Windows+网络编程技术(八)Windows_网络编程技术(八)_.pdf
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1、下载第8章 Winsock I/O方法本章重点是如何在 Wi n d o w s套接字应用程序中对 I/O(输入输出)操作进行管理。Wi n s o c k分别提供了“套接字模式”和“套接字 I/O模型”,可对一个套接字上的 I/O行为加以控制。其中,套接字模式用于决定在随一个套接字调用时,那些 Wi n s o c k函数的行为。而另一方面,套接字模型描述了一个应用程序如何对套接字上进行的 I/O进行管理及处理。要注意的是,“套接字I/O模型”与“套接字模式”是无关的。套接字模型的出现,正是为了解决套接字模式存在的某些限制。Wi n s o c k提供了两种套接字模式:锁定和非锁定。本章第一
2、部分将详细介绍这两种模式,并阐释一个应用程序如何通过它们管理I/O。如大家在本章的后面部分所见,Wi n s o c k提供了一些有趣的I/O模型,有助于应用程序通过一种“异步”方式,一次对一个或多个套接字上进行的通信加以管理。这些模型包括s e l e c t(选择)、W S A A s y n c S e l e c t(异步选择)、W S A E v e n t S e l e c t(事件选择)、Overlapped I/O(重叠式I/O)以及Completion port(完成端口)等等。到本章结束时,我们打算对各种套接字模式以及 I/O模型的优缺点进行总结。同时,帮助大家判断到底哪
3、一种最适合自己应用程序的要求。所有Wi n d o w s平台都支持套接字以锁定或非锁定方式工作。然而,并非每种平台都支持每一种 I/O模型。如表 8-1所示,在当前版本的 Windows CE中,仅提供了一个 I/O模型。Windows 98和Windows 95(取决于安装的是Winsock 1还是Winsock 2)则支持大多数I/O模型,唯一的例外便是I/O完成端口。而到了Windows NT和最新发布的Windows 2000中,每种I/O模型都是支持的。表8-1 操作系统对套接字I/O模型的支持情况平台s e l e c tWSAAsync SelectWSAEvent Selec
4、tO v e r l a p p e dCompletion PortWindows CE支持不支持不支持不支持不支持Windows 95(Winsock 1)支持支持不支持不支持不支持Windows 95(Winsock 2)支持支持支持支持不支持Windows 98支持支持支持支持不支持Windows NT支持支持支持支持支持Windows 2000支持支持支持支持支持8.1 套接字模式就像我们前面提到的那样,Wi n d o w s套接字在两种模式下执行 I/O操作:锁定和非锁定。在锁定模式下,在I/O操作完成前,执行操作的Wi n s o c k函数(比如s e n d和r e c v
5、)会一直等候下去,不会立即返回程序(将控制权交还给程序)。而在非锁定模式下,Wi n s o c k函数无论如何都会立即返回。在Windows CE和Windows 95(安装Winsock 1)平台上运行的应用程序仅支持极少的I/O模型,所以我们必须采取一些适当的步骤,让锁定和非锁定套接字能够满足各种场合的要求。8.1.1 锁定模式对于处在锁定模式的套接字,我们必须多加留意,因为在一个锁定套接字上调用任何一个Winsock API函数,都会产生相同的后果耗费或长或短的时间“等待”。大多数Wi n s o c k应用都是遵照一种“生产者消费者”模型来编制的。在这种模型中,应用程序需要读取(或写
6、入)指定数量的字节,然后以它为基础执行一些计算。程序清单 8-1展示的代码片断便是一个典型的例子。程序清单8-1 简单的锁定模式示例这段代码的问题在于,假如没有数据处于“待决”状态,那么 r e c v函数可能永远都无法返回。这是由于从语句可以看出:只有从系统的输入缓冲区中读回点什么东西,才允许返回!有些程序员可能会在r e c v中使用M S G _ P E E K标志,或者调用i o c t l s o c k e t(设置F I O N R E A D选项),在系统的缓冲区中,事先“偷看”是否存在足够的字节数量。然而,在不实际读入数据的前提下,仅仅“偷看”数据(如实际读入数据,便会将其从
