上WinProc
//创建sock
WSAStartup(…);
Listen = Socket();
bind(…);
WSAAsyscSelect(Listen, Window, WM_SOCKET, FD_ACCEPT | FD_CLOSE);
listen(Listen, 5);
}
BOOL CALLBACK WinProc(HWND hDlg, WORD wMsg, WORD wParam, DWORD lParam) {
SOCKET Accept;
switch(wMsg) {
case WM_SOCKET:
//lParam的高字节包含了可能出现的任何的错误代码
//lParam的低字节指定已经发生的网络事件
//发生错误
if(WSAGETSELECTERROR(lParam)) {
closesocket…
}
//事件触发
switch( WSAGETSELECTEVENT(lParam)) {
case FD_ACCEPT:
case FD_READ:
case FD_WRITE:
}
}
}
WSAAsyncSelect是模仿Windows消息机制来实现的,使用起来很方便,仅仅只是在消息处理中加入了对WM_SOCKET的处理,这样就能严格得按先后顺序处理sock事件。
MFC中的CSOCKET也采用了这个模型。
lEvent事件表:
FD_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
只有在以下3种条件下,会发送FD_WRITE事件:
1.使用connect。
连接首次被建立。
2.使用accept。
套接字被接受。
3.使用send,sendto。
它的缺点就是,每个sock事件处理需要一个窗口句柄,如果sock很多的情况下,资源和性能可想而知了。
WSAEventSelect模型
WSAEventSelect模型类似WSAAsynSelect模型,但最主要的区别是网络事件发生时会被发送到一个Event对象句柄,而不是发送到一个窗口。
这样你就可以使用Event对象的特性了。
但WSAEventSelect模型明显复杂很多。
它需要由以下函数一起完成。
//1.创建事件对象来接收网络事件:
WSAEVENT WSACreateEvent( void );
//2.将事件对象与套接字关联,同时注册事件,使事件对象的工作状态从未传信转变未已传信。
int WSAEventSelect( SOCKET s,WSAEVENT hEventObject,long lNetworkEvents );
//3.I/O处理后,设置事件对象为未传信
BOOL WSAResetEvent( WSAEVENT hEvent );
//4.等待网络事件来触发事件句柄的工作状态:
DWORD WSAWaitForMultipleEvents( DWORD cEvents,const WSAEVENT FAR * lphEvents, BOOL fWaitAll,DWORD dwTimeout, BOOLfAlertable );
//5. 获取网络事件类型
int WSAEnumNetworkEvents( SOCKET s, WSAEVENT hEventObject, LPWSANETWORKEVENTS lpNetworkEvents );
WSACreateEvent其实跟CreateEvent的效果类似,返回的WSAEVENT类型其实就是HANDLE类型,所以可以直接使用CreateEvent创建特殊的Event。
sock和Event对象是对应的,当一个套接字有事件发生,WSAWaitForMultipleEvents返回相应的值,通过这个值来索引这个套接字。
但它也和select一样,在Event数组大小上也有限制,MAXIMUM_WAIT_OBJECTS的值为64。
有了Event对象的支持,signaled/non-signaled和manualreset/autoreset的概念也就可以应用到程序里,这样能使sock事件处理的方式比较丰富灵活。
而且它也能严格按先后顺序处理sock事件。
闪电邮PushMail的处理就是WSAEventSelect模型。
Over-LappedIO模型
它和之前模型不同的是,使用重叠模型的应用程序通知缓冲区收发系统直接使用数据,也就是说,如果应用程序投递了一个10KB大小的缓冲区来接收数据,且数据已经到达套接字,则该数据将直接被拷贝到投递的缓冲区。
之前的模型都是在套接字的缓冲区中,当通知应用程序接收后,在把数据拷贝到程序的缓冲区。
这种模型适用于除WindowsCE外的其他Windows平台,该模型是以Windows的重叠IO机制为基础,通过ReadFile和WriteFile,针对设备执行IO操作。