7、系统缓冲区中将其删除),可不是一件光彩的事情。我们认为,这是一种非常不好的编程习惯,应尽全力避免。在“偷看”的时候,对系统造成的开销是极大的,因为仅仅为了检查有多少个字节可用,便发出一个或者更多的系统调用。以后,理所当然地,还需要牵涉到进行实际 r e c v调用,将数据从系统缓冲区内删除的开销。那么,如何避免这一情况呢?在此,我们的目标是防止由于数据的缺乏(这可能是网络出了故障,也可能是客户机出了问题),造成应用程序完全陷于“凝固”状态,同时不必连续性地检视系统网络缓冲!为达此目的,一个办法是将应用程序划分为一个读线程,以及一个计算线程。两个线程都共享同一个数据缓冲区。对这个缓冲区的访问需要
8、受到一定的限制,这是用一个同步对象来实现的,比如一个事件或者 M u t e x(互斥体)。“读线程”的职责是从网络连续地读入数据,并将其置入共享缓冲区内。读线程将计算线程开始工作至少需要的数据量拿到手后,便会触发一个事件,通知计算线程:你老兄可以开始干活了!随后,计算线程从缓冲区取走(删除)一个数据块,然后进行要求的计算。第8章计Winsock I/O方法计计173下载在程序清单8-2中,我们分别提供了两个函数,采取的便是上述办法。在两个函数中,一个负责读取网络数据(R e a d T h r e a d),另一个则负责对数据执行计算(P r o c e s s T h r e a d)。程
9、序清单8-2 多线程的锁定套接字示例174计计第二部分附Winsock API下载第8章计Winsock I/O方法计计175下载对锁定套接字来说,它的一个缺点在于:应用程序很难同时通过多个建好连接的套接字通信。使用前述的办法,我们可对应用程序进行修改,令其为连好的每个套接字都分配一个读线程,以及一个数据处理线程。尽管这仍然会增大一些开销,但的确是一种可行的方案。唯一的缺点便是扩展性极差,以后想同时处理大量套接字时,恐怕难以下手。8.1.2 非锁定模式除了锁定模式,我们还可考虑采用非锁定模式的套接字。尽管这种套接字在使用上存在着些许难度,但只要排除了这项困难,它在功能上还是非常强大的。除具备锁
10、定套接字已有的各项优点之外,还进行了少许扩充,功能更强。程序清单 8-3向大家展示了如何创建一个套接字,并将其置为非锁定模式。程序清单8-3 设置一个非锁定套接字将一个套接字置为非锁定模式之后,Winsock API调用会立即返回。大多数情况下,这些调用都会“失败”,并返回一个W S A E W O U L D B L O C K错误。什么意思呢?它意味着请求的操作在调用期间没有时间完成。举个例子来说,假如在系统的输入缓冲区中,尚不存在“待决”的数据,那么r e c v(接收数据)调用就会返回 W S A E W O U L D B L O C K错误。通常,我们需要重复调用同一个函数,直至获
11、得一个成功返回代码。在表 8-2中,我们对常见Wi n s o c k调用返回的W S A E W O U L D B L O C K错误的含义进行了总结。由于非锁定调用会频繁返回 W S A E W O U L D B L O C K错误,所以在任何时候,都应仔细检查所有返回代码,并作好“失败”的准备。许多程序员易犯的一个错误便是连续不停地调用一个函数,直到它返回成功的消息为止。例如,假定在一个紧凑的循环中不断地调用 r e c v,以读入2 0 0个字节的数据,那么与使用前述的 M S G _ P E E K标志来“轮询”一个锁定套接字相比,前一种做法根本没有任何优势可言。为此,Wi n
12、s o c k的套接字I/O模型可帮助应用程序判断一个套接字何时可供读写。锁定和非锁定套接字模式都存在着优点和缺点。其中,从概念的角度说,锁定套接字更易使用。但在应付建立连接的多个套接字时,或在数据的收发量不均,时间不定时,却显得极难管理。而另一方面,假如需要编写更多的代码,以便在每个 Wi n s o c k调用中,对收到一个176计计第二部分附Winsock API下载W S A E W O U L D B L O C K错误的可能性加以应付,那么非锁定套接字便显得有些难于操作。在这些情况下,可考虑使用“套接字 I/O模型”,它有助于应用程序通过一种异步方式,同时对一个或多个套接字上进行的
13、通信加以管理。表8-2 非锁定套接字上的W S A E W O U L D B L O C K错误函数名说明W S A A c c e p t和a c c e p t应用程序没有收到连接请求。再次调用,便可检查连接情况c l o s e s o c k e t大多数情况下,这个错误意味着已随S O _ L I N G E R选项一道,调用了s e t s o c k o p t,而且已设定了一个非零的超时值W S A C o n n e c t和c o n n e c t应用程序已初始化。再次调用,便可检查是否完成W S A R e c v、r e c v、W S A R e c v F r
14、o m和r e c v f r o m没有收到数据。稍后再次检查W S A S e n d、s e n d、W S A S e n d To和s e n d t o外出数据无缓冲区可用。稍后再试8.2 套接字I/O模型共有五种类型的套接字I/O模型,可让Wi n s o c k应用程序对I/O进行管理,它们包括:s e l e c t(选择)、W S A A s y n c S e l e c t(异步选择)、W S A E v e n t S e l e c t(事件选择)、o v e r l a p p e d(重叠)以及completion port(完成端口)。在这一节里,我们打算向大
15、家解释每种 I/O模型的特点,同时讲述如何利用这些模型,来开发自己的应用程序,以便同时管理一个或多个套接字请求。在本书的配套光盘上,针对每种 I/O模型,大家都可以找到一个或者更多的示范应用程序。这些程序阐述了如何利用每种模型的原理,开发一个简单的 T C P回应服务器。8.2.1 select模型s e l e c t(选择)模型是Wi n s o c k中最常见的I/O模型。之所以称其为“s e l e c t模型”,是由于它的“中心思想”便是利用s e l e c t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U n i x操作系统的计算机,它们采用的是 B e r
16、k e l e y套接字方案。s e l e c t模型已集成到Winsock 1.1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 Winsock 1.1向后兼容于B e r k e l e y套接字实施方案,所以假如有一个 B e r k e l e y套接字应用使用了 s e l e c t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。利用s e l e c t函数,我们判断套接字上是否存在数据,或者能否向一个套接字写入数据。之所以要设计这个函数,唯一的目的便是防止应用程序在套接字处于锁定模式中时,在一次
17、I/O绑定调用(如s e n d或r e c v)过程中,被迫进入“锁定”状态;同时防止在套接字处于非锁定模式中时,产生W S A E W O U L D B L O C K错误。除非满足事先用参数规定的条件,否则 s e l e c t函数会在进行I/O操作时锁定。s e l e c t的函数原型如下:其中,第一个参数 n f d s会被忽略。之所以仍然要提供这个参数,只是为了保持与早期的B e r k e l e y套接字应用程序的兼容。大家可注意到三个f d _ s e t参数:一个用于检查可读性(r e a d f d s),一个用于检查可写性(w r i t e f d s),另一个
18、用于例外数据(e x c e p t f d s)。从根本上说,f d _ s e t数据类型代表着一系列特定套接字的集合。其中,r e a d f d s集合包括符合下述任何一个条件的套接字:有数据可以读入。连接已经关闭、重设或中止。假如已调用了l i s t e n,而且一个连接正在建立,那么a c c e p t函数调用会成功。w r i t e f d s集合包括符合下述任何一个条件的套接字:有数据可以发出。如果已完成了对一个非锁定连接调用的处理,连接就会成功。最后,e x c e p t f d s集合包括符合下述任何一个条件的套接字:假如已完成了对一个非锁定连接调用的处理,连接尝试
19、就会失败。有带外(O u t-o f-b a n d,O O B)数据可供读取。例如,假定我们想测试一个套接字是否“可读”,必须将自己的套接字增添到r e a d f d s集合,再等待s e l e c t函数完成。s e l e c t完成之后,必须判断自己的套接字是否仍为 r e a d f d s集合的一部分。若答案是肯定的,便表明该套接字“可读”,可立即着手从它上面读取数据。在三个参数中(r e a d f d s、w r i t e f d s和e x c e p t f d s),任何两个都可以是空值(N U L L);但是,至少有一个不能为空值!在任何不为空的集合中,必须包含至