早先这种机制是用于文件IO,在SocketIO和文件IO统一接口之后,这种机制也被引入SocketIO。
但这类模型的实现就相对复杂多了。
有两个方法可以实现重叠IO请求的完成情况(接到重叠操作完成的通知):
1.事件对象通知(eventobjectnotification)。
2.完成例程(completionroutines)。
注意,这里并不是完成端口。
WSAOVERLAPPED
重叠结构是不得不提的,之后的完成端口模型也需要用到。
这个结构等同于OVERLAPPED。
typedef struct _WSAOVERLAPPED {
DWORD Internal;
DWORD InternalHigh;
DWORD Offset;
DWORD OffsetHigh;
WSAEVENT hEvent; //只关注这个参数,用来关联WSAEvent对象
} WSAOVERLAPPED, *LPWSAOVERLAPPED;
使用重叠结构,我们常用的send,sendto,recv,recvfrom也都要被WSASend,WSASendto,WSARecv,WSARecvFrom替换掉了,是因为它们的参数中都有一个Overlapped参数。
int WSARecv(
SOCKET s, //[in]套接字
LPWSABUF lpBuffers, //[in,out]接收缓冲区,WSABUF的数组
DWORD dwBufferCount, //[in]数组中WSABUF的数量
LPDWORD lpNumberOfBytesRecvd, //[out]此刻函数所接收到的字节数
LPDWORD lpFlags, //[in,out]这里设置为0即可
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, //[in]绑定重叠结构
LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
//[in]完成例程中将会用到的参数
);
没有错误且收取立刻完成时,返回值为0,否则是SOCKET_ERROR。
常见的错误码是WSA_IO_PENDING,表示重叠操作正在进行。
相应的其他函数也是类似参数,具体参考MDSN。
获取重叠操作的结果,由WSAWaitForMultipleEvents函数来完成。
BOOL WSAGetOverlappedResult(
SOCKET s, //[in]套接字
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, //[in]要查询的重叠结构的指针
LPDWORD lpcbTransfer,//[out]本次重叠操作的实际接收(或发送)的字节数
BOOL fWait,//[in]设置为TRUE,除非重叠操作完成,否则函数不会返回
//设置FALSE,而且操作仍处于挂起状态,那么函数就会返回FALSE,错误为WSA_IO_INCOMPLETE
LPDWORD lpdwFlags //[out]负责接收结果标志
);
事件通知
事件等待函数和WaitForMultipleObjects类似。
DWORD WSAWaitForMultipleEvents(
DWORD cEvents, //[in]等候事件的总数量
const WSAEVENT* lphEvents, //[in]事件数组的指针
BOOL fWaitAll, //[in]是否等待所有事件
DWORD dwTimeout, //[in]超时时间
BOOL fAlertable //[in]在完成例程中会用到这个参数
);
返回值有这么几个:
WSA_WAIT_TIMEOUT
超时,我们要继续Wait
WSA_WAIT_FAILED
出现错误
WAIT_IO_COMPLETION
一个或多个完成例程入队列执行
WSA_WAIT_EVENT_0~(WSA_WAIT_EVENT_0+cEvents–1)
触发的事件下标
事件通知的重叠IO模型大致流程如下:
//1.建立并初始化buf和overlap
WSAOVERLAPPED Overlap;
WSABUF DataBuf;
char* SendBuf = new char[BufLen];
DWORD Flags = 0;
DataBuf.len = BufLen;
DataBuf.buf = SendBuf;
Overlap.hEvent = EventArray[dwEventTotal ++] = WSACreateEvent();
//2.在套接字上投递WSARecv请求
int ret = WSARecv(Sock, &DataBuf, 1, &NumberOfBytesRecvd,
&Flags, &Overlap, NULL);
if (ret == SOCKET_ERROR && WSAGetLastError() !
= WSA_IO_PENDING)
error_handle(…);
//3.等待事件通知
DWORD dwIndex = WSAWaitForMultipleEvents(dwEventTotal,EventArray, FALSE, WSA_INFINITE, FALSE);
if (dwIndex == WSA_WAIT_FAILED || dwIndex == WSA_WAIT_TIMEOUT)
error_handle(…);
dwIndex -= WSA_WAIT_EVENT_0;
//4.重置事件对象
WSAResetEvent(EventArray[dwIndex]);
//5.取得重叠调用的返回状态
DWORD dwBytesTransferred;
WSAGetOverlappedResult(Sock, Overlap, &dwBytesTransferred, TRUE, &Flags);
if (dwBytesTransferred == 0)
closesocket(Sock);
dosomething(…);
如果是服务端使用事件通知模型,则需要再起一个线程来循环Wait事件通知,主线程则接受请求的连接。
实际编码过程中,要注意缓冲区不要搞错,因为全都需要自己来管理,稍有不慎就容易写脏数据和越界。
还要注意WSARecv时,可能立即有数据返回的情况,即返回值为0且NumberOfBytesRecvd>0。
完成例程
完成例程(CompletionRoutine),不是完成端口。
它是使用APC(AsynchronousProcedureCalls)异步回调函数来实现,大致流程和事件通知模型差不多,只不过WSARecv注册时,加上了lpCompletionRoutine参数。
Void CALLBACK CompletionROUTINE(
DWORD dwError, //[in]标志咱们投递的重叠操作完成的状态
DWORD cbTransferred, //[in]重叠操作期间,实际传输的字节量是多大
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, //[in]传递到最初IO调用的重叠结构
DWORD dwFlags //[in]返回操作结束时可能用的标志(一般没用)
);
但完成例程有一个比较隐晦的地方,就是APC机制本身。
APC机制
ReadFileEx/WriteFileEx在发出IO请求的同时,提供一个回调函数(APC过程),当IO请求完成后,一旦线程进入可告警状态,回调函数将会执行。
以下五个函数能够使线程进入告警状态:
SleepEx
WaitForSingleObjectEx
WaitForMultipleObjectsEx
SignalObjectAndWait
MsgWaitForMultipleObjectsEx
线程进入告警状态时,内核将会检查线程的APC队列,如果队列中有APC,将会按FIFO方式依次执行。
如果队列为空,线程将会挂起等待事件对象。
以后的某个时刻,一旦APC进入队列,线程将会被唤醒执行APC,同时等待函数返回WAIT_IO_COMPLETION。
回到完成例程的话题上。
需要一个辅助线程,辅助线程的工作是判断有没有新的客户端连接被建立,如果有,就为那个客户端套接字激活一个异步的WSARecv操作,然后调用SleepEx使线程处于一种可警告的等待状态,以使得I/O完成后CompletionROUTINE可以被内核调用,而CompletionROUTINE会在当初激活WSARecv异步操作的代码的同一个线程之内!
而且调用SleepEx时,需要把bAlertable参数设为TRUE,这样当有APC唤醒时立即调用完成例程,否则例程就不会被执行。
当然也可以使用WSAWaitForMultipleEvents函数,但这样就需要一个事件对象。
从图中就能看到CompletionROUTINE是在辅助线程(调用过WSARecv)里执行的。
CompletionPort模型
“完成端口”模型是迄今为止最为复杂的一种I/O模型。
假若一个应用程序同时需要管理为数众多的套接字,那么采用这种模型,往往可以达到最佳的系统性能!
它能最大限度的减少上下文切换的同时最大限度的提高系统并发量。
但不幸的是,该模型只适用于WindowsNT和Windows2000操作系统。
因其设计的复杂性,只有在你的应用程序需要同时管理数百乃至上千个套接字的时候,而且希望随着系统内安装的CPU数量的增多,应用程序的性能也可以线性提升,才应考虑采用“完成端口”模型。
要记住的一个基本准则是,假如要为WindowsNT或Windows2000开发高性能的服务器应用,同时希望为大量套接字I/O请求提供服务(Web服务器便是这方面的典型例子),那么I/O完成端口模型便是最佳选择!
完成端口是一种WINDOWS内核对象。
完成端口用于异步方式的重叠I/O。
简单地,可以把完成端口看成系统维护的一个队列,操作系统把重叠IO操作完成的事件通知放到该队列里,由于是暴露“操作完成”的事件通知,所以命名为“完成端口”(CompletionPorts)。
完成端口内部提供了线程池的管理,可以避免反复创建线程的开销,同时可以根据CPU的个数灵活的决定线程个数,而且可以让减少线程调度的次数从而提高性
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