20、少一个套接字句柄;否则,s e l e c t函数便没有任何东西可以等待。最后一个参数 t i m e o u t对应的是一个指针,它指向一个 t i m e v a l结构,用于决定s e l e c t最多等待I/O操作完成多久的时间。如 t i m e o u t是一个空指针,那么s e l e c t调用会无限期地“锁定”或停顿下去,直到至少有一个描述符符合指定的条件后结束。对 t i m e v a l结构的定义如下:其中,t v _ s e c字段以秒为单位指定等待时间;t v _ u s e c字段则以毫秒为单位指定等待时间。若将超时值设置为(0,0),表明s e l e c t
21、会立即返回,允许应用程序对 s e l e c t操作进行“轮询”。出于对性能方面的考虑,应避免这样的设置。s e l e c t成功完成后,会在 f d _ s e t结构中,返回刚好有未完成的I/O操作的所有套接字句柄的总量。若超过 t i m e v a l设定的时间,便会返回 0。不管由于什么原因,假如s e l e c t调用失败,都会返回S O C K E T _ E R R O R。用s e l e c t对套接字进行监视之前,在自己的应用程序中,必须将套接字句柄分配给一个集合,设置好一个或全部读、写以及例外 f d _ s e t结构。将一个套接字分配给任何一个集合后,再来调用
22、s e l e c t,便可知道一个套接字上是否正在发生上述的 I/O活动。Wi n s o c k提供了下列宏操作,可用来针对I/O活动,对f d _ s e t进行处理与检查:FD_CLR(s,*set):从s e t中删除套接字s。FD_ISSET(s,*set):检查s是否s e t集合的一名成员;如答案是肯定的是,则返回 T R U E。FD_SET(s,*set):将套接字s加入集合s e t。F D _ Z E R O(*s e t):将s e t初始化成空集合。第8章计Winsock I/O方法计计177下载例如,假定我们想知道是否可从一个套接字中安全地读取数据,同时不会陷于无
23、休止的“锁定”状态,便可使用 F D _ S E T宏,将自己的套接字分配给 f d _ r e a d集合,再来调用s e l e c t。要想检测自己的套接字是否仍属 f d _ r e a d集合的一部分,可使用F D _ I S S E T宏。采用下述步骤,便可完成用s e l e c t操作一个或多个套接字句柄的全过程:1)使用F D _ Z E R O宏,初始化自己感兴趣的每一个f d _ s e t。2)使用F D _ S E T宏,将套接字句柄分配给自己感兴趣的每个 f d _ s e t。3)调用s e l e c t函数,然后等待在指定的f d _ s e t集合中,I/O
24、活动设置好一个或多个套接字句柄。s e l e c t完成后,会返回在所有f d _ s e t集合中设置的套接字句柄总数,并对每个集合进行相应的更新。4)根据s e l e c t的返回值,我们的应用程序便可判断出哪些套接字存在着尚未完成(待决)的I/O操作具体的方法是使用F D _ I S S E T宏,对每个f d _ s e t集合进行检查。5)知道了每个集合中“待决”的I/O操作之后,对I/O进行处理,然后返回步骤1),继续进行s e l e c t处理。s e l e c t返回后,它会修改每个 f d _ s e t结构,删除那些不存在待决 I/O操作的套接字句柄。这正是我们在上
25、述的步骤(4)中,为何要使用F D _ I S S E T宏来判断一个特定的套接字是否仍在集合中的原因。在程序清单8-4中,我们向大家阐述了为一个(只有一个)套接字设置 s e l e c t模型所需的一系列基本步骤。若想在这个应用程序中添加更多的套接字,只需为额外的套接字维护它们的一个列表,或维护它们的一个数组即可。程序清单8-4 用s e l e c t管理一个套接字上的I/O操作178计计第二部分附Winsock API下载第8章计Winsock I/O方法计计179下载8.2.2 WSAAsyncSelectWi n s o c k提供了一个有用的异步 I/O模型。利用这个模型,应用程
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